eng
Выпуск #2/2014
Д.Гудилин
Синтез образования, науки и производства: практический опыт
Синтез образования, науки и производства: практический опыт
Просмотры: 5279
Уже более десяти лет в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова работает лаборатория сканирующей зондовой микроскопии, в которой проходят обучение студенты, ведут исследования аспиранты и сотрудники физического, химического, биологического и других факультетов университета. Основной инструмент – многофункциональные сканирующие зондовые микроскопы "ФемтоСкан" производства компании "Центр перспективных технологий".
Теги: atomic-force microscopy nanotechnology scanning probe microscope scientific and educational center атомно-силовая микроскопия нанотехнологии научно-образовательный центр сканирующий зондовый микроскоп
Объединенная лаборатория сканирующей зондовой микроскопии" создана в МГУ в 1996 году с целью обучения студентов современным методам исследования микро- и нанообъектов, а также реализации исследовательских проектов сотрудников университета и входящих в его структуру организаций. "Практикум начинался в 2002 году на нашей кафедре и кафедре высокомолекулярных соединений (ВМС) химического факультета, – рассказывает Георгий Мешков, научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ. – Постепенно круг задач расширялся – в лаборатории стали работать также преподаватели и аспиранты факультетов биологии, биоинженерии и биоинформатики, наук о материалах". Привлечению студентов и увеличению числа практических занятий способствовало создание в 2009 году в университете Научно-образовательного центра по нанотехнологиям, в котором ведется обучение по трем межфакультетским специализациям: "Наносистемы и наноустройства", "Функциональные наноматериалы" и "Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии".
Исследования
Помимо решения образовательных задач, лаборатория сотрудничает со многими академическими и научно-исследовательскими организациями, например, с Институтом элементоорганических соединений РАН (ИНЭОС РАН), Институтом химической физики РАН, Институтом синтетических полимерных материалов РАН, НИИ эпидемиологии и микробиологии.
"Мы выполняем проекты разных направлений, исследуем самые различные объекты – от биологических, например бактериальных клеток, до графита, графена, углеродных нанотрубок и полимеров, – рассказывает Ольга Синицына, научный сотрудник кафедры ВМС химического факультета МГУ. – С помощью зонда можно не только сканировать, но и менять структуру материала, поэтому СЗМ также используется для создания новых систем". Совместно с НИИ общей реаниматологии РАМН сотрудники лаборатории исследовали эритроциты, в частности процессы электропорации клеток. С Институтом радиотехники и электроники в рамках проекта по созданию электромеханических наноактуаторов исследовались материалы с эффектом памяти форм. Из такого материала, в частности, был создан наноразмерный кантилевер. Также были реализованы десятки других проектов.
Многофункциональный прибор
Лаборатория располагает современными измерительными приборами и входит в структуру Центра коллективного пользования "Бионаноскопия". Основное измерительное оборудование – сканирующие зондовые микроскопы "ФемтоСкан" разных модификаций, которые разрабатывает и производит "Центр перспективных технологий"
(www.nanoscopy.ru). В каждом приборе реализовано более 50 различных режимов сканирующей зондовой микроскопии, включая практически все виды атомно-силовой микроскопии, сканирующую фрикционную микроскопию, сканирующую туннельную микроскопию, туннельную спектроскопию, сканирующую резистивную микроскопию и другие. Измерения могут проводиться на воздухе и в жидкости при регулируемом нагреве образца. Лаборатория располагает и моделью "ФемтоСкан Крио" с возможностью проведения исследований при температурах от 5 до 350 К.
СЗМ позволяет получать атомные разрешения на материалах, инертных на воздухе, например, слюде и графите. Можно исследовать отдельные молекулы. По словам сотрудников лаборатории, одно из важных преимуществ микроскопа "ФемтоСкан" по сравнению с аналогами зарубежного производства – возможность внесения дополнений в конструкцию, создания различных надстроек для разработки новых методик измерения и поведения различных экспериментов. Ольга Синицына рассказывает: "Так как мы тесно связаны с компанией-производителем, доработки прибора поощряются. Например, в одном из студенческих проектов атомно-силовой микроскоп совмещался с интерферометром – с помощью последнего определялись специфические точки кристалла для последующего исследования средствами АСМ". Также развивается направление кантилеверных сенсоров – на базе кантилеверов СЗМ студентами и аспирантами создаются приборы, которые позволяют определять различные химические вещества.
