Весы для атомов

Физики из США построили устройство, которое может определить массу объектов столь легких, как один атом золота.

Устройство работает посредством присоединения интересующего объекта к нанотрубке с двойной оболочкой, полученной свертыванием двух листов углерода толщиной в один атом каждый. Присоединенный объект уменьшает частоту колебаний нанотрубки, которая изменяется пропорционально его массе.

Устройство, названное наномеханический масс-спектрометр, было создано Кенни Йенсеном (Kenny Jensen), Алексом Зеттлом (Alex Zettl) и коллегами из Калифорнийского университета в Беркли.

Один конец двустенной нанотрубки толщиной около 2 нм и 200 нм в диаметре присоединялся к отрицательно заряженному электроду, тогда как другой свободно колебался подобно трамплину для прыжков в воду. Положительно заряженный электрод располагался вблизи свободного конца нанотрубки, и электроны могли течь от конца нанотрубки к положительному электроду. Значение величины тока зависит от частоты колебаний нанотрубки. Измеряя этот ток, команда могла наблюдать изменения частоты и таким образом определять объекты, попадающие на нанотрубку.

Хотя это и не первое такое наномеханическое устройство для измерения массы, большинство других изготавливается из кремниевых материалов и имеют резонаторы, которые намного толще и тяжелее, чем углеродная нанотрубка. Это значит, что они менее чувствительны к очень малым изменениям массы.

Исследователи тестировали свое устройство посредством введения небольшого количества атомов золота в вакуумную камеру, в которой оно находилось, зная, что некоторые из них попадут на колеблющуюся нанотрубку.

Место и время попадания каждого индивидуального атома на нанотрубку является случайным процессом, что означает, что частота претерпевает нерегулярные скачки. Для изучения этих изменений команда использовала статистический анализ, в результате которого можно было вычислить массу одного атома золота. Анализ показал, что масса атомов составляет 0,29 ± 0,05 зг (зептограмм, 10 ^-21 г). Это хорошо согласуется с принятой массой 0,327 зг, измеренной традиционными масс-спектрометрами.

Чувствительность прибора не столь высока, как у традиционных масс-спектрометров, однако в последних для измерений необходимо ионизировать атом или молекулу, а затем ускорить ее с помощью электрического и магнитного полей. В предложенном методе этого не требуется, поэтому он может быть использован для изучения больших и неустойчивых молекул, которые могут разрушиться в масс-спектрометре.