(PhysOrg.com) -- Door te kijken hoe energie door een klein apparaat beweegt, vergelijkbaar met een springende duikplank, Cornell-onderzoekers zijn een stap dichter bij het maken van buitengewoon kleine sensoren die schadelijke stoffen in lucht of water onmiddellijk kunnen herkennen.

De onderzoekers, onder leiding van hoogleraar toegepaste en technische fysica Harold Craighead, maakte een apparaat van slechts 200 nanometer dik en een paar micron lang met een oscillerende cantilever die aan het ene uiteinde hing. (Een nanometer is een miljardste van een meter; een micron is een miljoenste van een meter.) Ze identificeerden precies hoe de gevoeligheid ervan moest worden afgesteld - een doorbraak die zou kunnen leiden tot geavanceerde detectietechnologieën.

De experimenten gedetailleerd online 8 februari in Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde laten zien hoe deze oscillatoren, die nano-elektromechanische systemen (NEMS) zijn, zou ooit kunnen worden gemaakt in alledaagse apparaten door miljoenen van hen op een rij te zetten en elke cantilever te behandelen met een bepaald molecuul.

"Het grote doel is om arrays van deze dingen allemaal direct synchroon aan te sturen, " zei eerste auteur Rob Ilic, een onderzoeksmedewerker bij de Cornell NanoScale Science and Technology Facility. "Ze kunnen worden gefunctionaliseerd met verschillende chemicaliën en biomoleculen om verschillende pathogenen te detecteren - niet slechts één ding."

De cantilever is als een duikplank die resoneert op verschillende frequenties. In eerder onderzoek is het team heeft aangetoond dat door de cantilever met verschillende stoffen te behandelen, ze kunnen zien welke andere stoffen aanwezig zijn. Bijvoorbeeld, E. coli-antilichamen die aan de cantilever zijn bevestigd, kunnen de aanwezigheid van E. coli in water detecteren.

De onderzoekers hebben het ontwerp van de oscillatoren geperfectioneerd, Ilic zei, door hun apparaat op een laag siliciumdioxide te leggen, die allemaal rusten op een siliciumsubstraat. Een pad met gaten verbindt pinnen van siliciumdioxide, opgesteld als telefoonpalen, die uiteindelijk eindigen op de cantilever.

Een laserstraal, ingeschakeld aan het uiteinde van de cantilever, reist door het apparaat en zorgt ervoor dat de oscillator gaat wiebelen. De frequentie wordt vervolgens gemeten door een andere laser op de oscillator te laten schijnen en patronen in het gereflecteerde licht te observeren.

De "telefoonpalen" zorgen ervoor dat de energie efficiënt over het apparaat kan bewegen door te voorkomen dat het knikt of uitzakt. Het ontwerp maakt het gemakkelijk om de resonantiefrequentie van de cantilever af te lezen.

In dit proces, ontdekten de onderzoekers dat over korte afstanden, de energie van de laser kwam in de vorm van warmte, die snel vervliegt. Maar toen de laser honderden microns verwijderd was van de cantilever, de energie kwam in de vorm van akoestische golven die door het apparaat reisden, langzamer verdwijnen, en stelden hen in staat om hun apparaat langer te maken.