Οι νανοσωλήνες αισθάνονται τη δύναμη

Από το PhysicsWeb, 15 Σεπτεμβρίου 2004

Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Cornell των ΗΠΑ χρησιμοποίησαν νανοσωλήνες από άνθρακα για να φτιάξουν για πρώτη φορά ένα ηλεκτρομηχανικό αντηχείο διαστάσεων μερικών νανομέτρων ικανό να ανιχνεύει εξαιρετικά μικρές δυνάμεις. Η συσκευή αποτελείται από ένα απλό νανοσωλήνα που αιωρείται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων από χρυσό (V Sazonova et al. 2004 Nature 431 284).

Τα νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα ή NEMS θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης και της υπερευαίσθητης ανίχνευσης μάζας και δύναμης. Σε αυτές τις συσκευές ένα μηχανικό στοιχείο κινείται όταν εξασκείται μια εξωτερική δύναμη, και χρησιμοποιείται ένας ιδιαίτερα ευαίσθητος ανιχνευτής για να καταγράψει τη μετατόπιση του μηχανικού στοιχείου.

Ο νανοσωλήνας από άνθρακα -- τυλιγμένα φύλλα γραφίτη διαμέτρου μερικών νανομέτρων -- θα μπορούσε να είναι ιδανικός υποψήφιος για την κατασκευή τέτοιων συσκευών, επειδή είναι σε θέση να αντισταθούν σε μεγάλες πιέσεις. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε μια ευρεία περιοχή υψηλών συχνοτήτων, όπως απαιτείται για τις κβαντομηχανικές εφαρμογές. Επιπλέον, ένας νανοσωλήνας μπορεί να ενεργήσει ως τρανζίστορ και επομένως είναι σε θέση να ανιχνεύσει τη μετατόπισή του. Έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένας ηλεκτρονικός ανιχνευτής.

Ο Paul McEuen μαζί με συνάδελφους του έφτιαξε την παραπάνω  συσκευή βάζοντας ένα νανοσωλήνα να αιωρείται πάνω από ένα κενό  -- πλάτους 1,2 έως 1,5 μικρά και βάθους 500 nm  -- μεταξύ μιας πηγής και ηλεκτροδίων φτιαγμένων από χρυσό. Το ηλεκτρόδιο πύλη βρίσκεται κάτω από το νανοσωλήνα, ο οποίος στερεώνεται και στις δύο άκρες.

Οι φυσικοί του Cornell ρύθμισαν τη δύναμη στο νανοσωλήνα μεταβάλλοντας την τάση στο ηλεκτρόδιο-πύλη. Αυτό, επίσης, είχε σαν αποτέλεσμα να πάλλεται ο νανοσωλήνας. Έπειτα ανίχνευσαν αυτήν την παλμική κίνηση μετρώντας την αλλαγή στην αγωγιμότητα του νανοσωλήνα καθώς αυτός κινιόταν μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο του ηλεκτροδίου- πύλη.

Ο McEuen και οι συνάδελφοι του έδειξαν ότι θα μπορούσαν να συντονίσουν και να μετρήσουν το συντονισμό του νανοσωλήνα σε μια μεγάλη περιοχή συχνοτήτων -- από 3 έως 200 MegaHertz -- μεταβάλλοντας απλά την τάση της πύλης. Έτσι, ήταν σε θέση να ανιχνεύσουν μετατοπίσεις τόσο μικρές, όπως 0,5 nm και με μια ευαισθησία, που είναι μέσα στις δέκα καλύτερες τιμές που έχουν μετρηθεί στη θερμοκρασία δωματίου μέχρι σήμερα.