Cân nano có thể cân từng hạt proton

Các nhà nghiên cứu ở Tây Ban Nha vừa tạo ra bộ cảm biến khối lượng nhạy nhất từ trước đến nay. Có khả năng cân một proton – hạt có khối lượng 1,7 yoctogram, hay khoảng 10^–24 g – dụng cụ được cấu tạo từ một ống nano carbon treo lơ lửng. Bộ cảm biến trên có thể dùng để phát hiện ra từng phân tử hoặc để nghiên cứu các phản ứng hóa học khi chúng xảy ra, và thậm chí còn mang lại cái nhìn sâu sắc mới về những cơ sở của cơ học lượng tử.

Bộ cảm biến khối lượng mới do Adrian Bachtold cùng các đồng sự tại Viện Công nghệ Catalan ở Barcelona chế tạo. Nó gồm một ống nano carbon treo lơ lửng cộng hưởng ở một tần số nhất định. “Chúng tôi có thể tăng độ cao – hay tần số cộng hưởng âm – của ‘dây nano’ này bằng cách giảm chiều dài của nó,” thành viên đội nghiên cứu Julien Chaste giải thích. “Bộ cộng hưởng của chúng tôi rất ngắn (chì dài 150 nm) và có đường kính 2 nm.”

Ống nano carbon trên cộng hưởng ở tần số 2 GHz. Khi một hạt nhỏ xíu dính lên ống thì tần số cộng hưởng này giảm đi – với hạt càng nặng thì tần số giảm càng nhiều. Người ta có thể theo dõi sự lệch tần số cộng hưởng và tính ra khối lượng của hạt nhỏ đó.

Sơ đồ bộ cảm biến (trên) cho thấy ống nano vắt ngang qua một khe trống. Phần ống ở trong khe tự do dao động. Khung hình phía dưới là ảnh chụp hiển vi quét điện tử của dụng cụ cho thấy ống nano (đường mờ mờ nằm ngang) căng ra giữa cực nguồn (S) và cực máng (D). Thanh tỉ lệ: 300 nm.

Các nhà nghiên cứu trước đây đã chế tạo được những bộ cảm biến khối lượng như thế và những dụng cụ này có khả năng phát hiện ra những khối lượng khoảng 100 yoctogram. Dụng cụ mới trên có khả năng cân những hạt nhẹ hơn 100 lần.

Tôi luyện bằng điện

Đội của Bachtold tăng độ nhạy cho dụng cụ bằng cách cho một dòng điện lớn đi qua nó để “làm sạch” nó. “Sự tôi luyện bằng điện như thế là đủ để quét sạch một số nguyên tử hấp thụ, chúng có tác dụng giống như những hạt ‘bụi’ bẩn,” Chaste giải thích. Các thí nghiệm còn được tiến hành dưới điều kiện chân không cực cao để giảm sự gây nhiễu từ các phân tử xung quanh đến mức thấp nhất, và ở nhiệt độ chỉ 4 K để giảm thiểu các hiệu ứng nhiệt.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng chiếc cân nano của họ phát hiện ra từng phân tử naphthalene và một số lượng nhỏ nguyên tử xenon. Từ đây, họ tính được bộ cảm biến khối lượng của mình có độ phân giải 1,7 yoctogram, tức tương đương khối lượng của một hạt proton.

Theo dõi các phản ứng hóa học

Đội nghiên cứu cho biết bộ cảm biến của họ có thể dùng để phân biệt những nguyên tố khác nhau trong một hợp chất, chúng có thể chỉ khác nhau vài ba proton. Do đó, nó sẽ có thể theo dõi các phản ứng hóa học khi chúng xảy ra, Chaste cho biết.

“Độ nhạy khối lượng kỉ lục của dụng cụ của chúng tôi liên quan đến kích cỡ nhỏ xíu của nó, nhưng thế giới nano nói chung, và nhất là các bộ cộng hưởng nano, là hết sức nhạy với những khối lượng, những lực, những điện tích và moment từ nhỏ,” ông nói. “Đồng thời tìm ra khối lượng, các bộ cộng hưởng nano hoạt động ở những nhiệt độ cực thấp còn có thể rất hấp dẫn cho những nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực vật lí lượng tử.”

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.

123physics – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn