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Sistemi nanoelettromeccanici per il rilevamento di massa

I nanorisonatori meccanici sono tavole miniaturizzate fissate a entrambe le estremità i cui modelli di vibrazione cambiano quando minuscole masse "cadono" su di esse. Gli scienziati hanno sfruttato i nanorisonatori in nuove configurazioni di dispositivi ottenendo risultati eccezionali.
Sistemi nanoelettromeccanici per il rilevamento di massa
I diapason sono un tipo di risonatore meccanico, un dispositivo che vibra a determinate frequenze. I risonatori od oscillatori meccanici vengono utilizzati da oltre un secolo negli orologi dei computer, negli orologi da polso e praticamente in tutti gli strumenti musicali.

Le cose piccole sono diventate davvero grandi negli ultimi 50 anni e i risonatori non fanno eccezione. I nanorisonatori hanno attirato l'attenzione degli scienziati per il loro utilizzo nel rilevamento di masse piccolissime. I nanorisonatori fissati a entrambe le estremità e indotti a vibrare possono rilevare una piccola massa posizionata sopra in seguito all'alterazione dei modelli di vibrazione. Più piccola è la massa del risonatore, maggiore è la sensibilità.

Gli scienziati hanno avviato il progetto ACRES (Array of coupled nanoresonators) per studiare le possibilità offerte dall'accoppiamento o dalla connessione di due o più nanorisonatori insieme. Interazioni non lineari collettive in serie di risonatori meccanici accoppiati potrebbero fornire nuove funzionalità o un'avanzata risoluzione di rilevamento.

I ricercatori hanno scoperto che numerosi fattori attualmente limitano l'applicazione di sistemi accoppiati in sistemi nanoelettromeccanici (NEMS, Nano-Electromechanical System). Forse la più importante è l'inaccuratezza associata all'attrezzatura di produzione. Più piccoli sono i pezzi da lavorare e più rilevanti sono le inaccuratezze, il che richiede meccanismi di compensazione come un accoppiamento o una sintonizzazione attiva più forti.

Gli scienziati ACRES si sono quindi concentrati sui NEMS basati sull'attuazione piezoelettrica (inducendo un movimento attraverso l'applicazione di una piccola tensione) e il rilevamento piezometallico (rilevando il moto del risonatore attraverso un cambiamento a livello di resistività di un loop metallico). Hanno sviluppato una tecnica di trasduzione dei NEMS integrata altamente sensibile. Questo metodo ha utilizzato la deformazione degli strati sottili di metallo per sviluppare le più piccole fonti di frequenza basate su NEMS disponibili finora a temperatura ambiente. Nel corso del progetto, numerose osservazioni importanti hanno portato a pubblicazioni scientifiche.

I risultati del progetto hanno evidenziato le attuali limitazioni al rilevamento di massa sempre più sensibile mediante nanorisonatori meccanici accoppiati. Gli scienziati successivamente hanno sviluppato dispositivi NEMS a partire da materiali piezoelettrici con risultati sorprendenti.

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