Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nano- und Pikokräfte messen

23.01.2009
Neue PTB-Anlage misst Kräfte von einzelnen Zellen und Molekülen

Wer herzkrank ist, dessen Herzmuskelzellen sind weniger elastisch. Warum das so ist, wird zurzeit noch erforscht, ebenso wie mögliche Ansatzpunkte für Medikamente.

In Zukunft können die Mediziner die elastischen Eigenschaften der Herzmuskelzellen genauer und zuverlässiger messen. Eine neue in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelte Messeinrichtung für den Kraftbereich von 10 µN bis 1 pN könnte ihnen dabei helfen.

Kleinste Kräfte bis hinunter zu wenigen Nano- oder gar Pikonewton zu messen ist eine Aufgabe für Mediziner oder Biologen, die einzelne Zellen untersuchen, aber auch für Chemiker, die die Bindungskräfte zwischen einzelnen Molekülen ermitteln wollen. Und auch in der Industrie werden immer mehr Kunststoff-Mikroteile eingesetzt, die beim taktilen Messen mit zu großer Antastkraft leicht verkratzen. Daher ergeben sich neue Anforderungen an die entsprechenden Messgeräte wie Tastschnittgeräte oder Rasterkraftmikroskope: Ihre Tastkräfte müssen immer genauer und zuverlässiger eingestellt werden. Vergleichbare Anforderungen gibt es auch in der Mikroelektronik bei der Bestimmung der Materialeigenschaften von Mikro- und Nano-elektromechanischen Systemen, die zunehmend Einzug in Alltagsprodukte wie Handys, MP3-Player, PC-Peripherie und PKWs halten.

Um derartig kleine Kräfte zu messen, wurde in der PTB ein Prototypsystem entwickelt und erfolgreich erprobt. Sein Messprinzip beruht auf einem Scheibenpendel, das von der zu messenden Kraft ausgelenkt wird. Die Auslenkung wird elektrostatisch mit Hilfe vom äußeren Kondensatorelektroden kompensiert, gemessen wird die aufzuwendende Spannung. Zu dieser elektrostatischen Kraftkompensation kommt die elektrostatische Steifigkeitsreduktion: Indem die Eigensteifigkeit des Pendels von 0,13 N/m auf 0,007 N/m verringert wird, erhöht sich die Empfindlichkeit des Systems. Um störende seismische Schwingungen und thermische Driften zu kompensieren, ist neben dem eigentlichen Messsystem ein zweites, identisches Referenzsystem angebracht.

Erste Langzeitmessungen an Luft über einen Zeitraum von 3 Stunden ergaben ein Rauschen (Standardabweichung) der Messeinrichtung von 160 pN (Tiefpassfiltergrenzfrequenz: 0,02 Hz). Als erste Kraftmessung an der Grenze der Empfindlichkeit des Prototypsystems wurde die Kraft bestimmt, die der Lichtdruck eines He-Ne-Lasers mit einer Leistung von 7 mW ausübt. Der gemessene Wert von 38 pN ist nur um 9 pN kleiner als die (aus Lichtleistung des Lasers und Reflexionsfaktor des Scheibenpendels) berechnete Kraft.

Die neue Anlage ergänzt die kürzlich in Betrieb genommene PTB-Kraftnormalmesseinrichtung zur rückführbaren Kalibrierung von Kräften im mN-Bereich (PTB-news 08.2: http://www.ptb.de/de/publikationen/news/html/news082/artikel/0822.htm), die auf einem anderen Messprinzip basiert. Sie soll zukünftig noch für die Messung von pN-Kräften optimiert werden, wofür allerdings ihre Empfindlichkeit noch weiter verbessert werden muss. Theoretische Analysen ergaben eine erreichbare Kraftauflösung von 1 pN. Die wesentliche Herausforderung besteht dabei in der Fertigung möglichst identischer Mess- und Referenzscheibenpendelsysteme mit möglichst idealen Oberflächen (Ebenheiten im Bereich von 100 nm). Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Kalibrierung von geeigneten Krafttransfernormalen, die dann in der Industrie zur Kalibrierung kleinster Kräfte eingesetzt werden können.

Ansprechpartner:
U. Brand, PTB-Arbeitsgruppe 5.11 Nanokraftmesstechnik für taktile Sensoren, Tel.: (0531) 592-5111, E-Mail: uwe.brand@ptb.de

Erika Schow | idw
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de
http://www.ptb.de/de/publikationen/news/html/news082/artikel/0822.htm

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zebras: Immer der Erinnerung nach
24.05.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

nachricht Wichtiges Regulator-Gen für die Bildung der Herzklappen entdeckt
24.05.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten