Можно ли узнать, какова масса атома или молекулы. И на каких весах можно их взвесить?

Алина Калинина , г. Томск

На обычных торговых весах точность взвешивания не превышает нескольких граммов. Точность аптечных весов — 5 — 10 мг. Хорошие аналитические весы способны фиксировать микрограммы. Но с меньшими массами весам, использующим земную гравитацию, справиться трудно. Для взвешивания отдельной бактерии, вируса или биологической молекулы был нужен иной подход.

В центре нанотехнологий Корнеллского университета взяли за основу для создания сверхчувствительных весов… доску трамплина для прыжков в воду.

«Трамплин» для микромасс.

Если вы смотрели соревнования по прыжкам в воду, то наверняка замечали, как вибрирует трамплин сразу после прыжка. Причем период колебаний трамплина зависит от его массы — чем она больше, тем период больше.

Понятное дело, для микромасс нужен и соответственно миниатюрный «трамплин». Изготовленный из кремния крошечный кронштейн имеет длину всего 4 мкм и полмикрона в ширину. Без нагрузки он колеблется с частотой 10–15 МГц, то есть 10–15 миллионов колебаний в секунду. Но если на него поместить небольшой груз, частота собственных колебаний системы уменьшается примерно на 50 Гц на каждый аттограмм массы (см. «Подробности для любознательных»).

Собственную частоту кронштейна с образцом определяют, воздействуя на него переменным электрическим полем. Частоту воздействия плавно меняют, наблюдая по отражению лазерного луча за амплитудой колебаний. Как только наступает резонанс и амплитуда колебаний резко увеличивается — измерение сделано, подачу тока тут же прекращают.

Весы-трамплин оказались настолько чувствительны, что, например, для взвешивания бактерий они уже не годятся — тут нужно устройство погрубее. Дело в том, что, например, традиционная для микробиологических исследований Echerichia coll размером 1,4x0,7 микрона весит примерно 660 фемтограммов. Для самых чувствительных в мире весов это слишком большая масса, поэтому бактерию взвешивали на устройстве предыдущего поколения. Различные вирусные частицы весят от 1,5 фемтограмма до 10 аттограммов.

Последнее достижение корнеллских ученых — определение массы одиночной цепочки ДНК. Оказалось, что 1578 нуклеотидов имеют массу около 1 аттограмма. А предельная чувствительность экстремальных корнеллских весов уже перешагнула аттограммовый порог и измеряется сотнями зептограммов.

P.S. И все же абсолютный рекорд принадлежит ныне не Корнеллскому, а Калифорнийскому технологическому университету. Там вместо кремния использовали более твердый карбид кремния, а вместо кронштейна сделали пружинящий мостик длиной 1 мкм и шириной четверть микрона, вибрирующий на частоте около 190 МГц. Это уникальное устройство позволило измерить массу всего в 7 зептограммов, что соответствует 30 атомам ксенона.

Увеличенный фрагмент «трамплина» весов, снятый сканирующим туннельным микроскопом.

Подробности для любознательных

ЧТО СКОЛЬКО ВЕСИТ?..

Один грамм весит один кубический сантиметр воды.

Один миллиграмм (т. е. 10-3 г) — волос средней длины.

Один микрограмм (10-4 г) — пылинка.

Один нанограмм (10-8 г) — колония микробов.

Один пикограмм (10-12 г) — одиночная бактерия.

Один фемтограмм (10-15 г) — вирус.

Один аттограмм (10-18 г) — большая макромолекула.

Один зептограмм (10-21 г) — малая молекула.

Один йоктограмм (10-24 г) — протон.