EPITAXIAL BEHAVIOR OF HDPE ON THE BOUNDARY OF HIGHLY ORIENTED IPP SUBSTRATES

The epitaxial crystallization behavior of high-density polyethylene on the boundary of highly oriented isotactic polypropylene (iPP) substrates has been investigated by means of atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM). The results obtained from AFM and TEM indicate that the epitaxial nucleation of HDPE on the highly oriented iPP substrates occurs earlier than that in the pure HDPE phase, i.e., homogeneous nucleation. Therefore the epitaxially grown HDPE lamellae can grow across the boundary of the iPP substrate into the HDPE spherulitic phase with the epitaxial orientation relationship remaining.

ORDERED ARRAYS OF MYOGLOBIN ADSORBED ON THE SURFACTANT MODIFIED SURFACE BY SCANNING-TUNNELING-MICROSCOPY

Myoglobin molecules were deposited on a surfactant sodium dodecyl sulfate modified HOPG surface and imaged in air with a high resolution scanning tunneling microscope (STM) for the first time. STM images exhibit not only ordered arrays of the surfactant m

DIRECT OBSERVATION OF NATIVE AND UNFOLDED GLUCOSE-OXIDASE STRUCTURES BY SCANNING-TUNNELING-MICROSCOPY

Native and unfolded glucose oxidase (GOD) structures have been directly observed with scanning tunnelling microscopy (STM) for the first time. STM images show an opening butterfly-shaped pattern for the native GOD. When GOD molecules are extended on anodi

基于AFM的机器人化纳米操作系统综述

对基于扫描隧道显微镜(Scanning tunnel microscope,STM)及原子力显微镜(Atomicforcemicroscope,AFM)的纳米操作技术发展进行阐述,针对其中存在的主要问题,引述出机器人化纳米操作的必要性。接着,对国内外机器人化纳米操作系统的研究进展、现状及存在的主要问题进行详细分析,提出基于AFM的机器人化纳米操作系统的结构原型,并指出实现机器人化纳米操作所需解决的关键技术问题及相应的解决方案之一,为进行深入的机器人化纳米操作研究提供了可以借鉴的研究方向。

AFM扫描图像重构算法的改进

针对原子力显微镜(AFM)纳米成像中存在的失真问题,研究了通过探针建模实现AFM扫描图像重构方法.目前探针盲建模算法在重构AFM图像时存在较大误差,因此提出基于探针模型预估计的AFM扫描图像重构方法.该方法采用分区探针针尖建模,并通过基于该探针模型的反卷积运算实现AFM扫描图像重构,获得比较接近真实形貌的AFM扫描图像.文中介绍了算法的具体步骤,通过仿真和实验结果证明,该方法能够有效降低AFM图像重构时引入的误差,得到的图像更能反映样品表面真实的形貌。

碳纳米管探针的制作方法研究

碳纳米管的小直径、高纵横比、高强度和高弹性、优良的耐磨损性能以及独特的电学和化学特性,使其成为高分辨率原子力显微镜的理想探针针尖。本文根据制作工艺的特点,综述现有碳纳米管探针的代表性研究和制作方法:组装式和生长式。组装式是通过手工、电场或磁场的方式将制备好的碳纳米管粘附到常规硅探针的末端;而生长式是在常规硅探针末端或悬臂梁上定点催化生长出一定直径和长度的CNT。最后指出这些方法目前存在的主要问题。

面向可视化纳米操作的DNA分子运动学建模研究

利用原子力显微镜(AFM:Atomic Force Microscopy)对DNA进行单分子纳米操作对生命科学的发展具有特别重要的意义,但是AFM纳米操作缺乏实时视觉反馈的问题依然制约着生物操纵技术的发展.虚拟现实技术是解决该问题的有效方法之一,但是必须预先建立起被操作物体的运动学模型.目前面向可视化纳米操作的建模研究多针对纳米棒、纳米颗粒等刚性物体展开,很少涉及到柔性DNA分子的运动建模方法。针对该问题,本文以弹簧-质点模型为基础,借鉴统计力学在DNA机械特性上的研究成果,提出了一种具有较强物理意义和实际可信度的柔性DNA分子运动学建模方法,并进行了相关仿真实验研究,从而为实现DNA分子的可视化纳米操作提供了理论依据。

