El equilibrio de torsión contiene una barra de equilibrio rígida suspendida por un hilo fino como un antiguo instrumento científico que continúa formando un sensor de fuerza muy sensible hasta la fecha. La sensibilidad de la fuerza es proporcional a las longitudes de la viga y el hilo e inversamente proporcional a la cuarta potencia del diámetro del hilo; por lo tanto, Los nanomateriales que soportan los equilibrios de torsión deberían ser bloques de construcción ideales. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Lin Cong y un equipo de investigación en física cuántica, La microelectrónica y los nanomateriales en China han detallado una matriz de equilibrio torsional en un chip con el nivel de sensibilidad más alto. El equipo facilitó esto utilizando un nanotubo de carbono como hilo y una monocapa de grafeno recubierta con películas de aluminio como haz y espejo. Usando la configuración experimental, Cong y col. midió la fuerza femtonewton ejercida por un láser débil. Los balances en el chip sirvieron como una plataforma ideal para investigar interacciones fundamentales hasta zeptonewton en precisión.

Un papel moderno para los instrumentos científicos antiguos

El péndulo de torsión es un antiguo instrumento científico utilizado para descubrir la ley de Coulomb en 1785 y para determinar la densidad de la Tierra en 1798. El instrumento es útil en una variedad de aplicaciones, incluidas las exploraciones científicas existentes para determinar con precisión la constante gravitacional. El método más eficaz para lograr una alta sensibilidad en la configuración es reducir el diámetro de la rosca de suspensión tanto como sea posible. Por ejemplo, en 1931, Kappler y col. utilizó un hilo de centímetros de largo para desarrollar un equilibrio de torsión altamente sensible para establecer un récord de sensibilidad a la fuerza intrínseca hasta ahora no alcanzada. En el presente, Los nanotubos de carbono forman uno de los materiales más resistentes y delgados que se conocen. En este trabajo, El equipo sintetizó nanotubos de carbono (CNT) ultralargos y grafeno de área grande para aumentar sustancialmente las longitudes de la barra de equilibrio y el hilo de suspensión para mejorar significativamente la sensibilidad del instrumento. El método de desarrollo del dispositivo era compatible con el procesamiento de semiconductores para su incorporación en una matriz de 4 por 4 en un chip.

Durante el proceso de diseño, Cong y col. seleccionó un nanotubo de carbono individual con un diámetro de unos pocos nanómetros para formar el hilo, para suspensión como haz ultraligero de grafeno monocapa recubierto con películas de aluminio. El momento de inercia extremadamente bajo del instrumento redujo el tiempo de medición a menos de segundos a temperatura ambiente en comparación con el instrumento Kappler, que tomó horas. El proceso de desarrollo de la matriz de equilibrio de torsión incluyó la formación de una película CNT de grafeno independiente, que Cong et al. transferido a una matriz de obleas de silicio prefabricadas. Luego, los científicos transfirieron un nanotubo de carbono (CNT) individual a un sustrato cubierto de grafeno-CNT (GCF) como hilo de suspensión. Luego depositaron una fina capa de aluminio en ambos lados del sustrato para obtener un espejo de alta reflectividad y eliminaron partes del nanotubo de grafeno-carbono usando un láser. Por último, el espejo ultrafino parecía flotar en el aire debido a la invisibilidad del hilo CNT bajo un microscopio óptico.

Mediciones y caracterización de sensibilidad.

Para superar la influencia de las corrientes de aire, Cong y col. selló la balanza de torsión CNT en una cámara de vacío y agregó la cámara a una estación de trabajo óptica con un aislador de flujo laminar de alto rendimiento para aislar la vibración y el ruido mecánico del entorno. Durante las mediciones, los científicos detuvieron la bomba seca y la turbobomba del sistema y solo mantuvieron la bomba de iones para retener la actividad de vacío. Para la medición óptica, el equipo enfocó un rayo láser con una potencia de unos pocos microvatios para ejercer presión de fotones y hacer que el equilibrio de torsión girara en un pequeño ángulo alrededor del hilo de nanotubos de carbono (CNT). Luego midieron el ángulo inducido con un sensor de dispositivo acoplado por carga (CCD) de arreglo lineal para detectar la posición de la luz reflejada. La energía potencial de torsión del espejo coincidió con los valores teóricos predichos por la teoría del movimiento browniano. Para comprender el desempeño de la balanza, Cong y col. llevó a cabo lecturas ópticas para 11 potencias láser diferentes en 10 sitios diferentes. Los valores medios de las frecuencias de oscilación torsional no cambiaron con la potencia del láser. El balance de torsión de nanotubos de carbono podría medir la fuerza débil con una resolución de femtonewton, y la potencia del láser podría reducirse aún más para evitar desviaciones fuera de rango. Otras reducciones de la potencia del láser afectaron gravemente a la medición del ángulo; por lo tanto, los investigadores sugieren utilizar un segundo rayo láser de sondeo para detectar el ángulo de deflexión al medir las fuerzas subfemtonewton ejercidas por una luz láser más débil.

panorama

De este modo, Lin Cong y sus colegas proporcionaron un método confiable para facilitar el equilibrio de torsión y hacerlo atractivo para aplicaciones en chip. El equipo mejoró el rendimiento del equilibrio de torsión de nanotubos de carbono utilizando un nanotubo de carbono de pequeño diámetro como hilo de suspensión. La resolución de la fuerza zeptonewton esperada podría romper el récord de resultados obtenidos a temperaturas ultrabajas como un avance importante en el campo de la medición de fuerzas débiles. El ángulo de torsión del nanotubo de carbono se puede ajustar continuamente para influir en las propiedades de transporte de electrones producidas a través de la tensión de torsión en un amplio rango. El estudio actual es preliminar y puede mejorarse aún más. Los equilibrios de tensión de nanotubos de carbono en chip (CNT) detallados en este trabajo ofrecieron una resolución de femtonewton basada en un nanotubo de carbono individual como hilo de suspensión y un grafeno-CNT aluminizado (GCF) como viga de equilibrio y espejo. La alta sensibilidad y la simple fabricación del equilibrio de torsión CNT permitirán nuevas investigaciones fundamentales para explorar los efectos débiles y determinar nuevas leyes de la física.

© 2021 Science X Network