Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
W2 Usługi badań i pomiarów
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Mikroskop sił atomowych wykonany w oparciu o Lego i Arduino

ghost666 09 Paź 2013 18:01 9297 11
  • Mikroskop sił atomowych wykonany w oparciu o Lego i Arduino

    Gdy Alice Pyne opowiada o dawaniu dzieciom w szkołach próbek "skrystalizowanych struktur wirusa" można odczuć delikatne drżenie serca. Wydaje się że już dostatecznie pogrążyliśmy następne pokolenie bez oddawania im w ręce narzędzi do prowadzenia wojny biologicznej. Opisany wirus to wirus mozaiki tytoniowej, nie jest on w stanie zarażać komórek zwierzęcych, zapewnia autor. Nie to jednak jest tutaj najistotniejsze. Chodzi o to żeby zamiast prezentować wiedzę w szkołach z wykorzystaniem dwuwymiarowych obrazków w podręcznikach pokazać im coś prawdziwego. Co więcej - unaocznić im trójwymiarowy obraz na przykład wirusa na zajęciach.

    Alice Pyne, doktorantka na University College London próbuje udostępnić szkołom taką możliwość, poprzez stworzenie taniego urządzenia umożliwiającego obrazowanie ekstremalnie małych struktur. Takiego samego urządzenia jakie Alice wykorzystała do wykonania pierwszego obrazu helisy DNA w roztworze. Aby to osiągnąć zaprojektowała mikroskop sił atomowych (AFM) kosztujący zalediwie 300 funtów. Do jego konstrukcji wykorzystuje się elementy wykorzystane z klocków LEGO, moduł Arduino i części które wykonać można z pomocą drukarki 3D.

    "Chcemy umożliwić dzieciom oglądanie struktur biologicznych w sposób jaki dotychczasowo nie był dla nich dostępny" mówi Alice.

    Mikroskop sił atomowych wykonany w oparciu o Lego i Arduino


    Mikroskop sił atomowych nie jest mikroskopem w tradycyjnym tego słowa znaczeniu. Nie przykłada się tutaj oka do kawałka szkła, aby móc obserwować próbkę w powiększeniu. W istocie te mikroskopy są dużo fajniejsze niż te klasyczne.

    AFM jest jak miniaturowy odtwarzacz gramofonowy. Posiada on miniaturowe ramie wyposażone w bardzo małą igłę oraz laser, który ukierunkowany jest tak aby odbijał się od ramienia. Gdy próbka pod igłą porusza się ramie mikroskopu wygina się, jako że igła porusza się w górę i w dół, w odpowiedzi na ruch próbki. Powoduje to że laser odbija się inaczej, w zależności od poruszenia się igły. Poprzez zbieranie tych sygnałów jesteśmy w stanie zrekonstruować trójwymiarowy obraz próbki w ogromnym powiększeniu. W dużym uproszczeniu - urządzenie takie zachowuje się jak skaner 3D mogący obrazować nanostruktury.

    "Co czyni profesjonalne mikroskopy sił atomowych drogimi to fakt że posiadają one mnóstwo funkcji, umożliwiających obrazowanie w wielu trybach" mówi Pyne. "W naszym projekcie obrazujemy próbkę na bardzo niewielkim obszarze, korzystając z najprostszego trybu obrazowania".

    Mikroskop ten został zaprojektowany podczas niedawnej wycieczki jedenastu studentów UCL do Beijing, gdzie współpracowali oni z studentami uniwersytetów w Tsinghua i w Pekinie, razem z innymi studentami z uniwersytetów Oxford i w Singapurze. W ciągu pięciu dni zespół, kierowany przez Pyne, zbudował i przetestował w pełni sprawny mikroskop sił atomowych. Większość części które zostały wykorzystane do wykonania mikroskopu pochodzi z sklepów elektronicznych w Zhongguancun, technologicznej dzielnicy Beijing. Pozostałe części z których składał się mikroskop to klocki LEGO i Make Blocks lub elementy wydrukowane na drukarce 3D. Tylko dwa specjalistyczne elementy zostały zamówione przez internet przed rozpoczęciem całego projektu.

