News: Mikro-Waage für Atto-Massen
An die Vorsilbe Nano haben wir uns ja mittlerweile gewöhnt. Auch Femto, Pico und Atto sind dem einen oder anderen sicherlich ein Begriff. Doch nun steht bereits Zepto in den Startlöchern - zumindest, wenn es um Massenbestimmung geht.
Sie kennen das vom Sprungbrett im Schwimmbad: Belastet durch das Gewicht einer Person federt die Planke eher behäbig auf und ab. Kurz nach dem Absprung vibriert sie hingegen vergleichsweise schnell. Alles eine Frage der Masse, denn diese geht genauso wie die Materialeigenschaften des Bretts in die Bewegungsgleichungen ein. Und hierbei gilt: Umso größer das Gewicht, desto niedriger die Frequenz, mit der das Brett schwingt.
Anwendung findet dieses Prinzip nun weniger bei der Gewichtsbestimmung von Badegästen als vielmehr beim Wiegen kleiner Massen. So befindet sich beispielsweise häufig in Aufdampfanlagen zur Beschichtung von Werkstoffen ein so genannter Schwingquarz, dessen Veränderung der Eigenfrequenz direkt in Zusammenhang mit der Dicke des aufgebrachten Materials steht. Aber auch für ganz kleine Massen taugt die schwingende Waage: Forscher der Cornell University haben zum Beispiel vor drei Jahren ein winziges Federbälkchen genutzt, um die Masse des Bakteriums Escherichia coli zu bestimmen. 665 Femtogramm wiegt das Darmbakterium demnach. Kollegen der Purdue University haben erst vor wenigen Wochen gezeigt, dass die Methode auch für Viren taugt, die nicht mehr als zehn Femtogramm auf die Waage bringen. Aber damit sind die Möglichkeiten längst nicht ausgeschöpft, wie erneut das Team der Cornell-Forscher zeigt.
Für das jüngste Experiment konnten die Wissenschaftler um Rob Ilic die Empfindlichkeit weiter steigern, indem sie das "Nano-Sprungbrett" noch ein wenig kleiner gestalteten als bisher und zudem die Versuche im Vakuum durchführten. Das Federelement aus Silicium und Silicium-Nitrid war dabei lediglich 4 Mikrometer lang und 500 Nanometer breit. In Schwingung wird es beispielsweise von einem Laser versetzt, dessen reflektiertes Licht gleichzeitig dazu dient, die Frequenz zu bestimmen. Typischerweise liegt diese im Bereich von einigen Megahertz. Aber welche Massen lassen sich damit nun bestimmen?
6,3 Attogramm konnten die Forscher bei einem Experiment messen, wobei ein Attogramm einem Trillionstel Gramm entspricht – also eine Eins mit 18 Nullen davor. Damit, so die Forscher, lassen sich selbst die kleinsten Viren noch wiegen. Doch zunächst war es kein Virus, sondern eine organische Schwefelverbindung deren Masse bestimmt wurde. Zuvor hatten die Forscher einen rund 50 Nanometer großen Goldklecks auf die Spitze des frei schwingenden Federbalkens gesetzt. Hieran hafteten die Moleküle der Chemikalie und sorgten so für die charakteristische Frequenzverstimmung der Miniaturstimmgabel.
Aber auch bei Attogramm wird es wohl nicht lange bleiben. Schon jetzt konnten die Forscher beim Experimentieren mit unterschiedlichen Schwingbalkenlängen sowie einer etwas modifizierten Befestigung die minimal zu bestimmende Masse auf 0,37 Attogramm drücken. Damit liegen die Messergebnisse bereits im Bereich von Zeptogramm – ein Zeptogramm ist die Winzigkeit von 10-21 Gramm, eine kaum vorstellbare Größe. So lassen sich also prinzipiell schon große Makromoleküle wie etwa die Erbsubstanz DNA oder Proteine detektieren und identifizieren – einzig eine entsprechende Beschichtung zum Andocken der Biomoleküle ist hier vorher auf den Federbalken aufzubringen. Es scheint also alles nur eine Frage der Zeit, bis den Forschern die Vorsilben für ihre Größenangaben ausgehen.
Anwendung findet dieses Prinzip nun weniger bei der Gewichtsbestimmung von Badegästen als vielmehr beim Wiegen kleiner Massen. So befindet sich beispielsweise häufig in Aufdampfanlagen zur Beschichtung von Werkstoffen ein so genannter Schwingquarz, dessen Veränderung der Eigenfrequenz direkt in Zusammenhang mit der Dicke des aufgebrachten Materials steht. Aber auch für ganz kleine Massen taugt die schwingende Waage: Forscher der Cornell University haben zum Beispiel vor drei Jahren ein winziges Federbälkchen genutzt, um die Masse des Bakteriums Escherichia coli zu bestimmen. 665 Femtogramm wiegt das Darmbakterium demnach. Kollegen der Purdue University haben erst vor wenigen Wochen gezeigt, dass die Methode auch für Viren taugt, die nicht mehr als zehn Femtogramm auf die Waage bringen. Aber damit sind die Möglichkeiten längst nicht ausgeschöpft, wie erneut das Team der Cornell-Forscher zeigt.
Für das jüngste Experiment konnten die Wissenschaftler um Rob Ilic die Empfindlichkeit weiter steigern, indem sie das "Nano-Sprungbrett" noch ein wenig kleiner gestalteten als bisher und zudem die Versuche im Vakuum durchführten. Das Federelement aus Silicium und Silicium-Nitrid war dabei lediglich 4 Mikrometer lang und 500 Nanometer breit. In Schwingung wird es beispielsweise von einem Laser versetzt, dessen reflektiertes Licht gleichzeitig dazu dient, die Frequenz zu bestimmen. Typischerweise liegt diese im Bereich von einigen Megahertz. Aber welche Massen lassen sich damit nun bestimmen?
6,3 Attogramm konnten die Forscher bei einem Experiment messen, wobei ein Attogramm einem Trillionstel Gramm entspricht – also eine Eins mit 18 Nullen davor. Damit, so die Forscher, lassen sich selbst die kleinsten Viren noch wiegen. Doch zunächst war es kein Virus, sondern eine organische Schwefelverbindung deren Masse bestimmt wurde. Zuvor hatten die Forscher einen rund 50 Nanometer großen Goldklecks auf die Spitze des frei schwingenden Federbalkens gesetzt. Hieran hafteten die Moleküle der Chemikalie und sorgten so für die charakteristische Frequenzverstimmung der Miniaturstimmgabel.
Aber auch bei Attogramm wird es wohl nicht lange bleiben. Schon jetzt konnten die Forscher beim Experimentieren mit unterschiedlichen Schwingbalkenlängen sowie einer etwas modifizierten Befestigung die minimal zu bestimmende Masse auf 0,37 Attogramm drücken. Damit liegen die Messergebnisse bereits im Bereich von Zeptogramm – ein Zeptogramm ist die Winzigkeit von 10-21 Gramm, eine kaum vorstellbare Größe. So lassen sich also prinzipiell schon große Makromoleküle wie etwa die Erbsubstanz DNA oder Proteine detektieren und identifizieren – einzig eine entsprechende Beschichtung zum Andocken der Biomoleküle ist hier vorher auf den Federbalken aufzubringen. Es scheint also alles nur eine Frage der Zeit, bis den Forschern die Vorsilben für ihre Größenangaben ausgehen.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.