Nanoresonatoren für hochempfindliche Massendetektion
EU-geförderte Forscher haben im Rahmen des Projekts "Mechanical amplification in carbon-based nanoelectromechanical systems" (MACNEMS) bahnbrechende Entwicklungen erzielt. Die entwickelten Nanoresonatoren bestehen aus kohlenstoffbasierten Nanostrukturen, Nanoröhrchen und Graphenplättchen. Die Miniatursysteme weisen geringe Massen, relativ große Verschiebungen mit kleinen Kräften (niedrige Federkonstanten) und/oder hohe Resonanzfrequenzen auf. Als Sensoren für extrem kleine Massen oder Kräfte erregten sie damit großes Interesse. Die sehr kleine Schwingungsamplitude von Nanoröhrchen und Graphen-Resonatoren bei der mechanischen Signalerfassung ist jedoch ein inhärentes Problem. Wird das mechanische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt und auf herkömmliche Weise verstärkt, dann wird mit dem Signal zugleich auch das Rauschen verstärkt. Die MACNEMS-Wissenschaftler erzielten spannende Ergebnisse mit einer parametrischen Verstärkung (Parametric Amplification, PA), welche durch Verändern der Federkonstante die Schwingungsamplitude des mechanischen Signals verstärkt (ohne Rauschverstärkung), bevor es in ein elektrisches umgewandelt wird. Die Forscher konnten so erstmals eine PA demonstrieren, deren Nanoröhren-Resonatoren eine zehnmal höhere mechanische Amplitude erzielten. Überraschenderweise trat eine nichtlineare Dämpfung auf, die in Nanoresonatoren aus Halbleitern oder Metallen bisher unbekannt war. Infolge dieser Entdeckung setzten die Partner kleinere Antriebskräfte ein, um mit einem Graphen-Resonator 100.000-mal höhere Aufzeichnungsqualitäten zu erzielen; mithilfe mechanischer Resonatoren aus Kohlenstoffnanoröhrchen wurden Massenempfindlichkeiten im Proton-Maßstab erreicht. Weitere Experimente sind im Gang und zeigen bereits außerordentliche Kräfteempfindlichkeit. Die Wissenschaftler von MACNEMS haben wichtige Fortschritte für mechanische Verstärkungstechniken, PA und Massedetektion mit Auflösungen in Proton-Größenordnungen erzielt. Aus den Experimenten wurden bedeutende Erkenntnisse für die Entwicklung neuartiger nanoelektromechanischer Systeme (NEMS) und Nanoresonator-Messgeräte gewonnen.
