Bis aufs Yoktogramm genau

  • 03. April 2012

Die derzeit empfindlichste Waage der Welt nutzt resonante Schwingungen von Nanoröhrchen.

In einem Labor der Universität Barcelona steht die derzeit genaueste Waage der Welt. Sie kann die Masse von einzelnen Atomen mit einer Genauigkeit von bis zu 1,7 Yoktogramm bestimmen. Das entspricht etwa der Masse eines Protons und – umgerechnet auf Kilogramm – einem Wert, vor dem 27 Nullen stehen. Die Waage selbst besteht aus einem kleinen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, dessen schnelle Schwingungen sich verändern, sobald nur ein einziges Atom andockt. Wie die Forscher berichten, könnte ihre ultragenaue Waage für die Untersuchungen von Oberflächenprozessen und als Nanosensor für chemische Substanzen genutzt werden.

Abb.: Yoktogramm-Waage: Über Strom- und Spannungsmessungen durch das schwingende Nanoröhrchen kann die Resonanzfrequenz und die Masse angedockter Atome und Moleküle mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. (Bild: J. Chaste, Nat. Nanotechnol.)

Abb.: Yoktogramm-Waage: Über Strom- und Spannungsmessungen durch das schwingende Nanoröhrchen kann die Resonanzfrequenz und die Masse angedockter Atome und Moleküle mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. (Bild: J. Chaste, Nat. Nanotechnol.)

„Unser ultrasensitiver Massensensor kann als neues Werkzeug für die Untersuchung grundlegender Prozesse in der Oberflächenforschung genutzt werden“, sagt Adrian Bachtold vom Katalanischen Institut für Nanotechnologie an der Universität von Barcelona. Für die ersten Wiegeversuche nutzten Bachtold und Kollegen ein Xenon-Atom. Dieses haftete sich unter Vakuum an das auf bis zu sechs Kelvin tiefgekühlte und etwa 150 Millionstel Millimeter lange Nanoröhrchen. Eingespannt zwischen zwei Elektroden veränderte sich dadurch die Frequenz resonanter Schwingungsmoden bei etwa zwei Gigahertz.

Diese kleine Frequenzverschiebung führte zur Änderung der elektronischen Eigenschaften des Nanoröhrchen im resonanten Schwingungsfall. Die resultierenden Variationen im Stromfluss (0 bis 0,4 Nanoampere) und in der Spannung konnten die Forscher über die angeschlossenen Elektroden messen und damit die Frequenzverschiebung bestimmen. Diese eignet sich wiederum als Maßstab für die Masse des angedockten Xenon-Atoms, das so bis auf 1,7 Yoktogramm genau gewogen werden konnte. Weitere Wägungen mit Naphthalen-Molekülen, die an dem Nanoröhrchen anhafteten, bestätigten die hohe Genauigkeit der „Yoktowaage“.

Auf diesem nanomechanischen Messprinzip bauten bereits frühere Präzisionswaagen auf, sie erreichten aber nur eine Genauigkeit von einigen 100 Yoktogramm. Doch mit kürzeren Nanoröhrchen und einer effizienten „Reinigung“ von störenden Atomen über ein kurzfristiges Aufheizen gelang nun eine Verbesserung der Wägegenauigkeit. Die nun erreichte hohe Genauigkeit könnte dazu genutzt werden, um beispielsweise Absorptionsprozesse von Atomen und Molekülen auf einer Oberfläche im Detail zu untersuchen. Bachtold kann sich sogar einen Einsatz über die Grundlagenforschung hinaus vorstellen. „Eine mögliche Anwendung ist beispielsweise die Analyse von Blutproben durch das Identifizieren von Biomolekülen mittels Massenspektroskopie“, sagt er.

Jan Oliver Löfken

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