Сверхточный детектор массы и силы на основе нанотрубки

Физики из Университета Корнелла (США) сделали электромеханичес­кий резонатор нанометровых размеров, способный детектировать ма­лые значения прикладываемой к нему силы. В качестве «рабочего орга­на» резонатора исследователи использовали нанотрубку (рис. 10.13), расположенную между двумя золотыми электродами (V. Sazonova и др. 2004 Nature 431 284).

Размеры канавки, через которую протянута нанотрубка: 1,5 мкм в длину и 500 нм в ширину (геометрия канавок вынесена штриховыми линиями).

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) такого типа могут быть полезны при конструировании различных ультрачувствительных масс-детекторов и детекторов силы. В таких устройствах «рабочий орган» сенсора изменяет свое положение в зависимости от воздействия на него внешней силы.

Эта симуляция (Рис. 10.14) отображает первые четыре резонансные состояния нанотрубки, жестко закрепленной с двух сторон. В. Сазоно­ва и П. МакЮн рассчитали эти состояния и показали, что их можно «подстроить» под широкий спектр частот.

Углеродные нанотрубки — идеальные кандидаты для рабочего орга­на такого устройства, так как у них большая упругость. Это позволяет нанотрубке колебаться в широком диапазоне частот, а это, в свою оче­редь, необходимо для квантово-механических устройств. Более того, нанотрубка может работать в каче­стве транзистора, что позволило ис­следователям определить частоту ее колебаний и смещения относитель­но положения покоя. Все сказанное выше характеризует однослойную углеродную нанотрубку как универ­сальный детектор массы и силы. В детекторе исследователи использо­вали нанотрубку диаметром 1...4 нм. Пол МакЮн и его коллеги сдела­ли детектор следующим образом: меж­ду двумя электродами, расположен­ными на желобке из оксида кремния, протянули нанотрубку, жестко за­крепленную на концах. В результате получился транзистор. Электроды
были стоком и истоком, а подложка с канавкой из оксида кремния — за­твором. Далее, изменяя напряжение на электродах, физики из Корнелла добились оптимального натяжения нанотрубки (за счет электростатичес­кого притяжения к затвору), а также заставили ее вибрировать. Теперь, измеряя изменения электрической емкости между нанотрубкой и затво­ром, можно было установить, насколько нанотрубка отклоняется от по­ложения покоя, или же измерить частоту вибрации нанотрубки.

МакЮн и его команда смогли измерить резонансные частоты на­нотрубки от 3 до 200 МГц. Также они смогли измерить смещение на­нотрубки всего на 0,5 нм от положения равновесия. На сегодняшний день это лучшие результаты измерения массы, достигнутые при ком­натной температуре.

Так как частота вибрации нанотрубки представляет собой функцию от ее массы, то добавление к этой массе посторонней массы изменит частоту колебаний. Проще говоря, если соединить с нанотрубкой очень маленький предмет, то можно будет его взвесить! Ранее на кремниевых кантилеверах можно было взвесить бактерию или вирус. Теперь, как говорит МакЮн, с помощью нового детектора «мы достигли границы в измерениях массы — теперь с помощью нашего устройства можно будет взвешивать отдель­ные атомы».

Исследователи проводили измерения в вакууме. В воздухе большое число разных молекул будет сталкиваться с нанотрубкой или даже аб­сорбироваться с ней, изменяя ее массу. Поэтому, как сказал МакЮн, одно из применений сенсора, которое лежит «на поверхности», — де­тектирование газов.

Датчик наноперемещений

В США создан датчик наноперемещений, позволяющий за­регистрировать изменение положения объекта на тысячные доли нано­метра. Датчик состоит из наноэлектромеханической перемычки и од-ноэлектронного транзистора. В устройствах такого типа механический элемент перемещается под внешним воздействием, а высокочувстви­тельный детектор позволяет измерить его перемещение. Области при­менения устройства - везде, где требуется ультравысокая точность, на­пример магниторезонансная микроскопия. Если удастся повысить его чувствительность в 100 раз, у ученых появится возможность непосред­ственной регистрации квантовых эффектов в макросистемах.

