Нанопинцет для манипулирования частицами

Авторы патента:

ПОТЕМКИН, Александр Петрович (DE)

Лускинович, Петр Николаевич (RU)

B82B3/00 - Изготовление или обработка наноструктур

B25J7/00 - Микроманипуляторы

Владельцы патента RU 2633425:

ПОТЕМКИН Александр Петрович (DE)

Изобретение относится к нанотехнологиям для материалов и покрытий, к изготовлению или обработке наноструктур, а также к нанобиотехнологии. Нанопинцет содержит два конусообразных электрода со сходящимися вершинами, подключенные к управляемому источнику электрического напряжения, сердечник из изолирующего оптически прозрачного материала, расположенный между конусообразными электродами, и лазер с регулируемыми параметрами излучения, вводимого через сердечник к вершинам конусообразных электродов для термодесорбции захваченной частицы из межэлектродного пространства в заданную область подложки. Изобретение также относится к способу манипулирования частицами с использованием нанопинцета. Изобретение направлено на создание надежного и технологического устройства, обеспечивающего полное освобождение нанопинцета от захваченного материала. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к нанотехнологиям для материалов и покрытий, к изготовлению или обработке наноструктур, а также к нанобиотехнологии.

Из предшествующего уровня техники известно захватывающее наноустройство и способ его изготовления (см. WO 2003045838 А1 05.06.2003). Если это пинцет, объект величины/размера порядка «милли» рисового зерна, волоса и т.п.может быть захвачен и удержан парой ручек. Однако частица на ДНК или жидкокристаллической панели, частица на плате интегральной схемы/субстрате и т.п. не может захватить нанообъект величины/размера порядка «нано». Это связано с тем, что передняя-конечная/заостренная часть пинцета не сможет захватывать частицы порядка «нано».

Известный из RU 2389681 20.05.2010 способ производства наноэлектронных и наномеханических приборов ограничивает возможности осаждения различных материалов необходимостью соответствия их размеров диаметру структурных каналов трубки. Кроме того, для проведения процессов адсорбции и десорбции необходимо создавать электрическое поле между нанотрубками и поверхностью подложки, что ограничивает возможности применения предложенного способа только использованием проводящих подложек. Еще одним недостатком описанного устройства является меньший градиент электрического поля на поверхности подложки. В результате частицы будут оставаться на вершине зонда и не осаждаться на более плоскую поверхность обрабатываемой подложки.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является диэлектрофоретическое (DEP) устройство – пинцет - и способы его применения, описанные в WO 2007058804 А1 24.05.2007. В указанном техническом решении два электрода располагаются на или составляют удлиненный объект, принимающий форму острия. Через эти электроды подается напряжение для получения неоднородного электромагнитного поля ближе к острию. Тем самым создается диэлектрофоретическая ловушка. Будучи захваченной, частица может быть перемещена в заданные позиции путем манипулирования удлиненным объектом или средой, в которой помещена частица. Множественное диэлектрофоретическое устройство-пинцет может быть приспособлено для формирования решеток острия, способных создавать соответственно местные электромагнитные поля, ограниченные остриями. Подобные диэлектрофоретические решетки могут применяться в нанопроизводственных процессах, включающих нанолитографию или наноманипуляцию, а также в приложениях для хранения и поиска данных.

Указанные технические решения являются ненадежными при использовании. Кроме того, все они характеризуются главным недостатком - отсутствием механизма полного освобождения от захваченного материала. В результате после переноса материала и приближении его к области осаждения переносимый материал или его часть в зависимости от соотношения величин атомных сил взаимодействия с вершинами электродов и областью осаждения не осаждается полностью и частично остается на вершинах электродов.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание надежного и технологичного устройства, лишенного указанных недостатков и дающего возможность полного освобождения нанопинцета от захваченного материала.

Указанная задача решается тем, что в электрополевой пинцет (или нанопинцет), состоящий из конусообразных электродов со сходящимися вершинами и подключенных к управляемому источнику электрического напряжения, между указанными конусообразными электродами расположен сердечник из изолирующего оптически прозрачного материала, также дополнительно введен лазер с регулируемыми параметрами излучения, вводимого через сердечник из изолирующего оптически прозрачного материала к вершинам конусообразных электродов при термодесорбции объекта из межэлектродного пространства от вершины конусообразных электродов. Задача также решается тем, что в способе использования электрополевого пинцета для манипулирования частицами создают неоднородное электрическое поле между двумя конусообразными электродами, приближают вершины их остриев к захватываемой с подложки частицы до тех пор, пока силы электростатического взаимодействия между электродами и частицей не превысят силы межатомного взаимодействия между частицей и подложкой, отрывают неоднородным электрическим полем частицу от подложки, фиксируют ее между вершинами остриев и перемещают в заданную область, приближают конусообразные электроды с захваченным объектом к подложке и выключают электрическое поле, а после выключения электрического поля создают лазерное излучение и осуществляют термодесорбцию (удаление) объекта из межэлектродного пространства.