Сотрудники лаборатории участвовали в создании научно-образовательной программы по нанотехнологиям, в которую входит курс по сканирующей зондовой микроскопии. Проект реализовывался совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ. В программе активно использовалось ПО "ФемтоСкан Онлайн", обеспечивающее дистанционное управление микроскопом. Разработанный образовательный модуль позволяет удаленно осваивать основные режимы работы сканирующих зондовых микроскопов и из любой точки мира получать экспериментальные данные. Контроль выполнения работ при дистанционном обучении реализован через веб-интерфейс, а основная экспериментальная часть выполняется с помощью ПО с архитектурой "клиент-сервер". Программа была апробирована и прекрасно себя зарекомендовала.
По словам сотрудников лаборатории, возможность удаленного доступа удобна как при обучении, так и для дистанционного выполнения исследовательских работ. Ольга Синицына: "Сканирование может происходить медленно, поэтому, если нет возможности ждать, можно оставить прибор работать автономно, и удаленно контролировать его работу. Кроме того, когда в помещении много людей, возникают дополнительные акустические шумы и вибрации, которые негативно влияют на качество получаемых изображений. Воздух может нагреваться на несколько градусов, и, если температура образца дополнительно не стабилизирована, возникает дрейф поверхности образца. При большой величине дрейфа зонд может терять контакт с поверхностью. Проблема решается, если оставить прибор в пустом помещении и управлять им дистанционно".
Возможность удаленного доступа удобна для дистанционной помощи в настройке оборудования неопытным пользователям и при проведении презентаций на выставках и конференциях. В последнем случае прибор не требуется возить с собой, а продемонстрировать его можно, установив рядом веб-камеру.
Собственные ноу-хау и методики
СЗМ рекомендуется устанавливать на первых этажах, так как вибрации зданий вызывают значительные помехи. В том числе по этой причине прибор часто бывает нецелесообразно везти на выездные мероприятия, ограничиваясь дистанционной демонстрацией его возможностей. Основное помещение лаборатории расположено на втором этаже. "Мы не используем активную виброзащиту, но у нас есть свои ноу-хау – специальные подставки", – отметила Анастасия Большакова, старший научный сотрудник кафедры ВМС химического факультета МГУ. Впрочем, опыт сотрудников лаборатории показывает, что "ФемтоСкан" достаточно устойчив к вибрациям и помехам. Ольга Синицына: "На нескольких выставках убеждалась, что если не ангстремные, то нанометровые разрешения получать можно даже в сложных условиях, когда прибор не защищен от шума и воздействия других внешних факторов".
Методики исследования подбираются под конкретный объект. Анастасия Большакова: "Для типовых объектов методики отрабатываются в учебном процессе, в частности в лабораторных работах. Если приносят новый объект, то вначале пробуем имеющиеся наработки, затем изучаем публикации, но в них описания бывают поверхностными, так как многие авторы стараются скрыть часть информации".
Пробоподготовка и другие проблемы
В основном эксперименты выполняются на воздухе, так как исследования в жидкости требуют значительно более трудоемкой пробоподготовки. Ольга Синицына: "Можно понять желание получать интересные результаты при минимальных затратах труда, но при работе со многими объектами, например биологическими, сложная пробоподготовка просто необходима. Зондовая микроскопия показывает топографию, но не всегда легко определить химический состав. Конечно, если отличаются термомеханические свойства или электрическая проводимость разных элементов поверхности, то мы сможем различить эти области. Если же свойства элементов поверхности близки, то контраст будет незначительным. В таких случаях особенно важна правильная пробоподготовка, например травление образца".
Также, по словам сотрудников лаборатории, проблемы возникают из-за небрежности в пробоподготовке и предвзятого отношения к результатам. Георгий Мешков: "Нередко люди, приносящие образцы, хотят увидеть желаемую, а не объективную картину".