Квантово-механический принцип неопределенности утверждает, что невозможно одновременно измерить и положение, и скорость (точнее, импульс) микрочастицы. Тем самым устанавливается фундаментальное ограничение на точность любых измерений макрообъектов. Правда, достигнуть этих теоретических границ в непосредственных измерениях до последнего времени было невозможно из-за отсутствия приборов с необходимой точностью. Точность наноэлектромеханических устройств уже достаточна для проведения подобных измерений.

Роберту Кнобелю и Эндрю Клиланду из Калифорнийского универ­ситета в Сайта-Барбаре удалось создать работающее устройство, в кото­ром механический элемент представляет собой брусок из арсенида гал­лия, закрепленный с обоих концов. Длина бруска — 3 мкм, ширина — 250 нм, толщина — 200 нм. Расположен он в 250 нм от одноэлектрон-ного транзистора, представляющего собой детектор перемещения. Бру­сок и транзистор соединены электрически через емкость. При прило­жении внешнего напряжения брусок начинает вибрировать. При его перемещении относительно детектора ток, протекающий через транзистор, изменяется. Одноэлектронный транзистор, по словам изобретате­лей, представляет собой лучший из существующих детекторов заряда, имеющий чрезвычайно высокую чувствительность. Измерение тока, протекающего через транзистор, позволяет измерить частоту колебаний бруска.

В настоящее время ученые работают над тем, чтобы приспособить созданное устройство для измерения квантовых эффектов в макро­объектах.

НЭМС для взвешивания ДНК

Ученые из Корнеллского университета создали НЭМС-детектор, кото­рый может взвесить отдельную молекулу ДНК. Масса молекулы — око­ло 995 000 дальтонов, в то время как масса бактерии — 655 фг. А вирус, который удалось взвесить ученым ранее, имеет массу 1,5 фг.

Более того, с помощью нового НЭМС-сенсора ученые могут опре­делить число молекул ДНК, попавших на него.

Как надеются исследователи из Корнелла, новые НЭМС-сенсоры будут использоваться совместно с микрожидкостными системами для генетического анализа коротких фрагментов ДНК, присутствующих в живой клетке. Далее фрагменты ДНК реплицируются, используя тех­нологию, названную PCR-усилением. Такой быстрый анализ ДНК мо­жет быть использован для детектирования маркеров раковых клеток.

Масса молекул белков и ДНК обычно выражается в дальтонах. Даль­тон, или атомарный вес, — это масса одного протона или нейтрона. По отношению к другим единицам массы один дальтон — это одна тысяч­ная зептофамма, который, в свою очередь, одна тысячная аттограмма, а он — тысячная фемтофамма. Как мы видим, со времени взвешивания вируса ученые далеко продвинулись в точных измерениях массы.

Ученые надеются, что им удастся взвешивать не только молекулы ДНК, но и отдельные белки, что поможет создать быстродействую­щие детекторы токсичных веществ. «Детектирование отдельных мо­лекул определенного типа зависит от фундаментальных химических ограничений. Однако созданный нами НЭМС-детектор на несколь­ко порядков точнее современных измерительных приборов, — гово­рит Гарольд Крэйгхед, глава исследователей из Корнеллского уни­верситета. — Я думаю, что взвешивание отдельных белков поможет при создании эффективного детектора таких заболеваний, как СПИД».

Как и в случае с вирусом, молекула ДНК помещалась на колеблю­щийся кантилевер, изменялась частота его колебаний, которая регист­рировалась и обрабатывалась микропроцессором. Но на этот раз Крэй­гхед и его команда сделали целую матрицу кантилеверов. Каждый был от 3 до 5 мкм в длину и 90 нм толщиной. В конце каждого кантилевера находился маленький золотой диск диаметром в 40 нм.

