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Nanorisonatori per rilevamento di massa ad alta risoluzione

Per la prima volta è ora possibile rilevare una massa equivalente a quella di un singolo protone. A tale scopo, gli scienziati europei hanno utilizzato risonatori meccanici straordinariamente leggeri a partire da singoli nanotubi in carbonio.
Nanorisonatori per rilevamento di massa ad alta risoluzione
I ricercatori finanziati dall'UE hanno conseguito risultati rivoluzionari nell'ambito del progetto MACNEMS ("Mechanical amplification in carbon-based nanoelectromechanical systems"). Hanno sfruttato nanorisonatori a partire da nanostrutture basate sul carbonio, nanotubi e fogli di grafene.

Questi sistemi in miniatura hanno masse contenute, mostrano spostamenti relativamente ampi con piccole forze (basse costanti di molla) e/o presentano elevate frequenze risonanti. Come tali, hanno suscitato grande interesse come sensori per masse o forze estremamente piccole.

Tuttavia, un problema insito nel rilevamento del segnale meccanico è l'ampiezza di oscillazione estremamente ridotta dei risonatori di nanotubi e grafene. Se il segnale meccanico viene convertito in uno elettrico e successivamente amplificato con metodi convenzionali, il rumore viene amplificato insieme al segnale.

Gli scienziati che hanno partecipato al progetto MACNEMS hanno prodotto interessanti risultati applicando l'amplificazione parametrica (PA, Parametric Amplification), in cui l'ampiezza di oscillazione viene amplificata attraverso la modifica della costante di molla per migliorare il segnale meccanico (senza amplificare il rumore) prima della conversione in una corrente elettrica.

Per la prima volta in assoluto, i ricercatori hanno ottenuto la dimostrazione della PA con risonatori a base di nanotubi e un aumento di 10 volte dell'ampiezza meccanica. Sorprendentemente, è stata osservata una limitazione dallo smorzamento non lineare generalmente non riscontrata nei nanorisonatori costituiti da semiconduttori o metalli. Sulla base di questo risultato, i partner hanno utilizzato forze motrici estremamente ridotte per ottenere fattori di qualità record dell'ordine di 100 000 con un risonatore di grafene e sono stati in grado di raggiungere una sensibilità di massa corrispondente alla massa di un protone con risonatori meccanici realizzati a partire da nanotubi in carbonio.

Sono in corso ulteriori esperimenti che stanno già dimostrando un'eccezionale sensibilità alla forza. Gli scienziati partecipanti al progetto MACNEMS hanno compiuto importanti progressi nell'uso delle tecniche di amplificazione meccanica dimostrando PA e rilevamento della massa con una risoluzione dell'ordine di un singolo protone. Le informazioni ricavate dagli esperimenti saranno di fondamentale importanza per lo sviluppo di nuovi sistemi nanoelettromeccanici (NEMS, Nanoelectromechanical System) e dispositivi contenenti nanorisonatori.

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