Крутильный маятник на одной углеродной нанотрубке

Исследователи из Штутгарта и Монпелье изготовили шедевр миниатюризации - крутильный маятник на одной углеродной нанотрубке. Пробное тело упруго колебалось на этом маятнике, даже будучи развернутым на 180 градусов.

Углеродным нанотрубкам прочат роль главных "строительных кирпичиков" нанотехнологии и наноэлектроники будущего. Благодаря своим выдающимся механическим, электронным и оптическим свойствам, нанотрубки зачастую представляют собой самые настоящие научные наноприборы, созданные самой природой и уже готовые к использованию: пробирки, транзисторы, весы, термометры. Теперь к этому списку добавился еще один прибор - крутильный маятник.

Обычный крутильный маятник - это тело, подвешенное на тонкой нити. Под действием совсем небольших вращающих усилий тело на нити поворачивается на заметный угол, а если воздействие прекратится, то тело начнет периодически вращаться то в одну, то в другую сторону. Это позволяет физикам регистрировать сверхслабые воздействия: именно с помощью крутильного маятника изучаются такие слабые силы, как, например, гравитационное притяжение двух тел.

Повышение точности экспериментов с крутильными маятниками предъявляет требования и к самой нити, на которой подвешивается тело: она должна быть как можно тоньше и должна создавать абсолютно упругую возвращающую силу даже при кручении на большой угол. А в условиях, когда стремительно приближающаяся эра нанотехнологий требует и миниатюризации всех микромеханических приборов, идея использовать в качестве нити для крутильного маятника одну-единственную углеродную нанотрубку напрашивается сама собой.

Именно это и удалось реализовать на практике исследователями из Института Макса Планка в Штутгарте и Университета Монпелье II, статья которых была опубликована на днях в журнале Science (J. C. Meyer, M. Paillet and S. Roth, Science, 309, 1539 (2 September 2005)). На фотографиях, полученных с помощью просвечивающего электронного микроскопа, виден металлический кусочек микронных размеров, прикрепленный к одной-единственной одностенной нанотрубке, который под воздействием внешних сил мог разворачиваться на большие углы и крутиться вокруг оси. Самое важное достижение заключалось в том, что нанотрубка от таких вращений не ломалась: возвращающая сила оставалась чисто упругой, даже если тело разворачивали на 180 градусов.

Практические приложения этого устройства очевидны: сверхчувствительные механические приборы, сверхминиатюрные зеркала и прочие микроустройства, требующие разворота на заданный угол. Однако авторы работы подчеркивают, что сконструированная ими система интересна и с чисто научной точки зрения. Во-первых, в таком эксперименте можно легко выяснить хиральность нанотрубки, т. е. установить, в каком именно направлении закручивается углеродная спираль. Во-вторых, из-за очень малой "жесткости" маятника даже слабейшие воздействия на пробное тело можно непосредственно видеть на фотографии или даже в обычный оптический микроскоп. Например, согласно оценкам, тепловое дрожание при комнатной температуре будет приводить к дрожанию подвешенной пластинки на 3 градуса. Можно даже попытаться воочию увидеть и квантовые колебания такой пластинки, однако для этого потребуется несколько уменьшить систему: квантовые угловые колебания для описанного в статье тела составляют всего лишь одну угловую секунду.