Далее ученые поместили матрицу кантилеверов в раствор, содер­жащий одинаковые ДНК, состоящие из 1578 пар нуклеотидов. Для экспериментальных целей молекулы были обработаны тиолом, благо­даря чему они смогли легко присоединяться к золотым дискам на по­верхности кантилеверов. По прошествии некоторого времени на наноустройстве оказалось довольно много молекул ДНК, связанных с кантилевером.

Воздействуя на кантилеверы лучом лазера, ученые добились частоты вибрации от 11 до 12 МГц. С помощью другого лазера исследователи измеряли частоту осциллятора в реальном времени. Далее НЭМС-весы были «оттарированы» — учеными установлена зависимость изменения частоты осцилляции от массы молекулы. Так, изменение массы канти­левера на 1 аттограмм приводило к изменению частоты на 50 Гц.

Для того чтобы построить работающий белковый и ДНК-анализа­тор, необходимо на НЭМС-осцилляторы нанести специальные марке­ры, к которым и будут присоединяться взвешиваемые молекулы.

Как утверждает Крэйгхед, теперь дело за тем, чтобы собрать все ча­сти детектора в одно устройство, тогда можно будет говорить о действи­тельно мобильных «нановесах».

Вращающийся нанопропеллер

Исследователи из Канады изготовили вращающийся ротор нанометровых размеров, который приводится в движение химическим топливом — перекисью водорода (Н₂0₂).

Исследователь Джеффри Озин и его команда из Университета То­ронто сначала изготовили ряд «штырей» длиной 300 нм, одна половина которых состояла из золота, а другая — из никеля. Далее исследователи скомпоновали из них ротор, похожий на пропеллер. Диа­метр ротора составил около I мкм. Полученное устройство поместили на кремниевую матрицу, где ротор закрепили на миниатюрном под­шипнике скольжения. Всю систему залили водой. Как только в воду был добавлен слабый раствор перекиси водорода (Н₂0₂), пропеллер на­чал вращаться с постоянной скоростью. Как говорит Озин, открытие произошло случайно, исследователи не ставили перед собой целью со­здание пероксидного мотора. Цель их исследований - создание наноструктур различного типа, а добавление пероксида в раствор было всего лишь одним из тестов.

Расскажем подробнее, как работает новый актюатор. Эффект вра­щения получился благодаря тому, что лопасти пропеллера состоят из металлов, различным образом взаимодействующих с перекисью водорода. Золото не взаимодействует с перекисью, а лопасти пропелле­ра присоединены к валу золотым концом. А никель выступает в роли катализатора, помогая пероксиду распадаться на кислород и воду. Таким образом, на никелевых концах с постоянной скоростью нача­ли образовываться пузырьки кислорода, сразу же отрываясь от лопа­сти. Их движение, направленное от лопасти в окружающую среду, вызвало силу, которая, взаимодействуя на лопасти, заставила ротор вращаться.

При постоянной концентрации пероксида в растворе ротор вра­щался с постоянной скоростью. Исследователям даже удалось ревер­сировать направление вращения ротора. Но несмотря на то что полу­ченный ротор «почти» наномашина, Озин сомневается в том, что именно такими двигателями будут в будущем приводиться в движе­ние наносистемы. «Да, полученное нами устройство вращается. Да, практически во всех машинах есть моторы вращательного действия, которые приводят их в движение. Но этот мотор неуправляем, а это ограничивает его возможное применение в таких наномашинах, как наноманипуляторы и нанороботы», — заключил исследователь.

Напомним, что работы по созданию актюаторов вращательного дей­ствия ведутся уже давно. Ранее были созданы наномоторы на биологи­ческой основе (АТФ-синтеза) с использованием кремниевых НЭМС-устройств, а также молекул ДНК. Новый мотор представляет собой класс химических наномоторов, которыми исследователи еще всерьез не за­нимались.

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: