De torsiebalans bevat een starre evenwichtsbalk opgehangen aan een fijne draad als een oud wetenschappelijk instrument dat tot op heden een zeer gevoelige krachtsensor blijft vormen. De krachtgevoeligheid is evenredig met de lengtes van de balk en draad en omgekeerd evenredig met de vierde macht van de diameter van de draad; daarom, nanomaterialen die de torsiebalans ondersteunen, zouden ideale bouwstenen moeten zijn. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Lin Cong en een onderzoeksteam in de kwantumfysica, micro-elektronica en nanomaterialen in China hebben een torsiebalansarray op een chip met het hoogste gevoeligheidsniveau gedetailleerd. Het team faciliteerde dit door een koolstofnanobuis als draad te gebruiken en een monolaag grafeen bedekt met aluminiumfilms als straal en spiegel. Met behulp van de experimentele opstelling, Cong et al. gemeten de femtonewton-kracht uitgeoefend door een zwakke laser. De balansen op de chip dienden als een ideaal platform om fundamentele interacties tot op zeptonewton nauwkeurig te onderzoeken.

Een moderne rol voor oude wetenschappelijke instrumenten

De torsieslinger is een oud wetenschappelijk instrument dat werd gebruikt om de wet van Coulomb te ontdekken in 1785 en om de dichtheid van de aarde te bepalen in 1798. Het instrument is nuttig voor een reeks toepassingen, waaronder bestaande wetenschappelijke verkenningen om de zwaartekrachtconstante nauwkeurig te bepalen. De meest efficiënte methode om een ​​hoge gevoeligheid in de opstelling te bereiken, is door de diameter van de ophangdraad zo veel mogelijk te verkleinen. Bijvoorbeeld, in 1931, Kapper et al. gebruikte een centimeter lange draad om een ​​zeer gevoelige torsiebalans te ontwikkelen om een ​​record te vestigen voor een tot nu toe onbereikte intrinsieke krachtgevoeligheid. Momenteel, koolstofnanobuisjes vormen een van de sterkste en dunste materialen die we kennen. In dit werk, het team synthetiseerde ultralange koolstofnanobuizen (CNT's) en grafeen met een groot oppervlak om de lengtes van de evenwichtsbalk en ophangdraad aanzienlijk te vergroten om de gevoeligheid van het instrument aanzienlijk te verbeteren. De ontwikkelingsmethode van het apparaat was compatibel met halfgeleiderverwerking voor opname in een 4 bij 4 array op een chip.

Tijdens het ontwerpproces wordt Cong et al. selecteerde een individuele koolstof nanobuis met een diameter van enkele nanometers om de draad te vormen, voor ophanging als een ultralichte straal gemaakt van monolaag grafeen bedekt met aluminiumfilms. Het extreem lage traagheidsmoment van het instrument verminderde de meettijd tot sub-seconden bij kamertemperatuur in vergelijking met het Kappler-instrument, wat uren duurde. Het ontwikkelingsproces van de torsiebalansarray omvatte de vorming van een vrijstaande grafeen CNT-film, die Cong et al. overgebracht op een geprefabriceerde siliciumwafelarray. De wetenschappers brachten vervolgens een individuele koolstofnanobuis (CNT) over naar een met grafeen-CNT (GCF) bedekt substraat als een ophangdraad. Vervolgens brachten ze een dunne laag aluminium aan beide zijden van het substraat aan om een ​​hoogreflecterende spiegel te verkrijgen en verwijderden delen van de grafeen-koolstof nanobuis met behulp van een laser. uiteindelijk, de ultradunne spiegel leek in de lucht te zweven vanwege de onzichtbaarheid van de CNT-draad onder een optische microscoop.

Metingen en gevoeligheidskarakterisering.

Om de invloed van luchtstromen te overwinnen, Cong et al. verzegelde de CNT-torsiebalans in een vacuümkamer en voegde de kamer toe aan een optisch werkstation met een hoogwaardige laminaire stroomisolator om de trillingen en mechanische ruis van de omgeving te isoleren. Tijdens de metingen, de wetenschappers stopten de droge pomp en turbopomp van het systeem en hielden alleen de ionenpomp in stand om de vacuümactiviteit te behouden. Voor de optische meting, het team focuste een laserstraal met een vermogen van een paar microwatt om fotondruk uit te oefenen en de torsiebalans onder een kleine hoek rond de koolstofnanobuis (CNT) draad te laten roteren. Vervolgens maten ze de geïnduceerde hoek met een line array charge-coupled device (CCD) -sensor om de positie van het gereflecteerde licht te detecteren. De potentiële torsie-energie van de spiegel kwam overeen met de theoretische waarden voorspeld door de Brownse bewegingstheorie. Om de prestaties van de balans te begrijpen, Cong et al. voerde optische uitlezingen uit voor 11 verschillende laservermogens op 10 verschillende locaties. De gemiddelde waarden van de torsietrillingsfrequenties veranderden niet met laservermogen. De torsiebalans van koolstofnanobuizen kan de zwakke kracht meten met femtonewton-resolutie, en het laservermogen kan verder worden verminderd om doorbuigingen buiten het bereik te voorkomen. Verdere reducties van het laservermogen hadden een ernstige invloed op de hoekmeting; de onderzoekers stellen daarom voor om een ​​tweede indringende laserstraal te gebruiken om de afbuighoek te detecteren bij het meten van sub-femtonewton-krachten die worden uitgeoefend door een zwakker laserlicht.

Outlook

Op deze manier, Lin Cong en collega's leverden een betrouwbare methode om de torsiebalans te vergemakkelijken om het aantrekkelijk te maken voor toepassingen op de chip. Het team verbeterde de prestaties van de torsiebalans van koolstofnanobuizen met behulp van een koolstofnanobuis met een kleine diameter als ophangdraad. De verwachte zeptonewton-krachtresolutie zou het record van resultaten verkregen bij ultralage temperatuur kunnen breken als een belangrijke doorbraak op het gebied van meting van zwakke krachten. De torsiehoek van de koolstofnanobuis kan continu worden aangepast om de elektronentransporteigenschappen te beïnvloeden die worden geproduceerd via torsiebelasting over een breed bereik. Het huidige onderzoek is voorlopig en kan verder worden verbeterd. De on-chip koolstof nanobuis (CNT) spanningsbalansen die in dit werk worden beschreven, boden een femtonewton-resolutie op basis van een individuele koolstofnanobuis als de ophangdraad en een gealuminiseerd grafeen-CNT (GCF) als de evenwichtsbalk en spiegel. De hoge gevoeligheid en eenvoudige fabricage van de CNT-torsiebalans zal nieuw fundamenteel onderzoek mogelijk maken om zwakke effecten te onderzoeken en nieuwe natuurwetten te bepalen.

© 2021 Science X Network