Новая умная конструкция микроскопа, разработанная исследователями Национального Института Стандартов и Технологии (НИСТ) Министерства Торговли США (NIST) позволяет наблюдать наночастицы в трехмерном изображении. NIST находится в стадии патентования этой конструкции и технологии для слежения за траекториеми наночастиц. Разработчики полагают, что новый микроскоп даст лучшее понимание динамики поведение наночастиц в жидкостях, в частности, продвинет процессы контроля и оптимизации при сборке наноизделий.

В то время как технологии производства в нанодиапазоне во многом используют методы литографии и микроэлектронной промышленности, новый многообещающий подход базируется на «управляемой само-сборке». Такой процесс основан на понимании физических свойств и химического сродства наночастиц в растворах и управления ими с целью инициирования организации их в желаемые структуры и кофигурации. Потенциальные продукты включают исключительно чувствительные химические и биологические матричные сенсоры, новые медицинские и диагностические материалы, базирующиеся на «квантовых точках» (квантовая точка – фрагмент проводника или полупроводника, ограниченный по всем трём пространственным измерениям и содержащий электроны проводимости) или других материалах наноразмера. Проблема заключается в том, что если объект столь мал, то наблюдение за ним, а тем более сборка являются затруднительными.

Микроскоп помогает, но в микроскоп трехмерное тело в жидкости наблюдают как двумерную плоскость, поскольку глубина фокуса много больше размера частицы. При перемещении частиц «вверх/вниз» вдоль оптической оси в поле объектов, их изображение становится более или менее размытым при сфокусированном инструменте. Попытки получить трехмерное изображение наночастиц, движущихся в растворе, не дали результата. Оптическое моделирование и математические методы, основанные на дифракционных картинах размытого изображения, позволяют оценить как далеко от фокальной плоскости находится частица. Однако, математика очень сложна, занимает много времени и поэтому непрактична.

На ежегодной встрече Американского Физического Общества исследователи НИСТ сообщили о своей разработке микроскопа, где вместо расчетов используются геометрические свойства изображений (M. McMahon, A. Berglund, P. Carmichael, J. McClelland and J.A. Liddle. Orthogonal tracking microscopy for nanofabrication research. Paper presented on Monday, March 10, 2008, 1:03 p.m., at the 2008 March Meeting of the American Physical Society, New Orleans, La., March 10–14, 2008). Было предложено использовать пробник с наклонными зеркальными боковыми стенками для того, чтобы получать изображения объекта одновременно сверху и снизу. Типичный пробник в ортогональном микроскопе подобного типа имеет форму сужающегося книзу пирамидального колодца, в котором сторона основания 20 мкм, а глубина порядка 15 мкм. Предлагаемый микроскоп с такими же геометрическими параметрами «видит» каждую частицу дважды- одно изображение в горизонтальной плоскости, а другое – в вертикальной. Поскольку обе плоскости пробника имеют общую сторону, корреляции изображений, и вычисление трехмерной траектории частицы упрощаются. Практически, задача определения трехмерной траектории сводится к двум двумерным задачам.

Суть ортогонального трассирующего микроскопа конструкции НИСТ – жидкостной пробник для наночастиц в виде кремниевого пирамидального колодца. Точное позиционирование кристалла кремния при обработке позволяет изготовить пробник химическим травлением с зеркальным качеством граней колодца. В приведенной конфигурации формируются четыре мнимых изображения дрейфующей наночастицы, по которым определяют ее вертикальное положение.

Видео флуоресцентной сферической частицы полистирена диаметром 190 нм. Яркое изображение принадлежит самой частице, остальные – отражения.

The 2-D problem is simpler to solve—several software techniques can calculate and track 2-D position to better than 10 nanometers. Measuring the nanoparticle motion at that fine scale—speeds, diffusion and the like—will allow researchers to calculate the forces acting on the particles and better understand the basic rules of interaction between the various components. That in turn will allow better design and control of nanoparticle assembly processes. Двумерную задачу решить гораздо проще – имеется несколько компьютерных программ для таких расчетов, с точностью вычислений лучше 10 мкм. Измерения движения наночастиц с такой высокой точностью позволит исследователям рассчитать силы, воздействующие на частицы и лучше понять взаимодействие между компонентами. Это, в свою очередь, позволит приблизиться к процессам соединения наночастиц.