    "W tych sklepach nie znajdziemy dedykowanych detektorów, takich jak kwadrantowy fotodetektor (fotodioda wyposażona w cztery sąsiadujące ze sobą pola światłoczułe - przyp. tłum.) ani piezomanipulatorów (bardzo precyzyjnych układów pozwalających na przesuw z rozdzielczością nanometrową - przyp. tłum.)" tłumaczy Pyne. Te elementy były jedynymi specjalistycznymi elementami potrzebnymi do konstrukcji układu. Mikroskop skonstruowany przez jej grupę składa się z metalowej podstawy, obudowy wykonanej z LEGO oraz szeregu dedykowanych elementów wykonanych w technice druku 3D, zapewniających dokładne spasowanie układu z elementami LEGO. Układ skanujący jest w pełni wykonany w technice druku 3D i wzorowany na podobnym zaprojektowanym przez badaczy z Uniwersytetu w Bristolu.

    Piezomanipulatory to komponenty oparte o efekt piezoelektryczny. Zmieniają one swój kształt i położenie pod wpływem pola elektrycznego (i odwrotnie). Był to najdroższy element całego układu i pochłonął około połowy całego budżetu. Przy przyłożeniu 10 V do tego elementu wydłuża się on o około jeden mikron. Pozwala to na osiągnięcie niesamowitej rozdzielczości wykorzystując Arduino do kontroli pozycji układu.

    Cele projektu nie są w pełni altruistyczne. Pyne ma nadzieje że poprzez rozpowszechnienie tego typu tanich układów wykonanych na licencji open source w krajach takich jak Chiny, istotne informacje na przykład te dotyczące zanieczyszczeń staną się bardziej dostępne dla ludzi. Dzięki takim projektom szkoły zyskują bardzo tani dostęp do zaawansowanych narządzi badawczych a naukowcy mają szansę na zyskanie bardzo ciekawych wyników pochodzących od nastolatków, którzy zafascynowani tą technologią będą prowadzić na niej swoje badania.

    Nie wiadomo jeszcze kiedy projekt będzie w pełni gotowy i dostępny online, jednakże Pyne twierdzi iż powinno stać się nie później niż w 2014 roku.
    Źródła:
    http://www.wired.co.uk/news/archive/2013-09/18/lego-microscope

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9215 postów o ocenie 6772, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • W2 Usługi badań i pomiarów
  • #2
    marasneo
    Poziom 15  
    Zacna myśl, zacny pomysł. Na napisanie samego kodu sterującego potrzeba sporo czasu. Oprogramowanie sterujące istnieje (nawet darmo), pozostaje sztywny stage, uchwyt tipa i inne kwestie takie jak PZT czy dźwignia optyczna. Najgorzej z ADC i DAC, muszą być dostatecznie szybkie a to problem. Duży bufor. Ciekawe czy złożą więcej niż (128 x 128) px w rozsądnym czasie. Opracowanie tego wszystkiego w pięć dni wymagało doskonałego zgrania bardzo wielu osób. Fajnie, że coś takiego się dzieje.

    Być może i my na Polibudzie kiedyś się szarpniemy na taki (kiedy nie będziemy mieli nic do roboty?). Bardzo pouczająca inicjatywa jakich mało. SPM to zbiór pięknych, potężnych i charakterystycznych technik.
  • W2 Usługi badań i pomiarów
  • #3
    miszcz310
    Poziom 19  
    Z jednej strony super sprawa, jednak z drugiej to jest trochę śmiech na sali.
    Rozumiem, że najprostszy tryb, jaki został zaimplementowany to tryb pełnego kontaktu.
    Skoro nie zamawiali tipów, to musieli jakoś go wykonać i tutaj powstaje pytanie w ogóle o zasadność pomiaru czymś takim. Artefaktów to tam pewnie całe mnóstwo, nie wspomnę już o drganiach i problemach czysto mechanicznych. Moim zdaniem to jest dobre ćwiczenie dla przyszłych inżynierów, ale ma to bardzo nikłe szanse na praktyczne wykorzystanie. Fajna zabawka, żeby coś tam zobaczyć, ale skany nie mają zbyt dużej wartości. Niska rozdzielczość (pewnie), potężny szum, niskie prędkości skanu i co za tym idzie - różne problemy z pozycjonowaniem. Tip o nieznanym kształcie i pewnie wykonany z łatwo ścieralnego materiału. Wszystko wolne, praco- i czasochłonne.