基于纳米运动平台的原子力显微镜开发

采用一种无耦合、三轴精确定位的纳米运动平台作为扫描器,研制了一种新型原子力显微镜(AFM).该AFM有效消除了通常使用的单管式压电陶瓷扫描器扫描过程中运动耦合产生的两种结构误差--交叉耦合误差和扫描范围误差,极大提高了纳米测量及操作的精度。

基于AFM的机器人化纳米操作中纳观力的初步研究

针对基于原子力显微镜(AFM)的机器人化纳米操作,对探针作用下探针—基片—微粒之间纳观力的作用规律进行了初步分析.指出起主要作用的纳观力为范德华力、接触斥力、纳米摩擦力、毛细作用力以及纳米静电力等五种,并初步推导了各种纳观力的表达形式.通过力—距离曲线仿真与实验验证了所进行分析的合理性;该分析有助于进行纳米操作的精确控制.

具有力觉与视觉反馈的交互式纳米操作系统

提出了交互式纳米操作的实现方法,搭建了一个具有力觉与视觉反馈的交互式纳米操作系统.操作者通过该系统不仅可以实时感受到作用在原子力显微镜(AFM)探针上的力,而且可以实时观察到纳米环境在AFM操作下的变化过程,使得对微观世界的纳米操作如同在宏观世界搬运物体一样直观、灵活.实验结果证实了本系统的高效性及先进性.

原子力显微镜管式扫描器运动学建模与误差分析

针对样本扫描模式原子力显微镜,对其管式扫描器-样本-探针系统进行了运动学分析,建立了该系统的运动学模型,该模型表明:对于给定原子力显微镜扫描器,样本上与探针接触点的横向和纵向位移取决于探针尖端相对于扫描管轴心的偏置量、所加电压(或名义扫描范围)及样本厚度。据此模型,对由于弯曲运动模式所产生的两种重要误差—交叉耦合误差及扫描范围误差进行了定量分析,分析表明:扫描范围误差主要受样本厚度及名义扫描范围影响,而Z向交叉耦合误差主要受探针偏置量及名义扫描范围影响,实验验证了所建立的运动学模型和误差计算公式的正确性;另外,还提出了相应的减小误差的方法。

