Een groep onderzoekers uit Rusland, Wit-Rusland en Spanje, waaronder professor Yury Lozovik van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie, hebben een microscopisch kleine krachtsensor ontwikkeld op basis van koolstofnanobuisjes. Het apparaat wordt beschreven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Computational Materials Science en is ook beschikbaar als preprint.

De wetenschappers stelden voor om twee nanobuisjes te gebruiken, waarvan er één een lange cilinder is met dubbele wanden van één atoom dik. Deze buizen zijn zo geplaatst dat hun open uiteinden tegenover elkaar liggen. Er wordt dan spanning op toegepast, en een stroom van ongeveer 10nAvloeit door het circuit.

Koolstofbuiswanden zijn goede geleiders, en langs de opening tussen de uiteinden van de nanobuisjes stroomt de stroom dankzij het tunneleffect, dat is een kwantumfenomeen waarbij elektronen een barrière passeren die in de klassieke mechanica als onoverkomelijk wordt beschouwd.

Deze stroom wordt tunnelstroom genoemd en wordt in de praktijk veel gebruikt. Er zijn, bijvoorbeeld, tunneldiodes, waarbij stroom door de potentiaalbarrière van de pn-overgang vloeit.

Een ander voorbeeld is een scanning tunneling microscope (STM), waarbij het oppervlak van een monster wordt gescand met een zeer scherpe naald onder spanning. De naald glijdt langs het oppervlak, en de grootte van de stroom die er doorheen stroomt, toont de afstand tot het monster met zo'n nauwkeurigheid dat de STM uitsteeksels van één atoom hoog kan detecteren.

De auteurs van het artikel gebruikten de relatie tussen de tunnelstroom en de afstand tussen de uiteinden van de nanobuisjes om de relatieve positie van de koolstofnanobuisjes te bepalen en zo de grootte van de externe kracht die erop wordt uitgeoefend te vinden.

Met de nieuwe sensor kan de positie van coaxiale cilinders in tweelaagse nanobuisjes vrij nauwkeurig worden gecontroleerd. Als resultaat, het is mogelijk om de rek van een object op n-schaal te bepalen, waaraan elektroden zijn bevestigd. Uit berekeningen van de onderzoekers bleek de mogelijkheid om krachten van enkele tienden van een nN (10-10 newton) te registreren. Om het duidelijker te maken, een enkele bacterie weegt gemiddeld ongeveer 10-14 newton, en een mug weegt enkele tientallen mcN (10-5 N). het apparaat dat door de fysici is ontwikkeld, kan toepassing vinden buiten microschalen.

Een dubbellaagse coaxiale nanobuis is verwant aan een microscopisch kleine cilinder met een glijdende zuiger. Een dergelijk systeem is al door een aantal andere onderzoekers beschouwd als een mogelijk onderdeel voor verschillende soorten nanomachines. Nanobuisjes zijn voorgesteld voor de rol van micromanipulatoren, of verbindende "noppen" voor complexe mechanismen, en ze kunnen zelfs worden gebruikt voor gegevensopslag; de positie van de binnenste "zuiger" kan één bit informatie of meer coderen.

Verder, berekeningen hebben aangetoond dat het mogelijk is om een ​​gecombineerd apparaat te maken, waar in een tweelaagse koolstofnanobuis magnetische fullerenen zullen zijn. Wanneer geplaatst in een magnetisch veld, er zal een kracht ontstaan, die kunnen worden gemeten door veranderingen in de grootte van de tunnelstroom. Hierdoor wordt de krachtsensor omgezet in een magneetveldsensor.