    Jednak mimo wszystko fajna zabaweczka. :D
  • #4
    znamcie
    Poziom 11  
    A mi się wydaje że koledzy o rozdzielczości i jakości to raczej racji nie mają.
    W tytule pisze że to skaner nie materii (przez dotyk) ale sił atomowych. Czyli taki zbliżeniowy czujnik. Tak wiec skanowanie będzie polegało na dojechaniu do próbki a później piezoelektrykiem przesuwanie nad próbką, oraz jednoczesny odczyt zmian światła odbitego lasera. Dokładność w tym wypadku to: jak dokładnie ustawimy napięcie (oraz stabilnie) dla piezoelektryka i jak odczytamy zmianę lasera na fotoelemencie.
    Rozdzielczość to nm !

    Widziałem taki artykuł o pomiarach z uwzględnieniem kierunku siły, nie wiem jak to będzie wyglądało tutaj. Okazuje się że każda cząsteczka emituje inne pole (może częstotliwość? albo kierunek?). Innymi słowy można je rozróżnić.

    Pozdrawiam i ciekawe zastosowanie piezoelektryków oraz właściwości światła.
  • #5
    miszcz310
    Poziom 19  
    znamcie napisał:

    A mi się wydaje że koledzy o rozdzielczości i jakości to raczej racji nie mają.
    W tytule pisze że to skaner nie materii (przez dotyk) ale sił atomowych. Czyli taki zbliżeniowy czujnik. Tak wiec skanowanie będzie polegało na dojechaniu do próbki a później piezoelektrykiem przesuwanie nad próbką, oraz jednoczesny odczyt zmian światła odbitego lasera. Dokładność w tym wypadku to: jak dokładnie ustawimy napięcie (oraz stabilnie) dla piezoelektryka i jak odczytamy zmianę lasera na fotoelemencie.
    Rozdzielczość to nm !

    Widziałem taki artykuł o pomiarach z uwzględnieniem kierunku siły, nie wiem jak to będzie wyglądało tutaj. Okazuje się że każda cząsteczka emituje inne pole (może częstotliwość? albo kierunek?). Innymi słowy można je rozróżnić.

    Pozdrawiam i ciekawe zastosowanie piezoelektryków oraz właściwości światła.


    Ojojojojojoj. Chyba ktoś tutaj nie ma zielonego pojęcia co to jest AFM. Polecam najpierw przeczytać sobie nawet na wiki na czym polega pomiar, a potem nas pouczać o jakimś świeceniu na próbkę. Polecam też przyjżeć się drugiemu zdjęciu. To jest typowy wygląd headera do tipów, co prawda dość dziwnie wyglądający ale idea jest taka sama.

    P.S. Jest taka metoda badania topografii próbki poprzez świecenie na nią laserem i badanie zmian światła odbitego, ale na pewno nie uzyska się nią pojedynczych nm rozdzielczości. Właśnie światło jest tutaj problemem.

    P.S. 2. Hmmm. Żeby uzyskać kontrast materiałowy w skanach AFM stosuje się np. tryb kontaktu przerywanego. Jednak problemem wtedy jest interpretacja wyników do postaci ilościowej. Istnieje też bardzo wiele innych trybów pomiarów, np. MFM, EFM, itp. Wszystko zależy na co dany tip będzie wrażliwy. Jednak jak już wspomniałem do ilościowej interpretacji potrzebne są modele numeryczne, które trzeba wykonywać dla każdego układu badawczego osobno. Często przestawienie urządzenia w inne miejsce w pokoju powoduje, że trzeba wszystko wyliczać od nowa.
  • #6
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    miszcz310 napisał:
    P.S. Jest taka metoda badania topografii próbki poprzez świecenie na nią laserem i badanie zmian światła odbitego, ale na pewno nie uzyska się nią pojedynczych nm rozdzielczości. Właśnie światło jest tutaj problemem.


