Создан микрофон размером с одну молекулу
 Структурная схема молекулы дибензотеррилена. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Обнаружение колебаний и движений в очень малых масштабах необходимо для дальнейшего развития новой области - наномеханики, изучающей механические свойства наноразмерных систем. Создание датчиков малых движений в перспективе может привести к разработке высокочувствительных методов измерения квантовых эффектов в наносистемах, к примеру, крошечных вибрирующих консолей.
Согласно последней работе ученых из University of Bordeaux (Франция), для получения информации об очень малых перемещениях или механических колебаниях может использоваться детектор, состоящий всего из одной молекулы. Принцип действия такого детектора основан на идее, что электронные состояния некой «инородной» молекулы, внедренной в измеряемую матрицу молекул, могут влиять на состояния этих молекул и наоборот. Если молекулы в измеряемой матрице вдруг становятся ближе (к примеру, в связи с некоторой механической деформацией матрицы), взаимодействие между электронными облаками «инородной» молекулы и молекул матрицы слегка изменит электронные состояния первой. Этот сдвиг может быть точно зарегистрирован, благодаря измерению частоты излучаемого света, в частности, в ходе флуоресценции «инородной» молекулы при переходе электрона из возбужденного состояния в невозбужденное.
Чтобы увидеть этот сдвиг, требуется определенная энергия перехода, иными словами, она не должна быть размыта слишком большим количеством движений молекул матрицы. Поэтому подобные эксперименты проводятся при очень низких температурах. Группа исследователей из University of Leiden (Нидерланды) в рамках своей работы предложила систему, удовлетворяющую этим требованиям, что позволило подтвердить предположения французских коллег на практике.
В качестве детектора группа из Нидерландов использовала органическую молекулу дибензотеррилена (DBT). Они добавляли подобные молекулы в матрицу молекул кристалла антрацена, заботясь о том, чтобы каждая «инородная» молекула была изолирована от других. Кристалл антрацена, размеры которого не превышали нескольких сотен микрометров в поперечнике, размещали на «камертоне» из кварца, вибрацией которого можно было управлять при помощи электроники. Эти колебания периодически сжимали и растягивали решетку кристалла, вызывая периодические изменения в области расположения каждой «инородной» молекулы и, следовательно, частоты электронного перехода в ней. В результате, как и ожидалось, интенсивность наблюдаемой флуоресценции, возбуждаемой лазером, изменялась с той же частотой.
Надо отметить, что каждая молекула дибензотеррилена была размещена в своей собственной среде (в связи с несовершенством кристалла антрацена), поэтому команда настроила частоту лазера так, чтобы стимулировать флуоресценцию только из одной молекулы единовременно. Исследователи включали вибрацию и измеряли излучение от одной молекулы (фотон за фотоном) в течение 1 секунды. Когда они превратили эти данные в колебания интенсивности, в зависимости от частоты, пики колебаний совпали с пиками вибрации кварца. Таким образом, измерения доказали, что одна молекула действительно может обнаружить периодические искажения в кристаллической структуре.
Наблюдавшиеся вибрации сжимали и растягивали весь кристалл на несколько десятых нанометра. Это означает, что методика позволяет наблюдать локальные деформации на уровне 10-14 м (что лишь немного больше диаметра протона). Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Исследователи считают, что методику вполне можно адаптировать для обнаружения акустических сигналов в произвольных конфигурациях молекул. Правда, это будет довольно сложно, если учесть необходимость калибровки отклика системы во всех трех измерениях.
Также по теме:
- Предложен способ измерения параметров изолированных молекул
- Двумерные материалы повышают точность спектроскопии комбинационного рассеяния
- Японские ученые предложили новый биосенсор
- Самый маленький в мире наномеханический резонатор
- Разработан оптический пинцет для управления нанометровыми объектами
Источники: