Opbygning af en nanomanipulator

Nanoteknologer lover meget: elektronik smedet af individuelle molekyler, superstærke, lette materialer, ultrafine kapsler, der transporterer medicin til bestemte organer eller celler i kroppen. Men for at pille ved materialer i den skala har forskere brug for værktøjer til at sondere og skubbe deres usynligt små prøver. Og producenterne får brug for udstyr til at masseproducere disse fremtidige vidundere. Sådanne instrumenter er ikke billige. Den gældende pris for en nanomanipulator - en maskine, som ikke hedder sådan, fordi den er lille i sig selv, men fordi den kan flytte rundt på ting med nanometerpræcision - er titusindvis af dollars. MIT mekanisk ingeniørprofessor og TR100-belønnet Martin Culpepper mener, at han kan producere bedre instrumenter for mindre end $3.000 stykket ved at bruge en anden tilgang til maskindesign. Eksisterende nanomanipulatorer, påpeger han, har fået en masse forskellige led og led til at samle sammen. Fordi mellemrummene mellem stykkerne kan være mange nanometer brede, er dette gamle paradigme, som han kalder det, upraktisk for nanoskalabevægelse. I stedet er Culpeppers maskine bygget op omkring ét stykke, der bøjer og bøjer sig en smule. Han viser TRs Dan Cho, hvordan man giver supersmå bevægelser uden et astronomisk prisskilt.





1. Ligesom smør. Nanomanipulatoren begynder i et maskinværksted, hvor to af Culpeppers kandidatstuderende, Soohyung Kim og Nathan Landsiedel, skærer stykker ud af metal. De placerer en plade af titanium på sengen af ​​en vandstråleskærer og fører instruktioner fra en computerdisk ind i den tilstødende konsol. Med et bevægeligt mundstykke, der skyder en millimeter bred vandstrøm med granatpartikler, kan maskinen skære komplicerede former i løbet af få minutter.

TR100 fra 2004

Denne historie var en del af vores oktoberudgave fra 2004

  • Se resten af ​​problemet
  • Abonner

2. Flextid. Culpepper holder et af de nyklippede stykker frem. Dette er hjertet i hans maskine: tre flade strimler, der forgrener sig symmetrisk fra et fælles center og omgivet af en trådet ramme for at danne en vag trekant. Der er formål i denne mærkelige geometri. Trekantens centrum eller trin er det sted, hvor en sonde ville blive fikseret i et komplet instrument. Du holder disse tre punkter, siger Culpepper og peger mod tre skiveformede armaturer ophængt på de bøjede arme mellem trekantens hjørner, så skubber du hver enkelt af disse tapper til siden eller op og ned. Han angiver enderne af de flade strimler og demonstrerer, hvordan skubbes to tapper mod hinanden, flytter midten væk fra dem begge. Tryk ned på alle tre, og midten bevæger sig opad. Ved at skubbe på forskellige kombinationer af faner kan han få scenen til at glide eller dreje i enhver mulig retning. Dette er, hvad ingeniører kalder seks-akset bevægelse, noget eksisterende nanomanipulatorer kæmper for at opnå.



3. At blive vedhæftet. Culpepper bolter det fleksible stykke fast på aluminiumsbunden af ​​sin maskine. Et vrid på en af ​​de lange knopper, der stikker ud fra siderne, flytter den tilstødende skiveformede armatur med nogle få mikrometer. Med disse knapper kan Culpepper justere trekantens form og indstille den til forskellige opgaver. Vi kan få det til at have et større eller mindre bevægelsesområde eller en finere opløsning, forklarer han, så folk ikke skal bruge flere tusinde dollars bare for at udføre én opgave.

4-5. Prime Movers. Culpepper fastgør derefter basen til tre aktuatorer, de komponenter, der skubber og trækker de fleksible tapper på kommando. Hver aktuator består af aluminiumscylindre pakket ind i håndviklet kobbertråd. Indvendigt er der lange stangformede stykker, der er dækket af enderne med stærke magneter. Når strøm føres gennem ledningerne, skaber det et magnetisk felt inde i aktuatoren, der skubber magneterne og mekanismen til den ene eller anden side eller op og ned.

6. Mind the Gap. På toppen af ​​enheden fikserer Culpepper et omfangsrigt stykke oversået med ledninger. Denne trehjørnede aluminiumskrone indeholder seks cylindriske kapacitanssensorer, der præcist overvåger scenens bevægelse. Culpepper overvejer et mere kompakt, laserbaseret målesystem til fremtidige versioner. Den kan bevæge sig uden sensorerne, tilføjer han, men med de præcisionsniveauer, vi sigter efter, er det afgørende at måle.



7. Silent Running . Med nanomanipulatoren samlet og tilsluttet, træder Culpepper over til computeren for at teste den. Det er ikke meget for det blotte øje at se, men mens han taster kommandoer ind på tastaturet, udfører scenen i manipulatoren en nanoskala forvrængningsrutine. Culpepper holder øje med tallene og holder øje med uventede forstyrrelser. Luftvibrationer tilskyndet af almindelige stemmesamtaler kan slå scenens position af, selvom omhyggeligt strukturelt design har minimeret denne effekt. Laboratorieinstrumenter, der inkorporerer manipulatoren - som Culpepper vil begynde at designe til efteråret - vil være fuldt beskyttet mod disse rystelser. Kuponklippende nanoteknologer kan snart have grund til at fejre.

skjule