پژوهش‌گران اتریشی موفق به ساخت کوچک‌ترین مشدد نانومکانیکی شده‌اند که تنها از چهار مولکول تشکیل شده است. این پایه‌ی نوسان‌کننده نه تنها در مطالعات بنیادی در فیزیک کوانتوم مورد علاقه است بلکه برای آشکارسازی تک‌اتم‌ها یا مولکول‌ها نیز می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

مشددهای مکانیکی در ابعاد نانو ارتعاش‌کننده‌های کوچکی هستند که در فرکانس‌های تشدید بسیار بالا (اغلب در گستره‌ی مگاهرتز یا گیگاهرتز) نوسان می‌کنند. درنتیجه می‌توان در محدوده‌ی کاربردهایی شامل ارتباطات از راه‌دور و حتی محاسبات کوانتومی از آن‌ها بهره برد. این تشدیدگرها همچنین برای آشکارسازی و تعیین جرم اشیاء کوچک (همچون تک‌مولکول‌های DNA یا ویروس‌ها) استفاده می‌شوند. وقتی یک ذره‌ی کوچک بر روی چنان مشددهایی جذب می‌شود٬ فرکانس ارتعاش آن را تغییر می‌دهد. با بررسی این تغییر می‌توان جرم آن ذره را محاسبه کرد.

تشدیدگرهای کوچک

تیمی که توسط استفان مولیگر (Stefan Müllegger) از دانشگاه یوهانس کپلر در لینز رهبری می‌شود اکنون موفق به ساخت کوچک‌ترین مشددی شده‌اند که تنها از چهار مولکول از α,γ-bisdiphenylene-β-phenylallyl (یا BDPA) تشکیل شده است. در تحقیق پیشین٬ پژوهش‌گران نشان داده ‌بودند که وقتی مولکول‌های BDPA بر روی سطح بلورشناختیِ (۱۱۱) نهشته می‌شود٬ این مولکول‌ها به خوشه‌های مثلثی تفکیک می‌شوند. برخی از این مولکول‌ها به عنوان محل‌های هسته‌بندی عمل می‌کنند و به زنجیره‌ای از مولکول‌ها اجازه می‌دهند تا در یک جهت رشد کرده و ساختارهای تشدیدکننده‌ی کوچک را تشکیل دهند. مولکول‌هایی که در این زنجیره‌ها قرار می‌گیرند در حدود ۰/۷ نانومتر از همدیگر فاصله دارند.

اکنون تیم مشابهی با حرکت دادن نوک یک میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) در طول این زنجیره و اندازه‌گیری جریان الکتریکی کوچک بین این نوک و سطح طلا٬ موفق به تصویربرداری از این مولکول‌ها شده‌اند. این محققان دریافتند که در دمای ۵ کلوین این زنجیره‌ها مانند یک خط باریک از مولکول‌ها ظاهر می‌شوند. با این وجود وقتی دما تا ۲۰ کلوین یا بالاتر افزایش پیدا می‌کند٬ هرچه نوک میکروسکوپ از انتهایی که به سطح طلا ثابت شده است٬ بیشتر در طول زنجیره حرکت می‌کند٬ این مولکول‌ها پهن‌تر به نظر می‌رسند (شکل را ببینید). به گفته‌ی مولیگر و همکارانش این مشاهدات نشان از آن دارد که این زنجیره در حال ارتعاش است.

تصاویر میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی که از زنجیره‌ای از هفت مولکول گرفته شده است. تصویر سمت چپ در دمای ۵ کلوین گرفته شده و نشان می‌دهد این مولکول‌ها حرکتی ندارند. تصویر میانی در دمای ۲۵ کلوین گرفته شده و کشیدگی ظاهری مولکول‌ها به سمت انتهای آزاد زنجیره٬ گواهی است بر اینکه این زنجیره به عقب و جلو ارتعاش دارد. نموداری از مد تحریک در سمت راست نشان داده شده که L طول زنجیره و λ طول‌موج ارتعاش است.

رفتار غیرمنتظره

این تیم خاطر نشان می‌کند که چنان ارتعاشی به دلیل طبیعت پیوندهای مابین این مولکول‌ها (که پیوندهایی نسبتاً ضعیف‌اند) غیرمنتظره است. از نظر تئوری چنان زنجیره‌هایی نبایستی به آن شکل که مشاهده شده تشدید داشته باشد. چون تصور می‌شود چنان ارتعاشاتی تنها در نانوساختارها (مانند گرافن و نانولوله‌های کربنی) رخ دهد؛ ساختارهایی که بواسطه‌ی پیوندهای شیمیایی قوی‌تر در کنار هم قرار گرفته‌اند.

این پژوهشگران همچنین راهی را در پیش گرفته‌اند تا فرکانس این ساختار را با تغییر STM آن اندازه گیری کنند٬ تا بتوان جریان‌های تونل‌زنی را در گستره‌ی فرکانس‌های رادیویی آشکارسازی کرد. آنان دریافته‌اند که یک زنجیره‌ی پنج مولکولی در فرکانس ۹۸ مگاهرتز تشدید می‌کند و درست شبیه ریسمان‌های یک ساز موسیقی این فرکانس‌ها با افزایش طول زنجیره کاهش می یابند. به عنوان مثال یک زنجیره‌ی چهار مولکولی در حدود فرکانس ۱۲۷ مگاهرتز تشدید می‌کند درحالیکه زنجیره‌ی هفت مولکولی در حدود فرکانس ۵۱ مگاهرتز تشدید می‌کند.

به گفته‌ی مولیگر: «مطالعه‌ی ما نشان می‌دهد که میکروسکوپ تونل زنی روبشی با فرکانس رادیویی یک ابزار آزمایشگاهی جدید و مکمل برای توصیف فرآیندهای دینامیکی در ابعاد تک‌مولکولی در علم و تکنولوژی نانو است». وی می‌افزاید: «اکنون امیدواریم سازوکاری که پشت یک ارتعاش زنجیره‌ای از مولکول‌ها وجود دارد را مطالعه کرده و به انطباق بیشتری با STM تغیر یافته‌مان درمورد طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی تک‌مولکول‌ها برسیم».

این تحقیق در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز توصیف شده است.

درباره‌ی نویسنده:

بل دامه (Belle Dumé) کمک ویراستاری در nanotechweb.org است.

منبع:

Tiny mechanical resonator made from just four molecules