Устройство электрополевого пинцета приведено на фиг. 1.

Устройство содержит:

1. сердечник, выполненный из изолирующего оптически прозрачного материала, применяемого лазерного излучения.

2, 3 - конусообазные электроды 9 (зонды) на поверхности сердечника.

4, 5 - провода соединяющие конусообразные электроды с управляемым источником электрического напряжения.

6. лазер, излучение которого вводится в сердечник.

7 - управляемый источник электрического напряжения.

Вершина сердечника электрополевого пинцета изготавливается конической формы. Конусообразные электроды располагаются на конической, цилиндрической или прямоугольной частях сердечника, количество электродов не менее 2.

Конусообразные электроды подключаются к электронной системе управления, генерирующей управляемое компьютером напряжение. Максимальная величина управляющего напряжения генерируемого электронной системой управления ограничивается возникновением электрического пробоя на поверхности между вершинами остриев конусообразных электродов.

Сердечник электрополевого пинцета может быть изготовлен как из однородного материала, а также из неоднородного на основе оптических волноводов с центральной областью из материалов с повышенным показателем преломления. Материалом, используемым в сердечнике, может быть кварц с легирующими примесями и без, многокомпонентные стекла, оксид циркония, оксид титана, а также метаматериалы.

Длина волны лазерного излучения выбирается соответствующей максимуму спектра поглощения перемещаемого материала.

Локализация излучения лазера в области на вершине сердечника осуществляется за счет полного внутреннего отражения на границе раздела сред с различным показателем преломления, а также отражения от электродов. Используется непрерывное или импульсное лазерное излучение. Мощности лазерного излучения могут достигать величин, выше которых начинается лазерный пробой. Лазерное излучение может использоваться как локализующее между конусообразными электродами перемещаемого объекта, потому что создает электромагнитные поля с высоким градиентом, а также для нагрева объекта и его термодесорбции из пространства между вершинами конусообразных электродов.

Конусообразные электроды электрополевого пинцета могут быть изготовлены из проводящих материалов с повышенным коэффициентом отражения излучения лазера, например алюминия, меди, золота, серебра, фуллеренов, графенов и т.д.

Минимальное расстояние между вершинами указанных электродов может составлять доли нанометра.

Электрополевой пинцет может манипулировать частицами различных материалов - проводящих, полупроводниковых и диэлектрических.

Устройство работает следующим образом, реализуя заявленный способ.

Сердечник нанопинцета 1 с конусообразными электродами 2, 3 приближают к захватываемому объекту (частице) и создают источником электрического напряжения неоднородное электрическое поле между вершинами остриев конусообразных электродов. В результате воздействия неоднородного электрического поля поляризующийся объект перемещается в направлении максимального градиента электрического поля вплоть до фиксации его в межэлектродном пространстве между остриями конусообразных электродов. Форма управляющего электрического импульса генерируемого управляющим источником электрического напряжения задается от компьютера. Времена нарастания и спада управляющего электрического импульса регулируются от десятых долей и менее до десятков секунд и более. Далее отдаляют электрополевой пинцет с захваченным объектом от подложки и перемещают его вместе с захваченным объектом в новое место над подложкой. После этого приближают электрополевой пинцет с захваченным объектом к подложке и выключают электрическое поле, после чего включают лазерное излучение и осуществляют термодесорбцию (удаление) объекта из межэлектродного пространства.

1. Нанопинцет для манипулирования частицами, содержащий два конусообразных электрода со сходящимися вершинами, подключенные к управляемому источнику электрического напряжения, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сердечник из изолирующего оптически прозрачного материала, расположенный между конусообразными электродами, и лазер с регулируемыми параметрами излучения, вводимого через сердечник к вершинам конусообразных электродов для термодесорбции захваченной частицы из межэлектродного пространства в заданную область подложки.

2. Способ манипулирования частицами, включающий использование нанопинцета по п. 1, создание неоднородного электрического поля между двумя конусообразными электродами, приближение их остриев к захватываемой с подложки частице до тех пор, пока силы электростатического взаимодействия между электродами и частицей не превысят силы межатомного взаимодействия между частицей и подложкой, отрывание неоднородным электрическим полем частицы от подложки, фиксирование ее между вершинами остриев и перемещение в заданную область подложки, приближение конусообразных электродов с захваченной частицей к подложке и выключение электрического поля, при этом после выключения электрического поля с помощью лазерного излучения осуществляют термодесорбцию частицы из межэлектродного пространства конусообразных электродов.

Изобретение относится к технологии получения нанопроволок AlN для микроэлектроники и может быть использовано для улучшения рассеивания тепла гетероструктурами, для создания светильников, индикаторов и плоских экранов, работающих на матрице из нанопроволок и т.д.

Способ формирования нанопористого оксида на поверхности имплантата из порошкового ниобия // 2633143

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано при изготовлении имплантатов. Способ формирования нанопористого оксида на поверхности имплантата из порошкового ниобия, включающий обработку в ультразвуковой ванне последовательно в ацетоне и этаноле, промывку в дистиллированной воде, сушку на воздухе и анодирование в водном растворе 1М H2SO4+1% HF в гальваностатическом режиме при плотности тока 0.01 А/дм2 в течение одного часа.

Композиционный материал на полимерной основе для комбинированной защиты гамма, нейтронного и электромагнитного излучения, наполненный нанопорошком вольфрама, нитрида бора и технического углерода // 2632934

Изобретение относится к области защиты от ионизирующего и сверхвысокочастотного излучения. Предлагаемый композиционный материал состоит из сверхвысокомолекулярного полиэтилена 40-62 мас.%, порошка вольфрама 18-20 мас.%, нитрида бора 15-20 мас.% и технического углерода УМ-76 5-20 мас.%.

Композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для комбинированной радио и радиационной защиты, наполненный пентаборидом дивольфрама и техническим углеродом // 2632932

Изобретение относится к области защиты от ионизирующего и сверхвысокочастотного излучения. Предлагаемый композиционный материал состоит из: сверхвысокомолекулярного полиэтилена - 50-75 масс.%, пентаборида дивольфрама - 20-30 масс.% и технического углерода УМ-76 - 5-20 масс.%.

Катализатор гидроизомеризации н-алканов и способ его приготовления // 2632911

Изобретение относится к области химии, а именно к катализаторам, предназначенным для процесса гидроизомеризации н-алканов, а также прямогонных и гидроочищенных дизельных фракций, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности.

Катализатор гидроизомеризации н-алканов и способ его приготовления // 2632890

Способ очистки алмазов динамического синтеза // 2632838

Изобретение относится к технологии получения синтетических алмазов методом динамического детонационного синтеза и может быть использовано для очистки и извлечения высокочистого алмаза из первичных продуктов.

Способ получения графена // 2632688

Изобретение может быть использовано в наноэлектронике. Частицы графита помещают в вакуум между электродами, при этом разность потенциалов устанавливают достаточной для электродинамического ожижения частиц и получения ими энергии, превышающей работу, необходимую для их раскола по плоскостям спайности на слои графена при хрупком разрушении во время ударов об электроды.

Нанокомпозитный материал с биологической активностью // 2632297

Изобретение относится к области нанотехнологии, а более конкретно, к нанокомпозитным материалам с пленочным углеродсодержащим покрытием, получаемым осаждением ионов из газовой фазы углеводородов посредством ионно-стимулированного осаждения.Нанокомпозитный материал с биологической активностью включает подложку из биосовместимого полимера, преимущественно политетрафторэтилена или полиэтилентерефталата, имеющую наноструктурированную поверхность в результате ее травления потоками ионов тетрафторметана до формирования среднеквадратичной шероховатости Rq величиной 5-200 нм, при этом рельеф поверхности подложки модифицирован углеродсодержащей наноразмерной пленкой, полученной ионно-стимулированным осаждением в вакууме из циклогексана.Новым является то, что модифицирующая углеродсодержащая пленка, которая получена при осаждении из плазмообразующей смеси тетрафторметана и циклогексана, дополнительно содержит фтор в массовом соотношении к углероду в диапазоне 0,5-1,3, а рельеф наноструктурированной поверхности подложки образован выступами, отстоящими между собой на расстоянии 0,3-1,0 мкм, высота которых, как минимум, вдвое превышает радиус их основания, причем модифицирующая пленка содержит фтор и углерод в следующем их массовом соотношении 32-55% и 65-42% соответственно.Предложенное техническое решение полностью исключило адгезию микроорганизмов на поверхности наноструктурированного материала, супергидрофобность которого достигнута за счет оптимизированного содержания фтора и углерода на заданном нанорельефе поверхности подложки, при этом полученная оптическая прозрачность материала в видимом спектральном диапазоне обеспечила пригодность для использования в политронике..

