Материалы и приборы на основе нанотрубок имеют много приложений: от диагностики и лечения заболеваний до создания охлаждающих систем для электроники. Однако, чтобы получать материалы с нужными характеристиками, нужно подробно изучить свойства нанотрубок и научиться управлять ими. Для этого применяют атомно-силовую микроскопию, основанную на сканировании поверхности образца с помощью специального зонда. Зонд представляет собой иглу с кончиком, размер которого составляет всего несколько тысячных долей микрона. Он перемещается по образцу и регистрирует силовое взаимодействие точка за точкой. На основе этих данных электроника определяет рельеф поверхности, формирует ее трехмерное изображение, а также отслеживает электромеханические свойства объекта.
При традиционном способе сканирования зонд непрерывно контактирует с образцом и может сильно повредить хрупкие нанотрубки, не прикрепленные к подложке. Чтобы избежать повреждения, исследователи из Университета ИТМО, МФТИ и Университета Авейру в Португалии совместно с коллегами из компании NT-MDT Spectrum Instruments модифицировали метод атомно-силовой микроскопии. Главное отличие метода в том, что во время сканирования зонд перемещается к следующей точке измерения над образцом, не контактируя с ним.
«После каждого измерения иголка отводится от поверхности, образец немного смещается, и иголка опускается уже к новой точке, – объясняет Арсений Калинин, ведущий автор статьи, сотрудник отдела разработок NT-MDT Spectrum Instruments. – Мы не царапаем поверхность, а аккуратно прощупываем сверху, и мелкие незафиксированные объекты остаются целыми. Для этого, кроме алгоритмов измерения, мы разработали высокоскоростную электронику, которая постоянно в реальном времени обрабатывает сигнал взаимодействия иглы с поверхностью».
Ученые использовали новый метод, чтобы изучить нанотрубки из короткого пептида дифениаланина. Исследователи одновременно измерили упругость пептидных нанотрубок и описали, как они ведут себя в электрическом поле. В результате удалось изучить механические свойства нанотрубок и выявить у них спонтанную поляризацию, или сдвиг положительных и отрицательных зарядов относительно друг друга вне электрического поля. Также ученые впервые смогли напрямую измерить пьезоэлектрический отклик, то есть сигнал, характеризующий свойство объекта изменять размеры под действием электрического поля.
«Пьезоэлектрический эффект позволяет преобразовать электрический сигнал в механический и наоборот. По такому принципу работают, например, микрофоны, аппараты УЗИ и миниатюрные моторы в объективах камер, – продолжает Арсений. – Обычно пьезоэлектрические свойства и упругость измеряют по отдельности. Новым методом мы можем измерить их одновременно и при этом не разрушать объекты изучения».
За счет спонтанной поляризации пептидные нанотрубки можно использовать в компактных охлаждающих устройствах.
«Увеличивать быстродействие компьютеров невозможно без эффективного охлаждения, – говорит Александр Целев, соруководитель международной лаборатории "Материалы и структуры для электро и магнитокалорических преобразователей энергии" Университета ИТМО. – Для этого можно использовать компактные устройства с принципом работы, похожим на обычный холодильник, в котором хранятся продукты. Если сделать такие устройства из пептидных нанотрубок, мы сможем существенно сократить их размеры. Наша задача – как можно лучше изучить свойства нанотрубок и научиться эффективно их использовать».
Статья: An atomic force microscopy mode for nondestructive electromechanical studies and its application to diphenylalanine peptide nanotubes. Arseny Kalinin et al. Ultramicroscopy Nov. 21, 2017