Новый метод измерений
Одна из последних разработок лаборатории совместно со сколковской компанией "Медицинские нанотехнологии" – сканирующая ион-проводящая микроскопия, позволяющая изучать клетки с мягкой мембраной, объекты с гибкой оболочкой и гелеобразные образцы. Сканирование выполняется в растворе электролита, причем сам образец может быть непроводящим. Вместо кантилевера используется нанокапилляр с диаметром отверстия около 10 нм, внутри которого находится электрод. Между электродом внутри капилляра и электродом, помещенным в раствор, протекает ионный ток. Если открытый кончик нанокапилляра приближается к образцу, то, начиная с определенной дистанции, примерно равной диаметру нанокапилляра, ток уменьшается, что позволяет получать изображение поверхности. При исследовании биологических образцов, например живых клеток, новый метод обеспечивает возможность исследовать структуру их поверхности в недеформированном состоянии. Кончик нанокапилляра может быть погружен внутрь клетки для изучения электрохимических процессов, проходящих в ней. Данную разработку планируется развивать, чтобы в будущем реализовать ее в серийных приборах инновационных компаний "Центр перспективных технологий" и "Медицинские нанотехнологии" (www.nanotomed.com). Для этих целей также была разработана быстродействующая управляющая электроника. Теперь система обратной связи может работать на частоте 1 МГц. Таким образом, повышается не только скорость измерений, но и качество получаемых изображений, что особенно важно при изучении сложных биологических систем. ■
Исследования
Помимо решения образовательных задач, лаборатория сотрудничает со многими академическими и научно-исследовательскими организациями, например, с Институтом элементоорганических соединений РАН (ИНЭОС РАН), Институтом химической физики РАН, Институтом синтетических полимерных материалов РАН, НИИ эпидемиологии и микробиологии.
"Мы выполняем проекты разных направлений, исследуем самые различные объекты – от биологических, например бактериальных клеток, до графита, графена, углеродных нанотрубок и полимеров, – рассказывает Ольга Синицына, научный сотрудник кафедры ВМС химического факультета МГУ. – С помощью зонда можно не только сканировать, но и менять структуру материала, поэтому СЗМ также используется для создания новых систем". Совместно с НИИ общей реаниматологии РАМН сотрудники лаборатории исследовали эритроциты, в частности процессы электропорации клеток. С Институтом радиотехники и электроники в рамках проекта по созданию электромеханических наноактуаторов исследовались материалы с эффектом памяти форм. Из такого материала, в частности, был создан наноразмерный кантилевер. Также были реализованы десятки других проектов.
Многофункциональный прибор
Лаборатория располагает современными измерительными приборами и входит в структуру Центра коллективного пользования "Бионаноскопия". Основное измерительное оборудование – сканирующие зондовые микроскопы "ФемтоСкан" разных модификаций, которые разрабатывает и производит "Центр перспективных технологий"
(www.nanoscopy.ru). В каждом приборе реализовано более 50 различных режимов сканирующей зондовой микроскопии, включая практически все виды атомно-силовой микроскопии, сканирующую фрикционную микроскопию, сканирующую туннельную микроскопию, туннельную спектроскопию, сканирующую резистивную микроскопию и другие. Измерения могут проводиться на воздухе и в жидкости при регулируемом нагреве образца. Лаборатория располагает и моделью "ФемтоСкан Крио" с возможностью проведения исследований при температурах от 5 до 350 К.
СЗМ позволяет получать атомные разрешения на материалах, инертных на воздухе, например, слюде и графите. Можно исследовать отдельные молекулы. По словам сотрудников лаборатории, одно из важных преимуществ микроскопа "ФемтоСкан" по сравнению с аналогами зарубежного производства – возможность внесения дополнений в конструкцию, создания различных надстроек для разработки новых методик измерения и поведения различных экспериментов. Ольга Синицына рассказывает: "Так как мы тесно связаны с компанией-производителем, доработки прибора поощряются. Например, в одном из студенческих проектов атомно-силовой микроскоп совмещался с интерферометром – с помощью последнего определялись специфические точки кристалла для последующего исследования средствами АСМ". Также развивается направление кантилеверных сенсоров – на базе кантилеверов СЗМ студентами и аспирантами создаются приборы, которые позволяют определять различные химические вещества.
Сотрудники лаборатории участвовали в создании научно-образовательной программы по нанотехнологиям, в которую входит курс по сканирующей зондовой микроскопии. Проект реализовывался совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ. В программе активно использовалось ПО "ФемтоСкан Онлайн", обеспечивающее дистанционное управление микроскопом. Разработанный образовательный модуль позволяет удаленно осваивать основные режимы работы сканирующих зондовых микроскопов и из любой точки мира получать экспериментальные данные. Контроль выполнения работ при дистанционном обучении реализован через веб-интерфейс, а основная экспериментальная часть выполняется с помощью ПО с архитектурой "клиент-сервер". Программа была апробирована и прекрасно себя зарекомендовала.
