#07i - NANOMECHANIKAI KÍSÉRLETEK - Mechanikai kísérletek a nanométeres mérettartományban Témavezető: dr. VOLK János, Tel.:392-2222,1538, Épület:26, Szoba: 124, E-mail:volk@mfa.kfki.hu,volk.janos@ttk.mta.hu, GEarth:(KFKI_26)

1. ábra. Pásztázó elektronmikroszkóp.

Középiskolai fizika órákon megtanultuk a klasszikus mechanika alaptörvényeit. Tudjuk, hogy a körülöttünk lévő tárgyak milyen feltételek mellett maradnak nyugalomban, ill. hogy a különböző egyenes vonalú és periodikus mozgások milyen erők hatására jönnek létre és milyen módon zajlanak le. A példatárak gyakori feladata egy rugóra akasztott súly hatására létrejövő sztatikus megnyúlás kiszámítása, ill. az egyensúlyi helyzetből való kitérítés hatására létrejövő rezgőmozgásra jellemző fizikai mennyiségek, mint pl. amplitúdó, frekvencia, stb. kiszámítása. Sőt, a fizikaszertár kellékeit felhasználva e kísérleteket gyakorlatban is elvégezhetjük kézbe vehető nagyságú (makroszkopikus) testek felhasználásával. De vajon el tudjuk-e végezni ezeket a statikai és dinamikai kísérleteket egészen parányi méretekben, ahol pl. a laprugó tipikus mérete összemérhető, vagy akár még kisebb is, mint egy bacilusé :-)? A válasz igen!

Például egy 100nm×100nm×10mikron méretű, hosszúkás alakú objektum, vagyis egy ún. nanoszál esetében elvégezhetjük mechanikai méréseket egy speciális fajtájú, nanomegmunkálásra is felkészített pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) segítségével (1. ábra).

Kísérleteink során először cink-oxidból növesztünk majd rendezett nanoszálakat. Ezután néhány kiválasztott nanoszálat egy előre bekalibrált rugóállandójú (k) laprugóval fogunk meghajlítani (2. ábra) egy nanométer precizitású robotkar, egy ún. mikromanipulátor felhasználásával (3. ábra). Ahhoz, hogy mindez nyomon követhető legyen, a kísérletet az elektronmikroszkóp belsejében végezzük el. Néhány jellegzetes hajlítási állapot rögzítése alapján és a középiskolai ismeretek felhasználásával már ki tudjuk számolni a nanoszálra jellemző rugóállandót, ill. az anyagát minősítő ún. hajlítási modulust!

2. ábra. Laprugóval meghajlított nanoszál rajza, és SEM képe.

3. ábra. A robot manipulátor kar és a vezérlője.

4. ábra. Nanoszál modellje végeselem analízishez.

A statikai kísérlet után következhet a dinamika, melynek során ugyanezeket a nanoszálakat egy váltakozó komponenst is tartalmazó feszültségjellel (U=U_DC+U_AC) meg is tudunk "pengetni". A kimért rezonanciafrekvencia értékből ezután kiszámolhatjuk az anyagra és a geometriára jellemző paramétereket, amelyek jelentősen eltérhetnek a makroszkópikus állandóktól. A számításainkat két úton végezzük: egyfelől egy egyszerűsített modellre alkalmazható képlet, másfelől egy gépészetben gyakran használatos számítógépes módszer, az ún. véges elem analízis segítségével (4. ábra).

5. ábra. Hallószőrök.

És hogy mire lehet használni megszerzett ismereteinket és a kidolgozott módszereket? Ez csak a közeljövőben fog kiderülni. Hasonló elven működő eszközöket gyakran képzelnek el atomi érzékenységű mérlegekben, gázmolekulák kimutatására alkalmas detektorokban (www.youtube.com/watch?v=IX-gTobCJHs), de idővel még a mesterséges hallószőrök (5. ábra) megvalósítása sem zárható ki.