机器人化纳米操作中任务空间的实时反馈方法研究

纳米科技的最终目标是在原子、分子尺度上，制造具有新颖物理、化学和生物特性的器件和系统，而实现这个目标最为关键的使能技术便是纳米尺度下进行观测、操作和装配的科学方法与相关技术手段。原子力显微镜（AFM：Atomic Force Microscopy）的发明为实现这一目标提供了可行途径，AFM除了能够在常态下实现对原子、分子尺度大小物体的观测，并且由于其超高的分辨率和运动精度，可控、可重复的运动方式，独特的机械力作用机理，任意环境的可适应性而广泛应用于纳米操作。然而AFM的主要功能是进行纳米观测，应用于纳米操作时面临着许多挑战性的难题，尽管随着近十年的深入研究，一些问题已经得到了部分解决，但是缺乏高可信度的实时视觉反馈、无法实现任务空间内探针的精确定位依然阻碍着AFM纳米操作的效率。以目前最为先进的AFM纳米操作方法—增强现实技术为例，尽管该技术可以为操作者提供实时的视觉反馈，但是这种视觉反馈并不代表纳米操作场景的真实变化，而是根据离线模型计算得到的一种图形仿真，因而视觉反馈是否可信取决于模型的准确程度，然而受纳米尺度下各种非线性力的影响，如毛细力、范德华力、静电力等等，很难建立完全精确的物理模型，模型误差将导致错误的视觉反馈并引起纳米操作的失败。此外，受PZT非线性和温漂的影响，基于AFM的纳米操作还缺乏在任务空间内对探针进行精确定位的能力，导致操作过程中AFM探针无法有效接触到纳米物体，使得机器人学中“从A点运动到B点”最为基本的任务难以实现，这些缺点都严重阻碍着AFM纳米操作的效率和效果。本论文针对上述问题，以机器人学中的感知、决策、行为理论和监控方法为基础，具体开展了以下几方面的工作： 1、视觉反馈缺乏可信度是基于增强现实AFM纳米操作面临的主要问题，由于操作者无法对视觉反馈可信度作出评断，经常会在错误视觉反馈的指引下进行无效的纳米操作，从而浪费大量的时间，降低了AFM纳米操作的效率。为了克服上述问题，本文在研究信息诊断与反馈理论基础上，提出了基于Kalman滤波的视觉反馈可信度在线监控方法，实现了视觉反馈错误的实时检测，避免了无效纳米操作的发生，提高了AFM纳米操作的效率。 2、错误视觉反馈被检测出后，需要对其修正以保证纳米操作任务的成功完成。然而传统修正方法需要中断纳米操作进行重新扫描成像，这往往需要耗费几分钟的时间，严重降低了AFM纳米操作的效率。针对该问题，本文提出一种基于局部扫描的在线修正方法，通过扫描轨迹的优化，该方法能够对真实纳米操作结果进行实时感知，从而不需要中断纳米操作就能实现错误视觉反馈的修正，并使得整个修正过程对于操作者透明。这保证了实时可视监控信息的真实性，显著提升了AFM纳米操作的效率。 3、PZT非线性和随机漂移是影响AFM探针精确定位的主要因素，针对该问题本文提出了一种基于路标的探针定位方法，其核心思想是不再采用距离为测度方式进行探针位置描述，而是将作业区域的特定形貌特征定义为参考路标，通过探针对特征形貌的主动感知实现基于路标地图的探针定位，有效消除PZT非线性和随机漂移引起的定位误差，提高探针在任务空间内的定位精度。 4、研究了机器人化纳米操作系统任务空间实时反馈的构建技术，具体包括高灵敏度纳米操作力的感知方法，系统结构误差的产生原因和补偿策略，面向探针实时运动控制的系统结构设计，系统的软硬件实现方案等内容，并利用该实验平台开展了大量实验研究，验证了本论文所提出理论方法的正确性，同时演示性地组建了基于单根CNT和DNA的纳电子器件，实验结果表明AFM纳米操作的效率和效果得到了极大提升。本文的研究工作丰富了基于AFM的机器人化纳米操作理论，为基于AFM的纳米制造技术发展提供了具有一定指导意义的理论方法和研究途径。

