Сверхточный детектор массы и силы на основе нанотрубки

Сверхточный детектор массы и силы на основе нанотрубки (NanoTechWeb.org, Cornell News)
gazeta59@bk.ru
Выпуск № 34
Физики из Университета Корнелла, США, сделали электромеханический резонатор нанометровых размеров, способный детектировать малые значения прикладываемой на него силы. В качестве "рабочего органа" резонатора исследователи использовали нанотрубку, расположенную между двумя золотыми электродами (V Sazonova и др. 2004 Nature 431 284).
Наноэлектромеханические системы (НЭМС) такого типа могут быть полезны при конструировании различных ультра-чувствительных массдетекторов и детекторов силы. В таких устройствах "рабочий орган" сенсора изменяет свое положение в зависимости от воздействия на него
внешней силы.
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 квантовомеханических устройств. Более того, нанотрубка может работать в качестве транзистора, что позволило исследователям определить частоту колебаний нанотрубки и ее смещения относительно положения покоя. Все вышесказанное характеризует однослойную углеродную нанотрубок как универсальный детектор массы и силы. В детекторе исследователи использовали нанотрубку диаметром от одного до четырех нанометров.
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
Геометрия устройства и диаграмма расположе- частоту вибрации нанотрубки.
МакЮн и его команда смогли измерить рения нанотрубки на электродах. Масштабная метка Эта симуляция отображает первые че300 нм. Металлические электроды (золото/хром) пока- зонансные частоты нанотрубки от 3 до 200 мегазаны желтым цветом, поверхность из оксида кремния - герц. Также они смогли измерить смещение на- тыре резонансные состояния нанотрубки, жесерым. Размеры канавки, через которую протянута нотрубки всего на 0.5 нанометров от положения стко закрепленной с двух сторон. Сазонова и
МакЮн рассчитали эти состояния, и показали,
нанотрубка: 1.5 мкм в длину и 500 нм в ширину (георавновесия.
На
сегодняшний
день
это
лучшие
речто их можно "подстроить" под широкий
метрия канавок вынесена пунктирными линиями).
спектр частот.
зультаты измерения массы, достигнутые при комнатной температуре.
Так как частота вибрации нанотрубки представляет собой функцию от ее массы, то добавление к ее массе постороннюю, 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 (наверняка при его модификации - прим. переводчика) можно будет взвешивать отдельные
атомы."
Исследователи производили их измерения в вакууме. В воздухе большое количество разных молекул будет сталкиваться с нанотрубкой
или, даже, абсорбироваться с ней, изменяя ее массу. Поэтому, как предварительно сказал МакЮн, одно из применений сенсора, которое лежит
"на поверхности" - детектирование газов.
Умный микроскоп впервые позволил увидеть отдельные атомы (www.membrana.ru)
Специалисты американской национальной лаборатории Окриджа (Oak Ridge National Laboratory) установили рекорд разрешения для электронных микроскопов, позволяющий видеть отдельные атомы. Используя свой микроскоп на 300 киловольт,
они добились разрешения в 0,6 ангстрем. Физики сумели получить изображения отельных атомов в кремниевом кристалле.
Новые возможности машины должны принести немало пользы исследованиям в области полупроводников, и вообще — в создании новых материалов.
Секрет успеха — в новой компьютерной технологии получения изображения, которая выжимает из мощного электронного
микроскопа буквально всё возможное. Технология называется коррекция аберрации. Электроника вносит поправку в сигнал в
зависимости от "дефектов" электронных линз микроскопа. Благодаря этому исследователи пересекли порог разрешения, позволяющий видеть атомы так ясно, как никогда прежде.
Следующий вызов, говорят в Окридже — отображение отдельных атомов в трёхмерном виде.
Закончено строительство гигантского космического окна (www.membrana.ru)
Стивен Пенникук (Stephen
Pennycook), глава группы
электронной микроскопии
и рекордный прибор (фото
с сайта cnn.com).
Итальянская фирма Alenia Spazio закончила строительство самого большого "окна" для МКС и отправила его в космический центр Кеннеди
(Kennedy Space Center), где конструкция подвергнется испытаниям. "Космическое окно" диаметром 2 метра — это наблюдательный и контрольнодиспетчерский пункт "Купол" (Cupola), который должен быть присоединён к новому третьему узлу (Node-3) МКС в январе 2009 года. Мы об этом немного рассказывали.
Всего "окон" в пункте семь: шесть трапециевидных, одно главное — круглое, диаметр 80 см. За панорамный обзор пункт прозвали "комнатой с
видом на МКС". Толщина всех "окон" — 10 см, они состоят из четырёх слоёв сплавленного кварца. Внутренний слой может противостоять ударам инструментов и ботинок астронавтов, а внешний — космическому мусору.
Любопытно, что проект "Купол" был начат NASA и компанией Boeing, но был заморожен из-за отсутствия финансирования. В 1998 году NASA
договорилось с Европейским космическим агентством (ESA, которое и взяло на себя организацию и контроль над строительством 1,8-тонного наблюдательного пункта.
Холодные тёплые краски обманывают покупателей и Солнце (www.membrana.ru)
Чтобы устранить конфликт между психологией людей и необходимостью сбережения энергии, группа учёных придумала белую краску,
которая выглядит как чёрная. Визуальный обман позволит экономить ежегодно тысячи тонн топлива.
