Йоктограммовый сенсор способен зафиксировать массу отдельного протона. (Рисунок из Nat. Nanotechnol., 2012, DOI: 10.1038/nnano.2012.42)

Новые весы представляют собой одиночную углеродную нанотрубку, подвешенную над углублением (представьте себе мостик, висящий над пропастью). Подвешенная нанотрубка характеризуется определенной частотой колебания, резонансной частотой колебания. Частицы, падающие на нанотрубку, понижают частоту ее резонансного колебания, при этом, большие по массе частицы приводят к более значительному понижению частоты резонансных колебаний – это обстоятельство позволяет, как определять и сам факт взаимодействия частицы с нанотрубкой, так и массу этой частицы.

За последние годы уже было создано несколько наномеханических сенсоров массы, работающих по этому механизму – работа этих сенсоров основывалась на применении кантеливеров либо из пучков углеродных нанотрубок, либо из карбида кремния, однако эти сенсоры не обладали чувствительностью, достаточной для определения массы отдельных молекул или атомов.

Для увеличения чувствительности исследователи из группы Адриана Бачтольда (Adrian Bachtold) из Каталонского Института Нанотехнологии (Барселона) подвесили нанотрубку над очень узким углублением – шириной всего лишь 150 нм – при уменьшении длины нанотрубки происходит большее изменение резонансной частоты. Дополнительными факторами, способствующими увеличению чувствительности, было то, что измерения проводили при ультраразрежении и при температуре 4К, что понижало вероятность искажения измерения за счет влияния нежелательных молекул и электрического шума, но даже и таких мер предосторожности не хватало.

Даже при соблюдении всех мер предосторожности появлялась такая проблема – резонансная частота нанотрубки начинала испытывать флуктуации, принимая различные значения. Эти флуктуации были очень невелики, возможно поэтому до настоящего времени их не удавалось наблюдать никому.

Исследователи предположили, что причина флуктуаций заключалась в перемещении молекул, загрязняющих поверхность нанотрубок, с одного фрагмента нанотрубки на другой. Для проверки этого предположения исследователи провели деликатный обжиг нанотрубки, нагревая ее за счет пропускания по трубке электрического тока с целью удаления загрязнений, и флуктуации резонансной частоты прекратились.

После очистки нанотрубок и установления постоянной частоты собственных колебаний исследователи определили, что полученный ими сенсор способен детектировать отдельные молекулы нафталина (C10H8) и отдельные атомы ксенона – такая чувствительность до настоящего времени не была доступна для существующих систем. На основании экспериментальных результатов исследователи из Барселоны вычислили, что разрешение нового сенсора составляет 1,7 йоктограмм (1.7˙10–24 г), это примерно соответствует массе одного протона.