Нановесы для одного атома

При помощи нанотрубок американские ученые сконструировали самые маленькие весы, они могут измерить массу одного атома. Кроме того, с их помощью можно более эффективно взвешивать и большие биомолекулы — метод их не разрушает.

Группа исследователей из Национальной лаборатории имени Лоуренса (Lawrence Berkeley National Laboratory) и Калифорнийского университета в Беркли (University of California at Berkeley) под руководством Алекса Цеттля (Alex Zettl) с использованием углеродной нанотрубки создали наноэлектромеханическую систему (NEMS), чувствительную настолько, что она способна измерить массу одного атома.

На протяжении примерно полутора десятилетий ученых и инженеров будоражила мысль о святом Граале наноэлектромеханики — устройстве, которое позволит добиться разрешения массы до уровня отдельной молекулы или даже атома.

«Это было вызовом даже в криогенных условиях, при пониженном уровне температурного шума, а теперь нам удалось сделать это при комнатной температуре», — говорит Цеттль.

Принцип работы наносенсора достаточно прост. Основной элемент прибора — двухслойная нанотрубка. Один конец горизонтально расположенной в вакууме нанотрубки свободен, другой подключен к электрической цепи постоянного тока и используется как катод. При подключении источника электрического тока на свободном конце нанотрубки образуется отрицательный заряд. При приложении внешнего осциллирующего (здесь — колеблющегося с определенной частотой) электромагнитного поля свободный заряженный конец нанотрубки вступает с ним в резонанс.

Частота колебаний изменяется при изменении массы свободного конца. Поэтому при должной калибровке и возможности измерить частоту колебаний появляется возможность измерять массы, сопоставимые с массами атомов.На основе кремниевых материалов уже удавалось создать сенсоры для измерения массы, однако они были больше по размерам и не позволяли добиться разрешения весов атомарного порядка. А с помощью разработанного устройства исследователям удалось взвесить отдельный атом золота массой всего 3,25*10−25 кг.

Несмотря на столь высокую точность системы, исследователи в основном хотят применять ее при анализе биомолекул. Потому что весы из нанотрубки в отличие от масс-спектрометрии позволят определять массы без разрушения самого образца. Также в планы исследователей входит внедрение их системы в микрочип.

Группа под руководством Цеттля не первый раз удивляет мир своими разработками из нанотрубок. В 2007 году прибор, действующий почти по такому же принципу, стал самым маленьким радиоприемником: меняя напряжение, можно настроить нанорадио на нужную частоту. Нанотрубка вступает в резонанс с радиоволной, а электроны, устремляющиеся к аноду со свободного конца, служат носителями усиленного радиосигнала.

Результаты работы опубликованы в последнем номере журнала Nature Nanotechnology.