Всем известно, почему летом люди надевают, как правило, светлую одежду. Не из-за моды, главным образом, а из-за того банального факта, что белый цвет — хорошо отражает солнечные лучи. Но когда речь заходит о покрытии зданий, почему-то логика уступает место моде. Так, покрытия крыш очень часто делают
тёмно-коричневыми или тёмно-зелёными. Другие тёмные цвета (вплоть до чёрного) — также встречаются нередко.
Учёные посчитали, что повышение коэффициента отражения крыши, к примеру, с 20% (обычная серая
краска) до 55% (обычная "почти-белая" краска) — сократило бы расход энергии на кондиционирование на
20%. А ведь покрытия, которые отражают и вовсе лишь 4-8% солнечного цвета, по статистике, также немало
распространены. Речь, прежде всего, о США, где группа учёных озаботилась проблемой "неправильных"
крыш. В этой стране кондиционеры дают ощутимую долю в национальном потреблении энергии. То же спраЭто компьютерный рисунок. Но так
скоро будут выглядеть популярные ведливо и в отношении многих других жарких стран. И даже в холодной России едва ли кто отказался бы собелые (мы не оговорились) чере- кратить свои счета за электричество, которое тратится летом.
Памятуя о бережном отношении к природе-матушке, Хашем Акбари (Hashem Akbari) и его коллеги из лапицы и плитки для крыш (иллюстрация с сайта lbl.gov).
боратории Беркли (Berkeley Lab) несколько лет назад приступили к поиску выхода из ситуации. Кажется, дело
то — элементарное. Нужно просто красить крыши белым. Но, как оказалось, американцы не хотят этого делать (думаем, то же можно сказать о жителях большинства других стран, в которых также преобладают неэкономичные тёмные крыши). Ведь крыши — важный элемент дизайна дома. И массы предпочитают яркие тона:
кирпично-красный, тёмно-зелёный, различные оттенки коричневого или синего. Скучный и блёклый белый или
светло-серый — почти никто не желает и знать. Поскольку изменить привычки миллионов учёные не могли,
решили: "Что ж, мы не ищем лёгких путей". И разработали-таки материалы, которые выглядят тёмными, но на
деле отражают значительную часть солнечной радиации. Проделали этот фокус в отделении экологических
энергетических технологий лаборатории Беркли (Environmental Energy Technologies Division), где собственно
Акбари и работает.
Сама идея элементарна и изящна — нужно было создать покрытия, которые обладали бы огромной отЧтобы проверить свойства норажающей способностью в ближнем инфракрасном спектре, в котором Солнце излучает более половины сво- вых покрытий в реальности, физией энергии. Но вот воплощение идеи оказалось не простым. Ведь добавляя разнообразные вещества в краски ки соорудили опытные крыши,
или иные цветные материалы (пластик, керамическая черепица и так далее), нужно было добиться внешнего снабжённые кучей датчиков. Трудповерить, но экспериментальсходства с обычными "горячими" покрытиями. Учёным пришлось перепробовать уйму сочетаний пигментов, но
ные плитки, показанные здесь, отучитывая их влияние друг на друга, и ещё подобрать их индивидуально к различным цветам и типам покры- ражают солнечный свет не хуже
белой краски (фото с сайта lbl.gov).
тий. В лаборатории даже компьютерную программу специальную написали, чтобы анализировать поглощение и рассеивание излучения смесью веществ выборочно — на отдельных узких частотах.
А в результате американцы создали такие материалы, которые, будучи внешне
неотличимыми от коричневого, тёмно-красного или зелёного, так любимыми домовладельцами (и строителями), отражают в несколько раз больше солнечной энергии. При
этом физики подумали и о технологии изготовления покрытий из этих материалов. Самое интересное, усилия лаборатории Беркли не пропали даром — при содействии её
учёных целый ряд производителей покрытий для крыш (не только в США) с недавних
пор ввёл в свою программу так "холодные-тёплые" материалы. Холодные — по фактическому нагреву от Солнца, а тёплые — по визуальной тональности цвета.
Некоторые промышленники почти полностью перешли на новые краски. А в Ка- Распределение излучения Солнца по частотам (иллюстрация с
лифорнии даже разработали стандарт, призванный сделать "холодные крыши" обыч- сайта lbl.gov).
ными при строительстве новых домов. Больше всего учёным пришлось возиться с так называемой мягкой черепицей (а она — одно из самых популярных покрытий в мире). Такие плитки состоят из стекловолоконных листов, покрытых битумом, на который напыляют мельчайшую базальтовую или каменную крошку с красителем.
Адаптировать идею инфракрасных пигментов к этим гранулам было непросто, но вот недавно в Беркли объявили о создании их промышленными
партнёрами первых образцов таких мягких плиток — тёмных и даже совершенно чёрных на вид, но "белых" в смысле отражения энергии. Скоро они
появятся в продаже. Наиболее впечатляет перемена, произошедшая с чёрным
цветом. В варианте обычной краски он отражает лишь 4% солнечного излучения, а с новыми пигментами — 41%.
Так физикам удалось одержать победу над человеческой психологией.
Собственно, психологию ломать не пришлось. А промышленники были только
рады нововведению. Как выяснилось, выпуск новых покрытий обходится им
практически в те же деньги, что и выпуск старых "горячих", зато покупателям
теперь можно гордо сообщать о энергосберегающих передовых технологиях.
Люди готовы платить сейчас за сбережение немаленьких киловатт-часов
потом. Передовые технологии оказались прибыльными. И главное — здесь
Сравнение отражающей способности обычных красок и новых, того же
нет никакого обмана. Кроме оптического.
самого цвета (иллюстрация с сайта lbl.gov).