Über die Resonanzschwingungen eines eingespannten Nanoröhrchens können Physiker auf die Masse angedockter Atome zurückschließen.

Bisher sensibelste Waage der Welt entwickelt

Barcelona (Spanien) – Die derzeit genaueste Waage der Welt steht in einem Labor der Universität Barcelona. Sie kann die Masse von einzelnen Atomen bis auf 1,7 Yoktogramm exakt bestimmen. Das entspricht etwa der Masse eines Protons und – umgerechnet in Kilogramm – einer Null hinter dessen Komma 27 weitere Nullen stehen, bevor ein Wert auftaucht. Die Waage selbst besteht aus einem Kohlenstoffnanoröhrchen, dessen schnelle Schwingungen sich verändern, sobald ein Atom andockt. Das Prinzip ist vergleichbar mit einer Gitarrensaite, deren Tonfrequenz sich durch Fingerdruck ändert. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, könnte ihre ultragenaue Waage für das Untersuchen von Oberflächenprozessen und als Nanosensor für chemische Substanzen genutzt werden.

„Eine mögliche Anwendung ist beispielsweise die Analyse von Blutproben durch das Identifizieren von Biomolekülen mittels Massenspektroskopie“, sagt Adrian Bachtold vom Katalanischen Institut für Nanotechnologie. Für die ersten Wiegeversuche nutzten Bachtold und Kollegen jedoch ein Xenon-Atom. Dieses haftete sich unter Vakuum an das tiefgekühlte und etwa 150 Millionstel Millimeter lange Nanoröhrchen. Eingespannt zwischen zwei Elektroden veränderte sich dadurch die Frequenz einer resonanten Schwingung bei etwa zwei Gigahertz.

Wegen der kleinen Frequenzverschiebung veränderten sich auch die elektronischen Eigenschaften des Nanoröhrchen ein wenig. Strom und Spannung konnten die Forscher nun über die angeschlossenen Elektroden messen und damit die Frequenzverschiebung bestimmen. Diese eignet sich wiederum als Maßstab für die Masse des angedockten Xenon-Atoms, das so bis auf 1,7 Yoktogramm genau gewogen werden konnte.

Auf diesem nanomechanischen Messprinzip bauten bereits frühere Nanowaagen auf, erreichten aber nur eine Genauigkeit von einigen 100 Yoktogramm. Doch mit kürzeren Nanoröhrchen und einer effizienten „Reinigung“ von störenden Atomen gelang nun diese Verbesserung der Wägegenauigkeit.