    Przecież są techniki mikroskopii optycznej pozwalającej uzyskiwać rozdzielczość nanometrową... problemem jest tylko światło - używa się do tego np. iluminacj 20 nm z różnych źródeł - np. wyładowań plazmy. No i cała gama technik optycznych któe pozwalają zejść poniżej limitu dyfrakcyjnego normalnego układu - poczynając od technik 'stochastycznych' jak PALM, STORM, poprzez różne STEDy, 2λ n strukturalnej iluminacji kończąc.


    miszcz310 napisał:
    P.S. 2. Hmmm. Żeby uzyskać kontrast materiałowy w skanach AFM stosuje się np. tryb kontaktu przerywanego. Jednak problemem wtedy jest interpretacja wyników do postaci ilościowej. Istnieje też bardzo wiele innych trybów pomiarów, np. MFM, EFM, itp. Wszystko zależy na co dany tip będzie wrażliwy. Jednak jak już wspomniałem do ilościowej interpretacji potrzebne są modele numeryczne, które trzeba wykonywać dla każdego układu badawczego osobno. Często przestawienie urządzenia w inne miejsce w pokoju powoduje, że trzeba wszystko wyliczać od nowa.


    Kontrast można uzyskać w samej metodzie kontaktowej, bez użycia innych trybów - chociażby spektroskopia sił albo badanie tarcia. Oczywiście sprawdzi się tylko dla materiałów które same naturalnie taki kontrast mają.

    P.S. Kolega fizyk?
  • #7
    c4r0
    Poziom 36  
    Hmm. Coś mi się nie wydaje, żeby taki AFM miał jakiekolwiek praktyczne zastosowanie. Jako ciekawostka w postaci AFM z lego (chociaż tak na prawdę to lego tutaj nic nie wnosi) to może i fajna rzecz, ale czy tym się da uzyskać obraz wirusa na tyle dobry, żeby go pokazywać dzieciom w szkole? Trudno mi uwierzyć. Poza tym na stronie jakoś nie chwalą się ani uzyskanymi parametrami ani nawet nie pokazują żadnego skanu.
  • #8
    miszcz310
    Poziom 19  
    ghost666 napisał:

    Przecież są techniki mikroskopii optycznej pozwalającej uzyskiwać rozdzielczość nanometrową... problemem jest tylko światło - używa się do tego np. iluminacj 20 nm z różnych źródeł - np. wyładowań plazmy. No i cała gama technik optycznych któe pozwalają zejść poniżej limitu dyfrakcyjnego normalnego układu - poczynając od technik 'stochastycznych' jak PALM, STORM, poprzez różne STEDy, 2λ n strukturalnej iluminacji kończąc.


    Powiem szczerze, że na technikach optycznych aż tak dobrze się nie znam, tylko czy falę 20nm, można jeszcze nazwać światłem? Idąc tym tropem to SEM albo TEM w pewnym sensie też są technikami optycznymi.

    ghost666 napisał:

    Kontrast można uzyskać w samej metodzie kontaktowej, bez użycia innych trybów - chociażby spektroskopia sił albo badanie tarcia. Oczywiście sprawdzi się tylko dla materiałów które same naturalnie taki kontrast mają.


    Co do badania tarcia to rozumiem, że chodzi o "Lateral Force Imaging". No to jak by chcieli zrobić własny tip tego typu to życzę powodzenia. :D . Nie twierdzę, że w "domowych" warunkach jest to niewykonalne, ale moim zdaniem, zrobienie czegoś co umożliwiłoby powtarzalny pomiar jest na razie niemożliwe.
    Co do spektroskopii sił to chodzi o "AFAM Resonance Spectroscopy"? Przepraszam, że używam nomenklatury firmy nt-mdt, ale na ich sprzęcie się uczyłem wszystkiego. Jeżeli tak, to może ten tryb dało by się jakoś "bezboleśnie" zaadaptować. Pytanie tylko ile trwa normalny skan, bo jeżeli długo to tym trybem zeskanowanie trwałoby całą wieczność. Nie wspominiając przy tym, że tip po 10 punkcie byłby pewnie już totalnie zjechany.

    ghost666 napisał:

    P.S. Kolega fizyk?


    Tak, aż tak to widać?
  • #9
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    SEM i TEM nie można nazwać technikami optycznymi z zasadniczych względów - do obrazowania nie używa się fotonów. A foton 20 nm to jeszcze foton, stanowczo. Leży w zakresie próżniowego ultrafioletu. ;).

    Co do trybów to ciężko mi jest cokolwiek odpowiedzieć, bo nigdy nie pracowałem na sprzęcie NT-MDT, tylko głównie na Agilencie. Ale wiemy o co chodzi ;).

    Co do pytania z post scriptum, to wolałem się upewnić bo znajomość AFM na tym poziome wskazuje że tak, z kolei mówienie że nie ma technik optycznych z rozdzielczością nanometryczną wskazuje że jeszcze nie w 100% fizyk ;) no offence oczywiście.
  • #10
    c4r0
    Poziom 36  
    miszcz310 napisał:
    Powiem szczerze, że na technikach optycznych aż tak dobrze się nie znam, tylko czy falę 20nm, można jeszcze nazwać światłem? Idąc tym tropem to SEM albo TEM w pewnym sensie też są technikami optycznymi.

    To zależy od definicji. Niektóre mówią, że światło to zakres widzialny. Inne, że podczerwień i UV też się zaliczają. Ja bym SEM ani TEM nie nazwał metodą optyczną, bo stosuje się przecież elektrony a nie fotony. Z drugiej strony istnieje coś takiego jak "optyka elektronowa". A poza tym, metody wymienione wcześniej wcale nie korzystają z promieniowania o tak krótkiej fali. Są sztuczki na przekroczenie limitu dyfrakcji i te sztuczki pozwalają na optyczne obrazowanie (skaningowe) z rozdzielczością pojedynczych nanometrów przy iluminacji światłem widzialnym.
  • #11
    marasneo
    Poziom 15  
    znamcie napisał:
    A mi się wydaje że koledzy o rozdzielczości i jakości to raczej racji nie mają.


    Co jak co, ale technikami SPM a w szczególności AFM zajmuję się od wielu dobrych lat.

    Dodano po 12 [minuty]:

    ghost666 napisał:
    Kontrast można uzyskać w samej metodzie kontaktowej, bez użycia innych trybów - chociażby spektroskopia sił albo badanie tarcia. Oczywiście sprawdzi się tylko dla materiałów które same naturalnie taki kontrast mają.


    W kontakcie można zastosować także FMM - tryb modulacji siły dzięki któremu zyskujemy info o własnościach elastycznych powierzchni, w tym naturalnie o kontraście materiałowym.

    Do mnie obecnie przemawia MAC mode na Agilencie ;), ale to już nie w kontakcie. Cudo... chociaż szkoda, że dźwignie dość szybko padają...

    miszcz310 napisał:
    Co do spektroskopii sił to chodzi o "AFAM Resonance Spectroscopy"? Przepraszam, że używam nomenklatury firmy nt-mdt, ale na ich sprzęcie się uczyłem wszystkiego.


    Kolego, którego mikroskopu od NT-MDT używałeś? Czyżby Solver-Next'a (ekspres do kawy)?
  • #12
    miszcz310
    Poziom 19  
    ghost666 napisał:

    Co do pytania z post scriptum, to wolałem się upewnić bo znajomość AFM na tym poziome wskazuje że tak, z kolei mówienie że nie ma technik optycznych z rozdzielczością nanometryczną wskazuje że jeszcze nie w 100% fizyk :wink: no offence oczywiście.


    No tak jak mówiłem. Nie zajmowałem się jak dotąd optycznymi metodami obrazowania (zaawansowanymi), bo nie potrzebowałem ich jak do tej pory. Także się na tym po prostu nie znam. Może kolega mógłby jakimś linkiem zarzucić to bym sobie poczytał o tych sztuczkach. :D

    marasneo napisał:

    Kolego, którego mikroskopu od NT-MDT używałeś? Czyżby Solver-Next'a (ekspres do kawy)?


    Pewności nie mam ale wydaje mi się, że to post-radzieckie (czyt. rosyjskie) cudo to było NTEGRA Prima, czyli modułowy bajer. Jezu ile ja się czasami namęczyłem z softem do tego...