НАНОВЕСЫ (Nanobalance)

• "Техника будущего — это, прежде всего, физика в ее приложениях.
• А. Ф. Иоффе

Вы когда-нибудь пробовали взвесить пылинку с помощью обычных весов? Наверное, нет, вряд ли такое бесперспективное занятие кому-то придет в голову — для всех очевидно, что частичка, масса которой намного меньше точности весов, останется незамеченной. Это и не страшно, скажете Вы, зачем вообще ее взвешивать! Давайте задумаемся, а как же быть с другими мелкими объектами, например, наночастицами? Хорошо известно, что свойства наноструктур во многом определяются их размером и формой, и в ходе синтеза практически невозможно получить набор абсолютно идентичных наночастиц. Поэтому, измеряя физические свойства наноструктурированных объектов, мы, как правило, получаем среднюю характеристику объемного образца, практически ничего не говорящую о свойствах образующих его нанофрагментов. В связи с этим одной из ключевых задач нанонауки является изучение свойств индивидуальных наночастиц с заранее известной и четко выраженной атомной структурой.

Очевидно, что слишком маленький размер наночастиц, так же как и в случае с пылинкой, делает невозможным применение для этого традиционных измерительных методик. Даже самые современные приборы имеют точность порядка 10^-9 г, что на много порядков превышает массу единичных наночастиц. То есть в наномире нужны свои измерительные наноинструменты!

В создании таких инструментов в очередной раз, благодаря своим уникальным электронным и механическим свойствам, помогли углеродные нанотрубки, способные проводить электрический ток и обладающие высокой механической прочностью.

Если к углеродной нанотрубке, один конец которой прочно закреплен, а другой остается свободным, приложить внешнее напряжение, то индуцированный заряд преимущественно сосредоточивается на свободном конце, и за счет электростатических сил происходит отклонение нанотрубок от исходного положения. Приложение попеременно отрицательного и положительного напряжения позволяет осуществлять цикл нагрузка-разгрузка трубки. Если пойти дальше и менять частоту подаваемого напряжения, то можно добиться резонанса с частотой собственных колебаний нанотрубки, что позволит точно измерить данную характеристику. Резонансная частота колебаний углеродной нанотрубки определяется диаметром, длиной и прочностью на изгиб и является ее индивидуальной характеристикой.

В 2000 году американскими учеными из Georgia Institute of Technology было предложено использовать описанный принцип для создания самых маленьких и чувствительных весов в мире. Действительно, если определить частоту собственных колебаний отдельной нанотрубки, а затем прикрепить к ней исследуемый нанообразец, то оказывается, что резонансная частота колебаний уменьшается более чем на 40% по сравнению с ненагруженной трубкой. В результате с высокой точностью можно рассчитать массу образца вплоть до величин масс порядка 10^-15 г. Для этого необходимо только откалибровать углеродную нанотрубку, чтобы определить ее жесткость (рис. 1).

В перспективе такие весы могут быть использованы для измерения масс больших биомолекул и биомедицинских объектов, например, вирусов.

Французские физики собрали микроскопические весы из четырех электродов и подключенной к ним вибрирующей пластинки, обладающие достаточной чувствительностью для измерения массы отдельных белковых цепочек, и опубликовали "инструкцию" по сборке в журнале Nature Nanotechnology.

Точное измерение массы микроскопических тел, молекул и атомов является сверхсложной инженерной и физической задачей. На уровне отдельных молекул на измерительные приборы начинают влиять особенности физики микромира, в том числе броуновское движение, силы Ван-дер-Ваальса и прочие факторы, способные значительно исказить показания приборов.

Группа физиков под руководством Майкла Роукса (Michael Roukes) из Калифорнийского технологического института в городе Пасадена (США) разработала универсальные нановесы, которые позволяют взвешивать отдельные молекулы с минимальными погрешностями.

Ключевой элемент этого устройства - вибрирующая микропластинка или "мост" в терминологии авторов статьи, была создана Роуксом и его коллегами еще в 2009 году. Она представляет собой тонкую полоску из металла, колебания которой считываются при помощи нескольких микроэлектродов.

Когда к этой конструкции приближается молекула, "мост" начинает вибрировать, и эти колебания считываются электродами. Сила и частота данных вибраций зависит от массы молекулы, что позволяет вычислить ее даже в том случае, если по "мосту" проходит только одна частица. У первых прототипов "моста" был существенный недостаток - масса молекулы сильно искажалась в тех случаях, когда частица проходила не по центру моста, а по его краям. Поэтому ученым приходилось измерять массу как минимум 500 отдельных молекул для минимизации погрешностей. В новой работе Роукс и его коллеги ликвидировали этот недостаток, научившись вычислять положение молекулы по различиям в отдельных гармонических составляющих в вибрациях "моста". Эта методика позволила физикам вычислять точную массу отдельных молекул с высокой скоростью и точностью.

По словам физиков, данные нановесы можно изготавливать при помощи промышленных технологий, используемых при сборке кремниевых микросхем. Это значительно снижает себестоимость устройства и позволяет использовать даже в относительно небольших лабораториях.