رکورد جدیدی برای حسگر جرم نانولوله‌ای

دانشمندان در موسسه فناوری کاتالان موفق به ساخت حساس‌ترین حسگر جرم شده‌اند که می‌تواند وزن حتی یک پروتون منفرد – که جرمی حدود یک یوکتوگرم (^۲۴-۱۰ گرم) دارد- را اندازه‌گیری کند.

این افزاره از یک نانولوله کربنی معلق ساخته شده است و می‌توان با آن مولکول‌های منفرد را شناسایی کرد و واکنش‌های شیمیایی را هنگام اتفاق افتادن با مشخص کردن اتم‌های منفردی که با سطح پیوند می‌دهند، مطالعه کرد. این حسگر جرم جدید، شامل یک نانولوله کربنی معلق است که در یک فرکانس معین تشدید می‌کند.

شمای (بالا) و تصویر میکروسکوپ الکترونی پیمایشگر (پایین) این افزاره.

جولین چاست، یکی از این محققان، توضیح می‌دهد: «ما می‌توانیم فرکانس تشدید صوتی این نانورشته را با کاهش طولش افزایش دهیم. تشدیدکننده ما بسیار کوتاه است. طولی فقط برابر ۱۵۰ نانومتر و قطری برابر ۲ نانومتر دارد.»

این نانولوله کربنی در فرکانس ۲ گیگاهرتز تشدید می‌کند. هنگام قرارگیری ذرات روی این لوله فرکانس تشدید کاهش می‌یابد و هرچه ذرات سنگین‌تر باشند، میزان این کاهش بیشتر است. این جابجایی در فرکانس را می‌توان پایش کرد و آن را برای محاسبه جرم این ذرات استفاده کرد. حسگرهای جرمی که قبلا ساخته‌ شده‌اند قادر به شناسایی جرم‌هایی حدود ۱۰۰ یوکتوگرم بوده‌اند. این حسگر جدید می‌تواند وزن اشیایی را که حدود ۱۰۰ برابر سبک‌تر هستند، اندازه‌گیری کند.

این گروه تحقیقاتی با عبور جریان الکتریکی بزرگی از سرتاسر نانولوله برای تمیز کردن آن، موفق به افزایش حساسیت افزاره خود شد. چاست توضیح داد: «چنین التهاب الکتریکی برای زدودن بعضی از اتم‌های جذب شده که بعنوان گرد و غبار آلوده‌کننده عمل می‌کنند، کافی است.»

همچنین این آزمایش‌ها در خلاء بسیار بالا (برای حداقل کردن تداخل مولکول‌های مجاور) و در دماهای فقط ۴ درجه کلوین (برای کاهش اثرات گرمایی) انجام شدند. این محققان نانوترازوی خود را برای شناسایی مولکول‌های منفرد نفتالین و تعداد کمی از اتم‌های گزنون استفاده کردند. آنها با کمک این آزمایش‌ها محاسبه کردند که این حسگر جرم دقتی برابر یک و هفت دهم یوکتوگرم دارد که تقریبا جرم یک پروتون منفرد است.

این دانشمندان می‌گویند که حسگرشان را شاید بتوان برای تشخیص عناصر مختلفی در یک ترکیب استفاده کرد که ممکن است فقط چند پروتون باهم تفاوت داشته باشند. بنابراین این امکان وجود دارد که آن را برای مطالعه واکنش‌های شیمیایی هنگامی که اتفاق می‌افتند، استفاده کرد. این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nature Nanotechnology منتشر کرده‌اند.