SCHÜEX NORDRHEIN-WESTFALEN

Transkript

1 DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht SCHÜEX NORDRHEIN-WESTFALEN Makroskop-Modell eines Rastertunnelmikroskops Katharina Langenbach Max Saager Robin Trabert Schule: Gymnasium an der Schweizer Allee Dortmund Jugend forscht 2012

2 Februar 2012, Schüler experimentieren, Regionalwettbewerb Dortmund Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 1 von 13

3 Kurzfassung: Wir haben uns gefragt, wie ein Mikroskop für Nanotechnologie funktioniert und sind dabei speziell auf das Rastertunnelmikroskop eingegangen. Eine andere Jugend forscht Gruppe unserer Schule baut ein echtes Rastertunnelmikroskop nach. Zuerst haben wir uns gefragt, wie wir so etwas als vergrößertes Modell nachbauen können und hatten die Idee, es mit fischertechnik zu probieren. Wir haben ein eigenes Modell für die Abtastung einer Din A4 Fläche konstruiert. Der Computer muss gleichzeitig die abgetastete Fläche graphisch darstellen. Vier Schrittmotoren, zwei als Antrieb der x Achsen (zwei parallel), einen weiteren als Antrieb der y Achse und den Letzten schließlich zum Auf und Abbewegen des Sensors werden von zwei Interfaces von fischertechnik unterstützt. Diese wiederum werden durch ein weiteres Interface angesteuert. Dadurch und durch die Sensorabfrage wird die Grafik der Oberfläche erzeugt. Als Software dient VISUAL BASIC. Mit diesem Modell soll die Abtastung und Darstellung verdeutlicht werden, wie bei dem Rastertunnelmikroskop nur nicht im Nanomaßstab, sondern im Makromaßstab. Daher lautet der Name Makroskop. Ob alles, was wir gebaut haben auch richtig funktioniert, wird ganz schön spannend. Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 2 von 13

4 1. Inhaltsverzeichnis: Kurzfassung S.2 1 Inhaltsverzeichnis S.3 2 Der Weg zur Idee S.4 3 Erste Schritte und Planungen S Das Modell und Erklärung S Die Hardware: Sicherheitsvorkehrungen S Die Software: Programme S.9 6 Darstellung auf dem Bildschirm S Resultat/ Ergebnis S Diskussion (Ein Wort zur Genauigkeit) S.12 8 Ausblick über den bisherigen Projektstand hinaus S Quellen/ Internetadressen S Danksagungen, Sponsoren S.13 Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 3 von 13

5 2. Der Weg zur Idee Am Anfang unseres Projektes stand die Frage, was wir mit elektronischen Mitteln und mechanischen Baukästen erforschen können. Wir wollten zunächst Arbeitsroboter oder Hilfsroboter für kranke Menschen oder etwas Ähnliches konstruieren und eine eigene Software dafür schreiben. In diesem Zusammenhang hörten wir von einer anderen Jufo Projekt Gruppe unserer Schule. Diese hatte sich zum Ziel gesetzt, ein Rastertunnelmikroskop zu bauen. Da wir die Funktionsweise des Rastertunnelmikroskops ebenfalls sehr faszinierend fanden, überlegten wir, was wir zu diesem Thema machen könnten. Wir kamen zu dem Entschluss, dass wir zunächst einmal verstehen wollten, wie das Rastertunnelmikroskop funktioniert. Der darauffolgende Schritt war dann erst einmal, uns über das Mikroskop zu informieren. Dabei kam heraus, dass ein RTM in einem sehr kleinen, nicht sichtbaren Maßstab arbeitet. Es ist dabei sehr präzise und mechanisch sehr komplex. Da kam uns die Idee, dass wir zum besseren Verständnis das RTM als makroskopisches Modell nachbauen, um damit sichtbare Oberflächen mit einer Struktur im cm Maßstab abtasten zu können. Trotz der Größe des zu bauenden Modells, sollte dieses anspruchsvoll werden in der Abtastung, der Elektronik und der Programmierung. 3. Erste Schritte & Planungen Wir wählten zur Konstruktion des Modells Baukästen von fischertechnik, weil diese zur Modellgröße passen. Durch unsere Erfahrungen mit diesen Bauteilen wussten wir, dass wir es damit am Besten in die Tat umsetzen könnten. Wir legten eine Teileliste an, um die benötigten Teile für den schwierigen und anspruchsvollen Aufbau bestellen zu können (siehe Quellen). Uns wurde dann klar, dass das Modell auch präzise angetrieben werden muss. Dies stellte dann das erste Problem dar, da die fischertechnik Motoren nicht exakt genug für unser Modell anzusteuern sind. Deshalb mussten wir zunächst einmal geeignete Schrittmotoren bestellen. Außerdem benötigten wir Treiberplatinen, um die Motoren ohne Probleme betreiben zu können. Diese bestellten wir aus Kostengründen bei Pollin E lektronik (siehe Quellen). Als wir dies dann erledigt hatten, begannen wir damit, uns Gedanken über das Aussehen unseres Modells zu machen. Wir überlegten uns, dass es für eine Abtastfläche von der Größe eines DIN A4 Blattes geeignet sein sollte. Daraus ergab sich dann auch die ungefähre Größe unseres Modells. Und wir würden für das Modell drei Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 4 von 13

