"Что вижу, то и манипулирую" или без мелкоскопа - никак
«Мы люди бедные и по бедности своей мелкоскопа не имеем, а у нас так глаз пристрелявши», - говорил персонаж Николая Лескова Левша, тот самый, что блоху подковал. При работе с инструментом, который разрабатывают в Институте радиотехники и электроники им. Котельникова РАН, МИФИ и МИСиСе, без «мелкоскопа» не обойтись.
Группа российских учёных создаёт самый маленький наноманипулятор, который способен бережно захватывать объекты толщиной всего в несколько десятков нанометров. О принципах работы этой «крохи» и перспективах её применения рассказали сотрудники института Пётр Лега и Дмитрий Кучин на лекции для специалистов из самых разных областей науки и просто любопытствующих, организованной Science Now.
В чём особенность пинцета?
Самое интересное – как пинцет захватывает свою «добычу». Дело в том, что рычаги пинцета, которые удерживают объект, должны двигаться всего на доли микрометра, и, конечно, вручную такой точности не добиться.
Поэтому вместо механического движения конструкторы использовали так называемый эффект памяти формы – способность некоторых сплавов, обладающих мартенситными превращениями, принимать ту или иную форму в зависимости от температуры.
При нагреве пинцет сжимается, захватывая нужный объект, а при охлаждении принимает исходную форму. Чтобы нагреть пинцет, а заодно, проследить за изменением температуры, к системе управления пинцетом подключен миниатюрный диод, через который пропускают ток.
Это уникальный продукт, который выпускает только ООО "Наноактюатор" в коллаборации с Центром нанотехнологий и наноматериалов Республики Мордовии. Пока идут испытания, а первая небольшая партия пинцетов планируется в апреле 2017 года. Ближайшие аналоги такого пинцета в десятки и сотни раз больше, а также, к тому же могут работать только в определенных условиях.
Что он может?
Этот сверхминиатюрный инструмент способен работать с объектами в тысячи раз тоньше человеческого волоса, которые в обычный микроскоп не увидишь. Сейчас для работы с нанопинцетом и сам манипулятор, и объекты, которые ему предстоит перенести с места на место, помещают в сканирующий электронный микроскоп.
Это, конечно, несколько сужает диапазон объектов, с которыми может работать пинцет, потому что они должны переносить условия полного вакуума. Впрочем, функционально нанопинцет «Наноактюатора» может работать в любых средах, вопрос в том, чтобы правильно направить его и захватить объект.
Последнее достижение команды - манипулирование углеродной нанотрубкой 30 нм толщиной, это мировой рекорд. «Наш девиз: что вижу, то и манипулирую», - гордо рассказывает Пётр Лега.
Помимо практической работы в лаборатории проводятся фундаментальные исследования, в том числе по гранту РНФ. Согласно теоретической модели, дальнейшее уменьшение размера пинцета вполне целесообразно: при размерах пинцета в пределах десятков нанометров могут раскрыться новые возможности для проявлений эффектов памяти формы.
Как это работает?
Чтобы проводить манипуляции нанопинцетом, его прикрепляют на самый кончик коммерческого манипулятора, и всю конструкцию помещают в электронный микроскоп.
Сейчас именно электронный микроскоп представляет лучшее решение, так как оптический не позволяет увидеть объекты в необходимом разрешении. Другие сканирующие микроскопы, например, ионные, «стреляют» по содержимому слишком тяжёлыми частицами, и они могут повредить объекты, которыми нужно манипулировать.
Сейчас отдельная трудность связана с нагреванием пинцета, чтобы тот, изменив форму, захватил объект. Время нагрева составляет 2 секунды, а это довольно долго. Учёные планируют сократить время нагрева до миллисекунд, а в перспективе создать нанороботизированные автоматизированные системы, которые смогут нагревать инструмент самостоятельно.
Зачем это нужно?
«Что вижу, то манипулирую» - хороший девиз, а главное, описывает суть вещей. По словам Петра Леги, наноманипулятор действительно рассчитан на работу с любыми нанообъектами.
Главными потребителями таких услуг пока являются, конечно, исследовательские лаборатории. По крайней мере на современном этапе. Особые надежды связывают с медициной. Например, в теории такой пинцет может «поймать за хвост» вирус.
Но есть перспективы и практического использования. Например, нанопинцет поможет собирать крохотные микрочипы для быстрого анализа крови или манипулировать живыми клетками, не повреждая их. В будущем такие нанопинцеты могут появиться на автономных нанороботах, которым надо будет захватывать и переносить объекты.
Одно ясно точно – для работы с таким крохотными прибором мыслить надо широко.