Waage für einzelne Atome

Schwingende Nanoröhrchen bilden Grundlage für Massenspektrometer, die auf einem Chip integriert werden können

Atomwaage aus schwingenden Nanoröhrchen
Atomwaage aus schwingenden Nanoröhrchen

Berkeley (USA) - Ein einziges Goldatom wiegt gerade einmal 0,000 000 000 000 000 000 000 329 Gramm. Physikern von der University of California in Berkeley gelang es nun, eine Waage für diese Massen im Yoktogramm-Bereich (10 hoch -24 g) zu bauen. Wie sie in der Fachzeitschrift "Nature Nanotechnology" berichten, nutzten sie dazu doppelwandige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Über variable Schwingungsfrequenzen dieser winzigen "Stimmgabel" lässt sich die Masse der atomaren und elektrisch neutralen Last mit bisher unerreichter Präzision bestimmen.

Kenneth Jensen und seine Kollegen hielten die nur zwei Nanometer dicken Röhrchen an einer Seite fest und schlossen dieses Ende an eine negativ geladene Elektrode an. Das andere Ende dieses nanomechanischen Massenspektrometers kann frei über einer positiv geladenen Elektrode schwingen. Setzt sich nun ein neutrales Goldatom auf dieses freie Ende, ändert sich die Schwingungsfrequenz des Nanoröhrchens. Die Folge: Mehr oder weniger Elektronen können von dem negativ geladenen Röhrchen zur positiv geladenen Elektrode gelangen. Dieser Stromfluss eignet sich als Maßstab für die Röhrchenschwingung und damit auch für die Masse einzelner Atome.

In ersten Messungen bestimmte das Team um Jensen die Masse eines Goldatoms auf 290 Yoktogramm. Damit weichen diese Werte nur wenig von früheren Messungen ab, bei denen elektrisch geladene Goldatome mit elektrischen Spannungsfeldern mehr oder weniger stark beschleunigt wurden und eine Masse von 329 Yoktogramm pro Goldatom ergaben. Der wesentlich Vorteil der Nanoröhrchen-Waage besteht darin, dass auch elektrisch neutrale Partikel gewogen werden können. Damit sind sie gut geeignet für die Analyse von empfindlichen Proben wie beispielsweise Biomoleküle, die in elektrischen Beschleunigungsfeldern zerstört werden könnten.

Da die Nanoröhrchen-Waage sehr viel kleiner aufgebaut werden können als andere Massenspektrometer, denken die kalifornischen Forscher nun daran, ihre Waagen sogar in einen winzigen Chip zu integrieren. Sollte dieser Schritt gelingen, könnten Biologen, Chemiker und Physiker schon bald über eine neue, günstige und hochpräzise Analysemethode für ihre atomaren Proben verfügen.