6 Interfaces benötigen, da wir sonst zu wenig Anschlussmöglichkeiten haben würden. Die Interfaces werden mit der grafischen Programmiersprache RoboPro programmiert. Aus Erfahrung wissen wir allerdings, dass Programmierungen zu komplex für die Flash Speicher und Prozessoren der Interfaces werden können. Sollte dies auch bei diesem Objekt passieren, müssten die Programmierungen über einen Computer ausgeführt werden, so dass die Interfaces nur noch als Schnittstelle zwischen Modell und Computer fungieren würden. Sämtliche Rechenoperationen würden dann vom Computer übernommen. Die grafische Darstellung der Oberfläche ist mittels Visual Basic geplant. Wenn das nicht funktionieren sollte, könnten die Messergebnisse auch aus RoboPro exportiert und mit einem anderen grafischen Programm darstellt werden. 4. Modell und Erklärung Das eigentliche Rastertunnelmikroskop tastet Oberflächen ab. Dies geschieht mit einer Nadel, deren Spitze bei den präzisesten Geräten nur ein Atom groß ist. Statt einer solchen Nadel verbauten wir einen Helligkeitssensor, der mittels Infrarotdiode den Abstand misst. Der Sensor wird zunächst durch die Motoren zur gewünschten Messposition gefahren (xund y Achse). Dann wird der Sensor langsam auf das zu scannende Objekt hinunterbewegt (z Achse). Der Helligkeitssensor sendet Spannungssignale an das Interface. Je heller es am Sensor ist, desto höher ist auch die gesendete Spannung (bis zu 10V). Sinkt die Spannung nun unter 2V wird der Motor der z Achse durch das Interface gestoppt. Dadurch wird der Sensor immer bis auf den gleichen Abstand zum Untergrund heruntergefahren. Nachdem der Punkt gescannt ist, wird der Sensor auf seine Ausgangsposition auf der z Achse nach oben gefahren und der nächste Messpunkt wird durch die x und y Motoren angefahren, um die nächste Messung durchzuführen. Wenn alle Punkte gemessen sind, kehren alle Motoren an ihre Ausgangspositionen (x=0; y=0; z=0) zurück. Erst jetzt, wenn alle Werte vorliegen, werden die Daten aus RoboPro ausgelesen und mit Gnuplot dargestellt. Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 5 von 13

7 x Achse z Achse Abtastbahn des Sensors LEGENDE: Abb.1 Schrittmotor Probe Abtastoberfläche Gerüst Sensor Pfeile für mögliche Bewegungsrichtungen Bodenplatte An diesem schematischen Modell kann man den ungefähren Ablauf bzw. die Funktionsweise und den Aufbau unseres Modells erkennen. Dieser sieht wie folgt aus: Wie bei einem richtigen RTM haben wir einen Probenhalter (Bodenplatte). Die Sonde eines RTMs wurde ersetzt durch einen Infrarotabstandssensor. Die Aufgabe der Piezokristalle, die die Tastnadel des Mikroskops bewegen, wird von vier Schrittmotoren übernommen. Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 6 von 13

