Группа исследователей из России, Беларуси и Испании, включая профессора МФТИ Юрия Лозовика, разработала на основе углеродных нанотрубок микроскопический датчик силы. Устройство описано в статье, которая опубликована в журнале Computational Materials Science и также доступна в виде препринта.
Ученые предложили использовать две нанотрубки, одна из которых представляла собой длинный цилиндр с двойными стенками толщиной в один атом. Эти трубки размещаются торцами напротив друг друга и к ним прикладывается электрическое напряжение, после чего по цепи потечет ток около десяти наноампер. Углеродные стенки трубок сами по себе являются неплохим проводником, а через промежуток между торцами двух разных нанотрубок ток проходит за счет туннельного эффекта: квантового явления, суть которого заключается в переходе электронов сквозь непреодолимый в рамках классической механики барьер.
Такой ток, называемый туннельным током, широко используется на практике. Существуют, например, туннельные диоды: в них ток протекает свозь потенциальный барьер p-n перехода. Другой пример — сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), в котором поверхность образца сканируется особо тонкой иглой под напряжением. Игла скользит вдоль поверхности и по величине протекающего по ней тока можно определить расстояние до образца с такой точностью, что при помощи СТМ удается обнаружить выступы высотой в один атом. Зависимость туннельного тока от расстояния между торцами нанотрубок была использована авторами новой публикации для того, чтобы определить взаимное положение углеродных нанотрубок и за счет этого узнать величину действующей на эти нанотрубки внешней силы.
Новый датчик позволяет контролировать положение коаксиальных цилиндров в двухслойных нанотрубках и за счет этого, например, определять растяжение нанообъекта, к которому прикреплены электроды. Выполненные исследователями расчеты указывают на возможность регистрировать силы в несколько десятых наноньютона (10-10 ньютона). Для наглядности укажем, что вес бактерии составляет около 10-14 ньютонов, а вес комара — несколько десятков микроньютонов (10-5 ньютон); впрочем, предложенное физиками устройство может найти применение вовсе не в микровесах.
Двуслойная коаксиальная нанотрубка может быть уподоблена микроскопическому цилиндру с выдвижным поршнем. Такая система уже рассматривалась рядом других специалистов как потенциальная деталь для наномашин различного рода. Подобные нанотрубки предлагаются на роль микроманипуляторов, соединительных «шпилек» для составных механизмов и их, возможно, даже удастся использовать для хранения данных: положение внутреннего «поршня» будет кодировать один или несколько бит информации.
Кроме того, расчеты продемонстрировали возможность создания комбинированного устройства, в котором внутри двуслойной углеродным нанотрубки находятся магнитные фуллерены. При помещении в магнитное поле возникнет сила, которую можно будет измерить за счет изменения туннельного тока. Это, в свою очередь, превратит датчик силы в датчик магнитного поля.
