Gevoeligste weegschaal ter wereld weegt yoctogram
Hoe weeg je een atoomkern tot op een proton nauwkeurig? Antwoord: met een weegschaal die nauwkeurig genoeg is om de kleinst gehanteerde eenheid van massa te registreren, het yoctogram.
Individuele atomen wegen wordt nu voor het eerst in de menselijke geschiedenis mogelijk.
Hoeveel is een yoctogram?
De eenheid van massa in het Système International, het internationale standaardensysteem, is het kilogram. Eigenlijk is deze keuze verwarrend. Een duizendste deel van het kilogram is het gram. Een ton, 1000 kg, is een megagram (Mg). Kleinere gewichtseenheden dan het gram zijn, steeds in trappen van een duizendste, een milligram (een suikerkorrel), een microgram (een stofje), een nanogram (een gemiddelde lichaamscel), een picogram (de massa van het DNA in deze cel), een femtogram (de massa van een doorsnee virusdeeltje), een attogram (tien hemoglobinemoleculen), een zeptagram (een buckybal, een moleculaire voetbal van rond de zestig koolstofatomen) en tot slot het yoctogram (een proton en neutron hebben een massa van rond de 1,6 yoctogram). Een yoctogram, 10-27 kilogram, is dus extreem weinig.
- De massa van individuele atomen kan nu vastgesteld worden door ze rechtstreeks te wegen.
Nanobuisjes
Een standaard weegschaal werkt hier allang niet meer. De kleinste gewichten worden daarom gemeten met behulp van koolstof nanobuisjes, die afhankelijk van de massa van de deeltjes die er aan kleven, met verschillende frequenties trillen. Tot nu toe slaagden onderzoekers er in met deze techniek een massa met een nauwkeurigheid van 100 yoctogram te meten – ongeveer een ijzeratoom. Om ook individuele atomen te kunnen wegen, gebruikten Adrian Bachtold en zijn collega’s van het Catalaanse Instituut voor Nanotechnologie in Barcelona korte nanobuisjes. Deze geven de nauwkeurigste resolutie en functioneren nog steeds bij de extreem lage temperaturen die nodig zijn voor deze meting.
Bij deze nauwkeurigheid zal zelfs een enkel atoom de meting ernstig verstoren. Bachtold verwijderde daarom rondzwervende atomen door tijdelijk de temperatuur van de buisjes te verhogen, zodat alle (van der Waals-)bindingen met aan de buisjes klevende atomen werden verwijderd.
Vervolgens was de sensor in staat een atoom van het edelgas xenon te wegen tot op 1,7 yoctogram nauwkeurig. Hierdoor kon het aantal deeltjes in de kern van het xenonatoom exact bepaald worden, immers protonen en neutronen hebben een massa van rond de 1,7 yoctogram. Collega-nanotechnologen, zoals Rachel McKendry van University College London, zijn zeer onder de indruk, maar noemen het goedkoop fabriceren van nanobuisjes-sensoren aan de lopende band nog een pittige technische uitdaging.
Bachtold hoopt dat de sensor kan worden gebruikt om verschillende elementen in chemische monsters vast te stellen zonder chemische reacties te gebruiken. Ook kunnen kleine verschillen in moleculaire massa een signaal zijn voor afwijkingen in de stofwisseling, dus ziekte. Een methode om individuele atomen te kunnen wegen en scheiden is ook van essentieel belang bij het winnen van grondstoffen met behulp van nanotechnologie.
Bronnen
A nanomechanical mass sensor with yoctogram resolution, Nature Nanotechnology (2012), DOI: 10.1038/NNANO.2012.42
World’s most sensitive scales detect a yoctogram, New Scientist (2012)