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Publicação
Desenho e conceção de um microscópio de força atómica
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
In this work, a low cost atomic force microscope was designed and built. The majority of its components were designed in CAD software and manufactured with 3D printing techniques. The microscope created will be used in several studies in the field of biology and physics. For example, it will be used in the study of mechanical properties of cells or in the study of the dynamic properties of nanometric water capillary bridges that form between the sample and probe’s tip. The most important components created were the scanner, that moves the sample with nanometric resolution and the detection system, that uses a laser beam deflection method for sensing the probe’s deflection, while under surface interaction. The development of the microscope was made in several stages. The process starts with the design of the nanometric scanner, made in plastic through 3D printing. The body of the microscope was then developed around it, divided in two main stages: the Base, where the scanner is mounted, and the Head, that contains all the components associated with probe detection, i.e. laser, probe, and quadrant photodetector. To enable the alignment of all of these components, several stages for micrometric movement were developed: a micrometric table with two degrees of freedom, designed to align the laser with the probe, as well as the macroscopic approach stage, for approaching the probe to the sample. After the development of the microscope, several tests were conducted to validate it’s operability. The acquisition of the resonant curve and thermal motion of the probe demonstrates the detection system’s performance. The execution of force-distance curves allows the calibration of the instrument and evaluation of its performance, regarding signal to noise considerations. Lastelly, the acquisition of topographic images demonstrate the scanner’s operation. The tests performed allowed for the identification of the microscope’s limits, centered on structural stability and the scanner’s performance, that will be the target of future improvements. To operate the microscope, a control software will be used, whose development was started during the Est´agio II (internship) discipline and its improvement continued during this dissertation. Named Vegrandis, it is responsible for controlling the AFM through an electronic equipment with four voltage inputs and outputs, with which the software can perform all the necessary tasks to operate the instrument. In particular, it can perform the two main operations in AFM, which are the acquisition of topographic images and force curves.
No presente trabalho é apresentado o desenho e criação de um microscópio de força atómica de baixo custo. A maioria dos seus componentes foram desenhados em CAD e produzidos por impressão 3D. O microscópio será usado em vários estudos de biologia e física. Por exemplo, será usado no estudo de propriedades mecânicas de células ou no estudo das propriedades dinâmicas de pontes capilares manométricas de água, que se formam entre a ponta de prova e a amostra. Os componentes mais importantes criados foram o scanner, que movimenta a amostra com resolução manométrica e o sistema de deteção, que usa um esquema de reflexão de laser, sensível à flexão da ponta de prova que ocorre devido à interação com a amostra. O desenvolvimento do microscópio foi feito em várias etapas. O processo começa com a conceção de um scanner manométrico, produzido em plástico por impressão 3D. Em torno deste foi estruturado o corpo do AFM, dividido em duas estruturas principais, a Base, onde é montado o scanner e é assente a amostra, e a Cabeça, que contém todos os componentes associados à deteção, i.e. laser, ponta de prova e fotodetetor de quadrantes. Para permitir o alinhamento destes componentes foram também desenhados diversos estágios de movimentação macroscópica. Foi desenhada uma mesa micrométrica para o alinhamento da ponta de prova com o laser, assim como o estágio de aproximação da ponta de prova da amostra. Depois de concebido o microscópio, foram realizados vários testes que validam o seu funcionamento. A aquisição de curvas de ressonância e do movimento térmico da ponta de prova demonstram o desempenho do sistema de deteção. A realização de curvas de força permite calibrar o instrumento e qualificar o seu desempenho. Por útimo, a aquisição de imagens topográficas valida o funcionamento do scanner concebido. Os testes realizados permitiram identificar os limites de operação do microscópio, centrados na estabilidade da estrutura e no desempenho do scanner, que serão alvo de melhorias futuras. Para operar o microscópio será usado um software de controlo, cujo desenvolvimento foi iniciado durante a disciplina de Estágio II e continuado durante a dissertação. Denominado Vegrandis, este é responsável por controlar um equipamento eletrónico com quatro entradas e quatro saídas em tensão, com o qual pode realizar todas as tarefas necessárias à operação de um AFM. Pode nomeadamente adquirir imagens topográficas e executar curvas de força, que são as duas principais operações que o instrumento deve realizar.
No presente trabalho é apresentado o desenho e criação de um microscópio de força atómica de baixo custo. A maioria dos seus componentes foram desenhados em CAD e produzidos por impressão 3D. O microscópio será usado em vários estudos de biologia e física. Por exemplo, será usado no estudo de propriedades mecânicas de células ou no estudo das propriedades dinâmicas de pontes capilares manométricas de água, que se formam entre a ponta de prova e a amostra. Os componentes mais importantes criados foram o scanner, que movimenta a amostra com resolução manométrica e o sistema de deteção, que usa um esquema de reflexão de laser, sensível à flexão da ponta de prova que ocorre devido à interação com a amostra. O desenvolvimento do microscópio foi feito em várias etapas. O processo começa com a conceção de um scanner manométrico, produzido em plástico por impressão 3D. Em torno deste foi estruturado o corpo do AFM, dividido em duas estruturas principais, a Base, onde é montado o scanner e é assente a amostra, e a Cabeça, que contém todos os componentes associados à deteção, i.e. laser, ponta de prova e fotodetetor de quadrantes. Para permitir o alinhamento destes componentes foram também desenhados diversos estágios de movimentação macroscópica. Foi desenhada uma mesa micrométrica para o alinhamento da ponta de prova com o laser, assim como o estágio de aproximação da ponta de prova da amostra. Depois de concebido o microscópio, foram realizados vários testes que validam o seu funcionamento. A aquisição de curvas de ressonância e do movimento térmico da ponta de prova demonstram o desempenho do sistema de deteção. A realização de curvas de força permite calibrar o instrumento e qualificar o seu desempenho. Por útimo, a aquisição de imagens topográficas valida o funcionamento do scanner concebido. Os testes realizados permitiram identificar os limites de operação do microscópio, centrados na estabilidade da estrutura e no desempenho do scanner, que serão alvo de melhorias futuras. Para operar o microscópio será usado um software de controlo, cujo desenvolvimento foi iniciado durante a disciplina de Estágio II e continuado durante a dissertação. Denominado Vegrandis, este é responsável por controlar um equipamento eletrónico com quatro entradas e quatro saídas em tensão, com o qual pode realizar todas as tarefas necessárias à operação de um AFM. Pode nomeadamente adquirir imagens topográficas e executar curvas de força, que são as duas principais operações que o instrumento deve realizar.
Descrição
Tese de mestrado integrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
Palavras-chave
Microscopia de força atómica Instrumentação Análise de superfícies Teses de mestrado - 2017