(Phys.org) - Makers van minuscule bewegende machines - het soort dat oog heeft voor nanofabricage en -assemblage, evenals voor ander gebruik - weet u waar uw micro- en nanorobots werkelijk zijn?

Wil je wedden?

Een team van onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology zou waarschijnlijk de overhand hebben in zo'n hypothetische weddenschap. Op basis van zijn verrassende bevindingen in een veeleisende studie van de bewegingen van een experimenteel micro-elektromechanisch systeem (MEMS), het team kan zelfs beter-dan-even kansen bieden.

De groep volgde, Voor de eerste keer, de stapsgewijze beweging van een standaard MEMS-apparaat, een "scratch drive-actuator" genoemd, " een micromachine (120 micrometer breed, 50 micrometer lang, en 1,5 micrometer dik) die zichzelf over een oppervlak sleept door herhaaldelijk een kleine haakarm te buigen en te ontspannen. Met behulp van een nieuwe meetmethode die is aangepast aan het biofysica-onderzoek met één molecuul, de onderzoekers volgden en maten elk van de 500 stappen van het apparaat langs een pad van 20 micrometer. Ze ontdekten dat de incrementele bewegingen aanzienlijk varieerden, van slechts enkele nanometers (nm) tot bijna 100 nm.

Deze duidelijke variabiliteit in stapgroottes was "onverwacht, " zegt Craig McGray, de eerste auteur van het artikel. Typisch, MEMS-onderzoekers hebben een gemiddelde stapgrootte berekend, afgeleid van de totale afstand die een apparaat heeft afgelegd gedurende vele bedrijfscycli. Het resulterende gemiddelde toont niet de variabiliteit van de stapgroottes, terwijl eenvoudige modellen van het gedrag van het apparaat de indruk hebben gewekt dat de apparaten in uniforme stappen bewegen.

In plaats daarvan, McGray legt uit, "onze methode onthulde zeer onregelmatige stapgroottes, die niet eerder was waargenomen of voorspeld door gevestigde modellen van MEMS-gedrag."

In hun proof-of-concept-experiment, het NIST-team labelde het oppervlak van een scratch-drive-actuator met fluorescerende nanodeeltjes. Onder een fluorescentiemicroscoop, de nanodeeltjes verschenen als lichtpunten in een sterachtig sterrenbeeld. De positie van elk lichtpunt werd met een buitengewoon hoge nauwkeurigheid gemeten, het equivalent van een reeks constellatiekaarten weergeven en de positie en oriëntatie van het apparaat vastleggen terwijl het over een oppervlak bewoog.

Voor en na elke stap van het apparaat langs het pad, twee beelden van het sterrenbeeld werden genomen. De gegevens werden vervolgens gekraakt om de stapsgewijze verhogingen en rotaties te bepalen, en de onzekerheid in beide waarden.

Met hun innovatieve aanpak het NIST-team berekende zowel de grootte van elke beweging tot binnen 1,85 nm, (kleiner dan de breedte van een DNA-streng) en de verandering in de oriëntatie van het apparaat, ook tot een buitengewoon lage onzekerheid. In plaats van een rechte lijn die bestaat uit gelijkmatig verdeelde punten, het apparaat nam een ​​enigszins rafelige route die licht gebogen was, waarbij elke stap varieert in lengte en oriëntatie.

Bij een volgende proef de onderzoekers maten een tweede scratch-drive-actuator van dezelfde fabrikant. De resultaten verschilden ook onverwacht en aanzienlijk, zoals aangegeven door een verschil van 26,3 nm in gemiddelde stapgroottes.

Zelfs terwijl ze werken aan het verfijnen van hun superresolutie-fluorescentiemicroscopiemethode, het team is van mening dat de aanpak breed inzetbaar kan zijn op het gebied van extreem kleine elektromechanische systemen.