8 Technische Daten Antrieb Versorgung Ansteuerung Maße Sensor Steigung der x/y Schneckenantriebe Hubhöhe z Motor Anzahl Schritte pro Umdrehung 3x Schrittmotoren P AEG SO26/48 4 Pin 10Volt 0,65 Ampere 48 Schritte pro Umdrehung 1x Schrittmotor MOONS 14HY ,6Volt 0,4 Ampere 200 Schritte pro Umdrehung 2x 15 Volt Gleichstrom Netzteile 3x Robo Interface 30cm x 100cm x ca. 30cm IR Abstandssensor 8x Endschalter 5mm pro Umdrehung 14mm 48 Schritte Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 7 von 13

9 5.1 Die Hardware: Am Besten kann man sich mit den folgenden Fotos über die Hardware informieren. Abb.2 Die beiden links im Foto sichtbaren Schrittmotoren machen die Bewegung in x Richtung möglich. Quer darüber ist die Brücke auf der sich die Laufkatze befindet, die sich in y Richtung bewegt. Abb.3 Hier ist der Sensor zu sehen, der an der z Achse befestigt ist. Dieser kann von einem Schrittmotor gehoben und gesenkt werden. Dieses würde bei einem RTM der Nadel entsprechen. Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 8 von 13

10 Ein Sicherheitssystem wurde nötig, da die Schrittmotoren wesentlich stärker als die Piezokristalle sind. Bei Fehlverhalten des Programms bzw. einem Wackelkontakt könnte die Brücke mit dem Sensor zu weit fahren, was zu erheblichen Schäden führen würde. Daher entwickelten wir ein Sicherheitssystem, welches mit Hilfe von Endtastern die Motoren am Ende der Gewindestangen automatisch stoppt. 5.2 Die Software: Programmiert ist das System mit der grafischen Programmiersprache RoboPro. Die drei fischertechnik Interfaces haben unterschiedliche Aufgaben. Das erste Interface steuert die beiden Schrittmotoren an, die für die Bewegung auf der x Achse zuständig sind. Das zweite Interface steuert die y und z Schrittmotoren an. Das dritte Interface soll im Endausbau von einem mit Visual Basic programmierten Interface von der Firma Meilhaus kommandiert werden. Später soll dieses Meilhaus Interface alle anderen Interfaces ersetzen. In dieser Vorläuferversion wird aber die Exportfähigkeit von RoboPro ausgenutzt und die Messergebnisse mit dem Programm Gnuplot dargestellt. Somit sendet zur Zeit das dritte Interface auf insgesamt sechs Leitungen (zwei pro Achse) digitale Signalfolgen. Diese sagen den empfangenden Interfaces, welcher Motor in welche Richtung wie viele Schritte machen soll. Somit lässt das dritte Interface den Sensor im Zickzack über die Abtast Ebene fahren (Abb. 4; 5). Es ist somit das Herzstück der Ansteuerung. Der z Schrittmotor fährt den Sensor zur Oberfläche auf und ab und das Steuer Interface kann nun die Anzahl an Schritten zählen und damit die Höhe der Oberfläche messen. x Achse y Achse x Achse Abb.5 Abb.4 Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 9 von 13

11 6. Darstellung auf dem Bildschirm Dies ist unsere erste 3D Darstellung mit Gnuplot. Dabei sind einige willkürliche z Werte eingegeben worden ( Berge ), um die Darstellungsmöglichkeit von Gnuplot zu testen. z Achse y Achse x Achse Abb.6 Die leere gescannte Bodenplatte ist eigentlich plan, jedoch ist sie in der Darstellung leicht gewölbt, was auf das Durchhängen der Brücke und der x Achsenführung zurückzuführen ist. Die kleineren Wellen entstehen durch unsere Bodenplatte, die doch nicht so plan war wie gewollt. Denn zum Zeitpunkt unseres ersten Scanns bestand sie aus Papier, welches durch die Transportrollen des Druckers leichte Wellen erhalten hatte. Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 10 von 13

