A balança de torção contém uma barra de equilíbrio rígida suspensa por um fio fino como um instrumento científico antigo que continua a formar um sensor de força muito sensível até hoje. A sensibilidade à força é proporcional aos comprimentos da viga e da rosca e inversamente proporcional à quarta potência do diâmetro da rosca; Portanto, nanomateriais que suportam os equilíbrios de torção devem ser blocos de construção ideais. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Lin Cong e uma equipe de pesquisa em física quântica, microeletrônica e nanomateriais na China detalharam uma matriz de equilíbrio torcional em um chip com o nível de sensibilidade mais alto. A equipe facilitou isso usando um nanotubo de carbono como fio e uma monocamada de grafeno revestida com filmes de alumínio como viga e espelho. Usando a configuração experimental, Cong et al. mediu a força femtonewton exercida por um laser fraco. Os balanços no chip serviram como uma plataforma ideal para investigar interações fundamentais de até zeptonewton em precisão.

Um papel moderno para instrumentos científicos antigos

O pêndulo de torção é um antigo instrumento científico usado para descobrir a lei de Coulomb em 1785 e para determinar a densidade da Terra em 1798. O instrumento é útil em uma gama de aplicações, incluindo explorações científicas existentes para determinar com precisão a constante gravitacional. O método mais eficiente para alcançar alta sensibilidade na configuração é reduzindo o diâmetro da rosca de suspensão tanto quanto possível. Por exemplo, em 1931, Kappler e col. usou um fio de centímetros de comprimento para desenvolver um equilíbrio de torção altamente sensível para estabelecer um recorde para uma sensibilidade de força intrínseca até então não atingida. Atualmente, os nanotubos de carbono formam um dos materiais mais fortes e finos conhecidos. Nesse trabalho, a equipe sintetizou nanotubos de carbono ultralongos (CNTs) e grafeno de grande área para aumentar substancialmente os comprimentos do feixe de equilíbrio e do fio de suspensão para melhorar significativamente a sensibilidade do instrumento. O método de desenvolvimento de dispositivo era compatível com o processamento de semicondutor para incorporação em uma matriz 4 por 4 em um chip.

Durante o processo de design, Cong et al. selecionou um nanotubo de carbono individual com um diâmetro de alguns nanômetros para formar o fio, para suspensão como um feixe ultraleve feito de grafeno monocamada revestido com filmes de alumínio. O momento de inércia extremamente baixo do instrumento reduziu o tempo de medição para sub-segundos à temperatura ambiente em comparação com o instrumento Kappler, que demorou horas. O processo de desenvolvimento da matriz de equilíbrio de torção incluiu a formação de um filme CNT de grafeno independente, qual Cong et al. transferido para uma matriz de wafer de silício pré-fabricada. Os cientistas então transferiram um nanotubo de carbono individual (CNT) para um substrato coberto de grafeno-CNT (GCF) como um fio de suspensão. Eles então depositaram uma fina camada de alumínio em ambos os lados do substrato para obter um espelho de alta refletividade e removeram partes do nanotubo de grafeno-carbono usando um laser. Em última análise, o espelho ultrafino parecia flutuar no ar devido à invisibilidade do fio CNT sob um microscópio óptico.

Medições e caracterização de sensibilidade.

Para superar a influência das correntes de ar, Cong et al. selou a balança de torção CNT em uma câmara de vácuo e adicionou a câmara a uma estação de trabalho óptica com um isolador de fluxo laminar de alto desempenho para isolar a vibração e ruído mecânico do ambiente. Durante as medições, os cientistas pararam a bomba seca e a bomba turbo do sistema e apenas mantiveram a bomba de íons para reter a atividade do vácuo. Para a medição óptica, a equipe focou um feixe de laser com potência de alguns microwatts para exercer pressão de fótons e fazer com que o equilíbrio de torção gire em um pequeno ângulo em torno do fio do nanotubo de carbono (CNT). Eles então mediram o ângulo induzido com um sensor de dispositivo acoplado de carga de matriz de linha (CCD) para detectar a posição da luz refletida. A energia potencial de torção do espelho está de acordo com os valores teóricos previstos pela teoria do movimento browniano. Para entender o desempenho da balança, Cong et al. conduziu leituras ópticas para 11 diferentes potências de laser em 10 locais diferentes. Os valores médios das frequências de oscilação torcional não se alteraram com a potência do laser. O balanço de torção do nanotubo de carbono pode medir a força fraca com resolução de femtonewton, e a potência do laser pode ser reduzida ainda mais para evitar desvios fora do alcance. Reduções adicionais da potência do laser afetaram severamente a medição do ângulo; os pesquisadores, portanto, sugerem o uso de um segundo feixe de laser de sondagem para detectar o ângulo de deflexão ao medir as forças subfemtonewton exercidas por uma luz laser mais fraca.

Panorama

Desta maneira, Lin Cong e colegas forneceram um método confiável para facilitar o equilíbrio de torção e torná-lo atraente para aplicações no chip. A equipe melhorou o desempenho do equilíbrio de torção do nanotubo de carbono usando um nanotubo de carbono de pequeno diâmetro como fio de suspensão. A resolução esperada da força zeptonewton poderia quebrar o recorde de resultados obtidos em temperatura ultrabaixa como um avanço importante no campo da medição de força fraca. O ângulo de torção do nanotubo de carbono pode ser ajustado continuamente para influenciar as propriedades de transporte de elétrons produzidas por meio de deformação de torção em uma ampla faixa. O estudo atual é preliminar e pode ser melhorado ainda mais. Os balanços de tensão do nanotubo de carbono (CNT) on-chip detalhados neste trabalho oferecem resolução de femtonewton com base em um nanotubo de carbono individual como o fio de suspensão e um grafeno-CNT (GCF) aluminizado como o feixe de equilíbrio e espelho. A alta sensibilidade e a fabricação simples da balança de torção CNT permitirão novas pesquisas fundamentais para explorar os efeitos fracos e determinar novas leis da física.

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