По словам сотрудников лаборатории, возможность удаленного доступа удобна как при обучении, так и для дистанционного выполнения исследовательских работ. Ольга Синицына: "Сканирование может происходить медленно, поэтому, если нет возможности ждать, можно оставить прибор работать автономно, и удаленно контролировать его работу. Кроме того, когда в помещении много людей, возникают дополнительные акустические шумы и вибрации, которые негативно влияют на качество получаемых изображений. Воздух может нагреваться на несколько градусов, и, если температура образца дополнительно не стабилизирована, возникает дрейф поверхности образца. При большой величине дрейфа зонд может терять контакт с поверхностью. Проблема решается, если оставить прибор в пустом помещении и управлять им дистанционно".
Возможность удаленного доступа удобна для дистанционной помощи в настройке оборудования неопытным пользователям и при проведении презентаций на выставках и конференциях. В последнем случае прибор не требуется возить с собой, а продемонстрировать его можно, установив рядом веб-камеру.
Собственные ноу-хау и методики
СЗМ рекомендуется устанавливать на первых этажах, так как вибрации зданий вызывают значительные помехи. В том числе по этой причине прибор часто бывает нецелесообразно везти на выездные мероприятия, ограничиваясь дистанционной демонстрацией его возможностей. Основное помещение лаборатории расположено на втором этаже. "Мы не используем активную виброзащиту, но у нас есть свои ноу-хау – специальные подставки", – отметила Анастасия Большакова, старший научный сотрудник кафедры ВМС химического факультета МГУ. Впрочем, опыт сотрудников лаборатории показывает, что "ФемтоСкан" достаточно устойчив к вибрациям и помехам. Ольга Синицына: "На нескольких выставках убеждалась, что если не ангстремные, то нанометровые разрешения получать можно даже в сложных условиях, когда прибор не защищен от шума и воздействия других внешних факторов".
Методики исследования подбираются под конкретный объект. Анастасия Большакова: "Для типовых объектов методики отрабатываются в учебном процессе, в частности в лабораторных работах. Если приносят новый объект, то вначале пробуем имеющиеся наработки, затем изучаем публикации, но в них описания бывают поверхностными, так как многие авторы стараются скрыть часть информации".
Пробоподготовка и другие проблемы
В основном эксперименты выполняются на воздухе, так как исследования в жидкости требуют значительно более трудоемкой пробоподготовки. Ольга Синицына: "Можно понять желание получать интересные результаты при минимальных затратах труда, но при работе со многими объектами, например биологическими, сложная пробоподготовка просто необходима. Зондовая микроскопия показывает топографию, но не всегда легко определить химический состав. Конечно, если отличаются термомеханические свойства или электрическая проводимость разных элементов поверхности, то мы сможем различить эти области. Если же свойства элементов поверхности близки, то контраст будет незначительным. В таких случаях особенно важна правильная пробоподготовка, например травление образца".
Также, по словам сотрудников лаборатории, проблемы возникают из-за небрежности в пробоподготовке и предвзятого отношения к результатам. Георгий Мешков: "Нередко люди, приносящие образцы, хотят увидеть желаемую, а не объективную картину".
Новый метод измерений
Одна из последних разработок лаборатории совместно со сколковской компанией "Медицинские нанотехнологии" – сканирующая ион-проводящая микроскопия, позволяющая изучать клетки с мягкой мембраной, объекты с гибкой оболочкой и гелеобразные образцы. Сканирование выполняется в растворе электролита, причем сам образец может быть непроводящим. Вместо кантилевера используется нанокапилляр с диаметром отверстия около 10 нм, внутри которого находится электрод. Между электродом внутри капилляра и электродом, помещенным в раствор, протекает ионный ток. Если открытый кончик нанокапилляра приближается к образцу, то, начиная с определенной дистанции, примерно равной диаметру нанокапилляра, ток уменьшается, что позволяет получать изображение поверхности. При исследовании биологических образцов, например живых клеток, новый метод обеспечивает возможность исследовать структуру их поверхности в недеформированном состоянии. Кончик нанокапилляра может быть погружен внутрь клетки для изучения электрохимических процессов, проходящих в ней. Данную разработку планируется развивать, чтобы в будущем реализовать ее в серийных приборах инновационных компаний "Центр перспективных технологий" и "Медицинские нанотехнологии" (www.nanotomed.com). Для этих целей также была разработана быстродействующая управляющая электроника. Теперь система обратной связи может работать на частоте 1 МГц. Таким образом, повышается не только скорость измерений, но и качество получаемых изображений, что особенно важно при изучении сложных биологических систем. ■
Отзывы читателей