12 Dieser Messfehler ist durch einen Bedienungsfehler entstanden (Stromzufuhr der Motoren kurz unterbrochen). Abb.7 Abb.8 Die einzelnen Legosteinschichten ( Atomschichten ) haben eine Höhe von 3,3 mm. Mit dieser Angabe können die Höhenlinien im Plot bestimmt werden. Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 11 von 13

13 7.1 Ergebnisse Wir haben nun ein Modell eines Rastertunnelmikroskops, das ähnlich aufgebaut ist wie das richtige RTM. Statt der Piezokristalle, die bei dem richtigen RTM die Nadel bewegen, ist es uns gelungen die vier Schrittmotoren so anzusteuern, dass Messpunkte geplant angefahren werden können. Der Einbau und die Abfrage des Infrarothelligkeitssensors, der in unserem Modell die Tastnadel des richtigen RTMs ersetzt, war eine nicht kleine Hürde. Aber wir haben es geschafft die Daten der z Achse zu speichern, so dass eine realitätsnahe Visualisierung der Oberfläche möglich wurde. Soweit sind wir erst einmal zufrieden. Nicht gelungen ist es die Signale an die Meilhaus Karte zu senden, welche sehr gut mit dem Programm VISUAL BASIC zusammenarbeiten könnte. VISUAL BASIC würde dann mit den gesendeten Werten automatisch ein dreidimensionales Modell der Oberfläche, die abgetastet wurde, auf dem Computerbildschirm erzeugen. 7.2 Diskussion (Ein Wort zur Genauigkeit) Man könnte unser Modell noch verbessern, indem man den Abstand zwischen den einzelnen Messpunkten verringert. Man kann nämlich das abgetastete Objekt auf dem 3D Bild nicht mehr als dieses erkennen. Dies geschieht, da unser Modell nicht genau genug abmisst. Jedoch wollten wir unseren 3D Abtaster zunächst hauptsächlich zum Verstehen konstruieren. Wie bei einem RTM wird bei der Oberflächenabtastung von jedem Atom ein elektrisches Signal gemessen, woraus wir mit dem Bildbearbeitungsprogramm auf dem Computer ein Bild erzeugen, was allerdings keines falls mit dem Bild eines Atoms übereinstimmen kann. Bei unserem Makroskop wird jedes Signal als Spitze dargestellt. Es liefert damit ebenfalls kein direktes Abbild. 8. Ausblick über den bisherigen Projektstand hinaus: Aus unserem Modell könnte man später z. B. einen Damespielautomaten entwickeln, indem der Sensor durch einen Greifer oder Elektromagneten ersetzt wird. Würde der Infrarothelligkeitssensor durch einen Farbsensor ersetzt, könnte unser Modell einfache Kinderzeichnungen scannen. Man könnte den Sensor auch durch einen Wärmesensor austauschen und so z. B. ein Wärmebild einer Hand erstellen. Dieses Bild könnte dann auch für medizinische Zwecke genutzt werden. Eventuell könnte man auch einen Magnetsensor Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 12 von 13

14 benutzen, um damit die Ausrichtung von Magneten zu bestimmen. Oder das Modell zu einem 3D Drucker umfunktionieren? 9. Quellen: Hardware Fischertechnik Baukastensystem (siehe Waldachtal Knobloch Shop (siehe gmbh.de) Erbes Bündesheim Pollin Elektronik (siehe Pförring Hier bestellten wir die Schrittmotoren und die Schrittmotor Treiberplatine Infrarot Helligkeitssensor (CNY70 Optokoppler) (siehe Software RoboPro 3.1 grafische Programmiersprache für Fischertechnik (siehe Gnuplot (siehe Gnuplot.info Homepage) Studio Visual Basic express 2010 Firma: Microsoft 10. Danksagung/ Sponsoren: Wir danken: der Schule für die bereitgestellten Mittel. für die Verpflegung während der Arbeit in Form von Keksen. Herrn Hartel, Frau und Herrn Saager für die Unterstützung unseren Sponsoren der Dortmund Stiftung dem Schulentwicklungsfond der Stadt Dortmund Makroskop - Modell eines Rastertunnelmikroskops, Regionalwettbewerb Dortmund Seite 13 von 13