(PhysOrg.com) -- In de voorhoede van nanotechnologie, onderzoekers ontwerpen miniatuurmachines om grote klussen te klaren, van het behandelen van ziekten tot het benutten van zonlicht voor energie. Maar terwijl ze de grenzen van deze technologie verleggen, apparaten worden zo klein en gevoelig dat het gedrag van individuele atomen in de weg gaat zitten. Nu hebben Caltech-onderzoekers, Voor de eerste keer, gemeten en gekarakteriseerd deze atomaire fluctuaties - die statistische ruis veroorzaken - in een apparaat op nanoschaal.

Natuurkundige Michael Roukes en zijn collega's zijn gespecialiseerd in het bouwen van apparaten die nano-elektromechanische systemen worden genoemd - kortweg NEMS - die een groot aantal toepassingen hebben. Bijvoorbeeld, door de aanwezigheid van eiwitten te detecteren die ziektemarkers zijn, de apparaten kunnen dienen als goedkope en draagbare diagnostische hulpmiddelen - handig om mensen in arme en landelijke delen van de wereld gezond te houden. Soortgelijke gadgets kunnen giftige gassen meten in een afgesloten ruimte, waarschuwen voor de bewoners.

Twee jaar geleden, Roukes' groep creëerde 's werelds eerste nanomechanische massaspectrometer, waardoor de onderzoekers de massa van een enkel biologisch molecuul konden meten. Het apparaat, een resonator die lijkt op een kleine brug, bestaat uit een dunne strook materiaal van 2 micron lang en 100 nanometer breed die trilt met een resonantiefrequentie van enkele honderden megahertz. Wanneer een atoom op de brug wordt geplaatst, de frequentie verschuift evenredig met de massa van het atoom.

Maar met steeds gevoeligere apparaten, de willekeurige bewegingen van de atomen komen in het spel, statistische ruis genereren. "Het is als mist of rook die verduistert wat je probeert te meten, " zegt Roukes, wie is een professor in de natuurkunde, Toegepaste fysica, en bio-engineering. Om signaal van ruis te onderscheiden, onderzoekers moeten begrijpen wat de ruckus veroorzaakt.

Dus Roukes - samen met voormalig afgestudeerde student en stafwetenschapper Philip X.L. Feng, voormalig afgestudeerde student Ya-Tang (Jack) Yang, en voormalig postdoc Carlo Callegari - wilden deze ruis meten in een NEMS-resonator. Ze beschreven hun resultaten in het aprilnummer van het tijdschrift Nano Letters.

In hun experiment hebben de onderzoekers sproeiden xenongas op een brugachtige resonator die lijkt op degene die ze gebruikten om biologische moleculen te wegen. Het xenon kan zich ophopen in een één atoom dikke laag op het oppervlak, als knikkers die een tafel bedekken. In zo'n opstelling - een zogenaamde monolaag - zijn de atomen zo dicht op elkaar gepakt dat ze niet veel bewegingsruimte hebben. Maar om lawaai te bestuderen, de onderzoekers creëerden een submonolaag, die niet genoeg atomen heeft om het oppervlak van de resonator volledig te bedekken. Door de extra ruimte de atomen hebben meer bewegingsvrijheid, die meer ruis in het systeem genereert.

De atomen in de submonolaag doen een van de volgende drie dingen:ze kleven aan het oppervlak, losraken en wegvliegen, of afschuiven. Of in de natuurkunde spreken, de atomen adsorberen, desorberen, of diffuus. Eerdere theorieën hadden voorspeld dat de ruis hoogstwaarschijnlijk te wijten is aan het plakken en loslaten van atomen. Maar nu de onderzoekers konden observeren wat er werkelijk in zo'n apparaat gebeurt, ze ontdekten dat diffusie het geluid domineert. Wat opvalt, zeggen de onderzoekers, is dat ze ontdekten dat wanneer een atoom langs het oppervlak van de resonator glijdt, het zorgt ervoor dat de trillingsfrequentie van het apparaat fluctueert. Dit is de eerste keer dat iemand dit effect heeft gemeten, aangezien eerdere apparaten niet gevoelig waren voor dit soort diffusie. Ze vonden ook nieuwe machtswetten in de spectra van ruisfrequenties - kwantitatieve beschrijvingen van de frequenties waarop de atomen trillen.

Er is nog veel meer te leren over de fysica van dit geluid, zeggen de onderzoekers. uiteindelijk, ze zullen moeten uitzoeken hoe ze er vanaf kunnen komen of het kunnen onderdrukken om betere NEMS-apparaten te bouwen. Maar het begrijpen van dit geluid - door de willekeurige beweging van individuele atomen te meten - is op zichzelf fascinerende wetenschap, zegt Roukes. "Het is een nieuw venster op hoe dingen werken in de wereld op nanoschaal."