Способ получения нанокапсул лекарственных препаратов группы пенициллинов в конжаковой камеди // 2631883

Изобретение относится к области фармацевтики, а именно к способу получения нанокапсул лекарственных препаратов группы пенициллинов, выбранных из амоксициллина, натриевой соли бензилпенициллина, ампициллина, заключающемуся в том, что в качестве оболочек нанокапсул используется конжаковая камедь, а в качестве ядра - препарат группы пенициллинов, при массовом соотношении ядро:оболочка 1:1, при этом указанный препарат группы пенициллинов добавляют в суспензию конжаковой камеди в бутаноле в присутствии 0,01 г Е472с, затем добавляют метиленхлорид, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при 25°С.

Микросистемный захват // 2598416

Изобретение относится к микросистемной технике, в частности к микроробототехнике, и может быть использовано в исполнительных устройствах роботов при манипулировании микрообъектами сложных конфигураций и сыпучих материалов, например, в космической технике, для забора проб грунта планет, комет и других небесных тел.

Пьезоэлектрический схват // 2529126

Изобретение относится к области робототехники, а именно к захватным устройствам, предназначенным для удержания и микропозиционирования миниатюрных механических деталей и электронных компонентов.

Устройство для точного позиционирования // 2475354

Изобретение относится к точному приборостроению, к приводам микроманипуляторов, и может быть использовано для значительного перемещения объектов с высокоточным позиционированием и с приложением значительных усилий.

Наноструктурное захватное устройство для манипулирования микрообъектами, изготовленными из электропроводниковых материалов // 2423223

Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в качестве рабочего органа микроманипулятора для манипулирования микрообъектами, изготовленными из элекропроводниковых материалов.

Биметаллический микросхват // 2417878

Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в качестве исполнительного устройства микроманипулятора. .

Магнитострикционный микросхват // 2417877

Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в качестве захватного устройства микроманипулятора. .

Электростатический микросхват // 2417876

Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в исполнительных устройствах микроманипуляторов. .

Наноструктурное захватное устройство микроманипулятора // 2331505

Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в качестве рабочего органа микроманипулятора. .

Вакуумное захватное устройство микроробота // 2281197

Изобретение относится к области микроробототехники и предназначено для захвата запыленных, шероховатых, пористых и имеющих сложный рельеф поверхностей: с трещинами, щелями, отверстиями, с реализацией механизма плавного регулирования.

Ротационный привод микроманипулятора // 2266811

Изобретение относится к устройствам автоматизации сборки микроэлектромеханических систем и предназначено для использования в микроманипуляторах в качестве поворотного исполнительного механизма.

Способ получения нанодисперсных оксидов металлов // 2633582

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения нанодисперсных оксидов металлов включает формирование реакционной смеси путем внесения нитратов металлов и карбамида в водную среду в стехиометрическом соотношении. На реакционную среду воздействуют микроволновым излучением. Реакционную смесь формируют непосредственно в реакционном объеме при следующем соотношении компонентов, мас. %: смесь нитрата и карбамида 10-20, вода - остальное. Воздействие микроволновым излучением осуществляют при открытом доступе к реакционной среде в реакционном объеме. Промежуточный продукт реакций подвергают сушке при температуре не менее 200°С. Высушенный продукт измельчают до размеров частиц не более 20 нм. В ходе измельчения высушенного продукта параллельно осуществляют гидрофобизационную обработку гидрофобизирующей смесью, состоящей из силанов и силиконовых олигомеров, взятых в соотношении, мас. %: силан 17-33, силиконовый олигомер 67-83. Изобретение позволяет обеспечить полную конверсию нитратов металлов в оксиды, обладающие пролонгированной устойчивостью к агломерации, повысить выход продуктов, исключить наличие следов исходных компонентов в продуктах. 3 з.п. ф-лы, 6 табл., 8 пр.