基于原子力显微镜的机器人化纳米操作系统研究

自从1986年G. Binnig等发明原子力显微镜（AFM）后，纳米科技研究得到了快速发展，纳米科技研究的最终目标之一是从纳米甚至分子与原子尺度上制造功能器件或系统，而实现此目标的使能技术是具有能在纳米尺度上进行精确可控操作与装配的方法、技术与装置。为此，学者们对基于AFM的纳米操作进行了大量研究，但由于对纳米尺度上物体的受力与运动方式等物理机理认识的不足、AFM探针精确定位技术的缺乏、以及操作过程中实时反馈信息的缺乏，使得操作者无法对纳米操作的中间过程及最终结果进行精确控制，纳米操作的成功率、效率及灵活性低下，从而严重阻碍了基于AFM的纳米操作的发展与应用。对此，本文在分析目前研究现状及存在问题的基础上，结合机器人学理论与技术，研制了基于AFM且具有实时力/触觉及视觉反馈的机器人化纳米操作系统，通过对纳米环境中物体的受力与运动方式进行分析与建模，从理论与实验上对AFM探针的驱动与精确定位、实时三维纳米力/触觉及实时纳米视觉信息的反馈与控制等关键问题进行了深入研究。 在AFM探针驱动与精确定位方面，本文在对压电陶瓷驱动器电压-位移的迟滞/非线性特性进行理论与实验分析的基础上，提出了基于复现扫描轨迹的驱动方法，并对驱动器运动学耦合误差、探针悬臂变形引起的针尖偏移误差进行了定量分析与补偿，从而获得了很高的探针定位精度。 在实时三维纳米力/触觉信息反馈与控制方面，本文在对探针-微粒-基片之间各种纳米力进行初步理论分析的基础上，将AFM探针作为三维纳米力传感器，通过对探针受力-悬臂变形进行建模，并根据实时检测的经光学杠杆放大后的悬臂变形信号获得了探针所受三维纳米力的大小，将此三维力经比例放大后送入力/触觉设备，操作者通过其操作手柄可实时感受到探针所受的力/触觉反馈信息，并据此反馈信息对施加在探针上作用力的大小及方向进行在线调节与控制。 在实时纳米视觉信息反馈与控制方面，本文利用增强现实技术，通过对微粒的动力学建模得出操作微粒所需施加在探针上的作用力大小，并结合实际施加在探针上的力信息来判断微粒能否运动；通过对微粒进行运动学建模得出其运动模式，再结合探针的实际位置信息得出微粒在探针操作下的实时位置与姿态（或刻画时刻痕的位置与尺寸），以此对视觉界面上显示的微粒位置与姿态及纳米环境进行局部更新，实现了微粒运动过程及纳米环境变化的实时视觉反馈，操作者借助此视觉反馈信息可对探针的作用位置及运动轨迹进行实时调节与控制。 在上述研究基础上，研制成功了基于AFM且具有实时力/触觉及视觉反馈的高精度机器人化纳米操作系统。利用该系统，操作者不仅可以实时感受到探针与微粒或基片之间的相互作用力，还可以实时观察到微粒的运动过程及纳米环境的变化，并据此在线控制探针的作用位置与运动轨迹、以及施加在探针上作用力的大小与方向，从而实现了对纳米操作过程及最终操作结果的精确控制，大大提高了纳米操作的成功率、效率及灵活性。纳米刻画和多壁碳纳米管的操作实验验证了该机器人化纳米操作系统的有效性。 另外，本文针对目前纳电子器件装配制造方面的一个关键技术难题，探索结合了介电电泳与本机器人化纳米操作方式（粗、精两级操作方式），实现了单根碳纳米管与微电极的精确定位装配与电连接，为装配制造基于单纳米管/线的纳米器件提供了一种新颖可行的方法与技术。 本文的研究工作为基于AFM的机器人化纳米操作提供了可以借鉴的理论与实验经验，有助于推动基于AFM的纳米操作与制造技术的发展。

Ultrasonic synthesis of silica-alumina nanomaterials with controlled mesopore distribution without using surfactants

A novel sol-gel process has been developed for the synthesis of amorphous silica-aluminas with controlled mesopore distribution without the use of organic templating agents, e.g., surfactant molecules. Ultrasonic treatment during the synthesis enables production of precursor sols with narrow particle size distribution. Atomic force microscopy analysis shows that these sol particles are spherical in shape with a narrow size distribution (i.e., 13-25 nm) and their aggregation during the gelation creates clusters containing similar sized interparticle mesopores. A nitrogen physiadsorption study indicates that the mesoporous materials containing different Si/Al ratios prepared by the new synthesis method has a large specific surface area (i.e., 587-692 m(2)/g) and similar pore sizes of 2-11 nm. Solid-state Al-27 magic angle spinning (MAS) NMR shows that most of the aluminum is located in the tetrahedral position. A transmission electron microscopy (TEM) image shows that the mesoporous silica-alumina consists of 12-25 nm spheres. Additionally, high-resolution TEM and electron diffraction indicate that some nanoparticles are characteristic of a crystal, although X-ray diffraction and Si-29 MAS NMR analysis show an amorphous material.