Ruis is laagfrequente willekeurige fluctuatie die in veel systemen voorkomt, inclusief elektronica, omgevingen, en organismen. Ruis kan signalen verduisteren, daarom wordt het vaak verwijderd uit elektronica en radio-uitzendingen. De oorsprong van ruis in elektronica op nanoschaal is momenteel van groot belang, en apparaten die werken met behulp van ruis zijn voorgesteld. Materialen met een hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding zijn aantrekkelijk voor het bestuderen van de ruis die wordt geproduceerd door elektronica op nanoschaal, omdat ze erg gevoelig zijn voor veranderingen van hun oppervlakken. Een representatief materiaal van dit type zijn koolstofnanobuisjes, die opgerolde platen zijn van het grafeen hexagonale netwerk, die slechts één koolstofatoom dik is.

Een Japanse samenwerking onder leiding van de Universiteit van Osaka heeft het vermogen van afzonderlijke moleculen onderzocht om de ruis te beïnvloeden die wordt gegenereerd door elektronische apparaten op nanoschaal op basis van koolstof nanobuisjes. Het team maakte eenvoudige apparaten bestaande uit een koolstofnanobuis die twee elektroden overbrugt. De apparaten werden blootgesteld aan verschillende grote moleculen, waardoor sommige zich aan het oppervlak van de koolstofnanobuisjes binden. Het bleek dat verschillende moleculen unieke ruissignalen gaven die verband hielden met de eigenschappen van de moleculen. Uit de verkregen ruissignalen kon de sterkte van de interactie tussen de koolstofnanobuisjes en moleculen worden voorspeld.

"Het signaal dat door het koolstofnanobuis-apparaat wordt gegenereerd, veranderde na de adsorptie van specifieke afzonderlijke moleculen, ", zegt eerste auteur Agung Setiadi. "Dit komt omdat het geadsorbeerde molecuul een valtoestand in de koolstofnanobuis genereerde, die zijn geleiding veranderde."

Wat dit betekent is dat de op koolstof nanobuisjes gebaseerde apparaten zo gevoelig waren dat de onderzoekers unieke handtekening van afzonderlijke moleculen konden detecteren. Het vermogen om afzonderlijke moleculen te karakteriseren met behulp van zeer gevoelige nano-elektronica is een opwindend vooruitzicht op het gebied van sensoren, vooral voor neuro- en biosensortoepassingen.

"Het gebruik van ruissignalen om moleculaire activiteit ((interactie) of (actieve orbitaal)) te identificeren is aantrekkelijk voor het ontwikkelen van geavanceerde detectieapparatuur, " legt corresponderend auteur Megumi Akai-Kasaya uit. "We hebben aangetoond dat ruis kan worden misbruikt om het signaaldetectievermogen van een apparaat te verbeteren." De resultaten van deze succesvolle demonstratie zullen in de nabije toekomst in een vervolgartikel worden gepubliceerd.

Signaaldetectiegevoeligheid kan worden verhoogd door regelbare ruisopwekking. Deze op koolstof nanobuisjes gebaseerde apparaten illustreren dat het mogelijk is om afzonderlijke moleculen te detecteren door hun unieke ruissignaturen in de stroomsignalen van het apparaat. Betere kennis van de oorsprong van ruis op moleculair niveau zou moeten leiden tot de ontwikkeling van elektronica die ruis gebruikt om hun prestaties te verbeteren in plaats van deze te verslechteren.