Прибор для измерения сил от 10 микроньютон до 1 пиконьютона
У сердечников клетки сердечных мышц менее эластичны, чем у здоровых людей. Причины этого до сих пор выясняются, равно как и возможные точки приложения для медикаментов. В будущем медики смогут измерять эластичность сердечных мышц с большей точностью и надежностью. В этом им может помочь разработанная в Федеральном физико-техническом ведомстве Германии (PTB) установка для измерения сил в диапазоне от 10 микроньютон до 1 пиконьютона.
Измерение ничтожных для нашего макромира сил в несколько нано- или даже пиконьютонов — насущная потребность и для медиков с биологами, которые изучают отдельные клетки, и для химиков, которым нужно знать, например, силы притяжения между отдельными молекулами. Да и в промышленности появляется все больше микродеталей из искусственных материалов такой степени «нежности», что их легко повредить при контактных измерениях. Отсюда — требования к соответствующим измерительным приборам, таким как контактный щуповый профилограф или растровый силовой микроскоп: силы, прикладываемые ими к исследуемому объекту, должны регулироваться максимально точно и надежно. Подобные требования существуют и в микроэлектронике при определении свойств материалов микро- и наноэлектромеханических систем, которые все чаще применяются в технике повседневного пользования — сотовых телефонах, MP3-плеерах, периферийных устройствах персональных компьютеров и легковых автомобилях.
Для этих задач в PTB был разработан и успешно протестирован опытный образец измерительной системы. Примененный в ней принцип измерений основывается на свойствах дискового маятника, отклоняемого той силой, которую требуется измерить. Отклонение электростатически компенсируется внешним конденсаторным электродом, при этом измеряется напряжение, необходимое для компенсации. К этой электростатической компенсации сил добавляется электростатическая редукция жесткости: с уменьшением собственной жесткости маятника с 0.13 Н/м до 0.007 Н/м чувствительность системы повышается. Чтобы компенсировать возмущающие сейсмические и температурные колебания температуры, рядом с измерительной системой установлена вторая, идентичная — контрольная система.
Первые продолжительные измерения на воздухе в течение трех часов выявили шум (стандартное отклонение) измерительного устройства порядка 160 пН (граница фильтра низких частот — 0.02 Гц). В качестве первого измерения на границе чувствительности системы было выбрано определение силы давления света гелий-неонового лазера с мощностью 7 мВт. Измеренное значение в 38 пН лишь на 9 пН меньше, чем было рассчитано, исходя из мощности света и коэффициента отражения дискового маятника.
С новой системой завершена комплектация запущенной недавно измерительной установки для эталонной калибровки сил в пределах миллиньютонов, которая базируется на другом принципе. В будущем она должна быть оптимизирована для измерений сил в пиконьютоновом диапазоне, правда, для этого ее чувствительность должна быть еще повышена. Теоретический анализ показал, что возможно достижение разрешающей способности до 1 пиконьютона. Существенный вызов заключается при этом в изготовлении идентичных измерительной и контрольной установок на принципе дискового маятника с максимально ровными поверхностями (ровность в пределах 100 нм). Другой важной научной задачей является калибровка подходящих эталонов силового переноса, которые затем могут быть внедрены в промышленность для калибровки малых сил.
По информации: Константин Вегенер, «Российский электронный наножурнал», strf.ru