Атомно-силовой микроскоп научили раскрашивать изображения
Группа японских ученых разработала методику, с помощью которой атомно-силовой микроскоп можно использовать для получения цветных изображений. Кроме информации о топографии поверхности такой микроскоп измеряет значения трех параметров потенциала Морзе, которые затем преобразуют в цветовой код с информацией о локальном химическом составе. Исследование опубликовано в Applied Physics Letters.
Атомно-силовая микроскопия — один из наиболее точных современных микроскопических методов. С помощью очень тонкой иголки с нанометровым острием, которая отклоняется при контакте с исследуемым материалом, можно получать данные о рельефе поверхности с атомарным разрешением.
Часто при микроскопическом исследовании материала хочется не только знать форму анализируемой поверхности, но и каким-то образом определить химический состав тех или иных особенностей рельефа поверхности. Электронную микроскопию для похожих целей часто объединяют, например, с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией, которая дает информацию о локальном элементном составе анализируемого образца. При атомно-силовой микроскопии анализ элементного состава пока не проводится, но кроме непосредственно топографии поверхности, она позволяет получить и дополнительную информацию о механических и физических свойствах поверхности.
Сейчас основным методом получения изображений с помощью атомно-силовой микроскопии является так называемый полуконтактный метод, при котором иголка микроскопа совершает вертикальные колебания с определенной частотой и определенной амплитудой. Иголка подводится к поверхности на определенное расстояние так, чтобы ее кончик касался поверхности, находясь в нижней части своей траектории. Дополнительную информацию из этих измерений можно извлечь, проанализировав изменения амплитуды, фазы и частоты колебаний при контакте с образцом. И если фазовый контраст исследователи иногда используют в качестве дополнительной информации об исследуемой поверхности, то остальные данные ученые анализируют достаточно редко.
В своей работе японские ученые предложили схему математической обработки зависимости частоты колебаний иголки микроскопа от расстояния до образца. Характерную кривую, которую ученые получали в качестве сигнала, они описывали с использованием потенциала Морзе, который характеризует электростатическое взаимодействие двух атомов в зависимости от расстояния между ними.
Зная частоту собственных колебаний иголки, частоту внешнего источника колебаний и сдвиг частоты при контакте с поверхностью, можно получить информацию о химических свойствах поверхности. В результате из параметров потенциала Морзе ученые получали значения трех величин: глубины потенциальной ямы, равновесного расстояния и длины затухания. По словам ученых, эти три параметра служат своеобразными «отпечатками пальцев» для атома на поверхности.
После этого три параметра нормировались и преобразовывались в цветовой код, где глубине потенциальной ямы присваивался синий цвет, равновесному расстоянию — красный, а длине затухания — зеленый.
Объединяя три цветовых канала, можно получить цветное изображения с полной информацией о потенциале Морзе и, соответственно, зависимость химического состава от положения на поверхности.
Открытыми остаются вопросы о применимости потенциала Морзе для описания зависимости частоты от расстояния в данном эксперименте. Ученые также отмечают, что соответствие полученных параметров потенциала Морзе действительному химическому составу поверхности полностью не проверено. Тем не менее предложенный учеными выбор параметров для получения цветного изображения выглядит довольно перспективным для дальнейшего использования в материаловедении.
Использование атомно-силовой микроскопии не ограничивается исследованием структуры неорганических материалов. Так, ученым удалось приспособить ее для диагностирования рака и управления терагерцовыми лазерами. При этом некоторые модификации атомно-силовых микроскопов уже можно уместить на небольшом чипе.
Александр Дубов
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.