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 Treibjagd in der Petrischale
24.11.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Dinner in the Dark – ein delikates Wechselspiel der Mikroorganismen
24.11.2017 | Universität Wien

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: Metamaterial mit Dreheffekt

Mit 3D-Druckern für den Mikrobereich ist es Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gelungen ein Metamaterial aus würfelförmigen Bausteinen zu schaffen, das auf Druckkräfte mit einer Rotation antwortet. Üblicherweise gelingt dies nur mit Hilfe einer Übersetzung wie zum Beispiel einer Kurbelwelle. Das ausgeklügelte Design aus Streben und Ringstrukturen, sowie die zu Grunde liegende Mathematik stellen die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Science vor.

„Übt man Kraft von oben auf einen Materialblock aus, dann deformiert sich dieser in unterschiedlicher Weise. Er kann sich ausbuchten, zusammenstauchen oder...

Im Focus: Proton-Rekord: Magnetisches Moment mit höchster Genauigkeit gemessen

Hochpräzise Messung des g-Faktors elf Mal genauer als bisher – Ergebnisse zeigen große Übereinstimmung zwischen Protonen und Antiprotonen

Das magnetische Moment eines einzelnen Protons ist unvorstellbar klein, aber es kann dennoch gemessen werden. Vor über zehn Jahren wurde für diese Messung der...

Im Focus: New proton record: Researchers measure magnetic moment with greatest possible precision

High-precision measurement of the g-factor eleven times more precise than before / Results indicate a strong similarity between protons and antiprotons

The magnetic moment of an individual proton is inconceivably small, but can still be quantified. The basis for undertaking this measurement was laid over ten...

Im Focus: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungen

Forschungsschwerpunkt „Smarte Systeme für Mensch und Maschine“ gegründet

24.11.2017 | Veranstaltungen

Schonender Hüftgelenkersatz bei jungen Patienten - Schlüssellochchirurgie und weniger Abrieb

24.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Maschinen über die eigene Handfläche steuern: Nachwuchspreis für Medieninformatik-Student

24.11.2017 | Förderungen Preise

Treibjagd in der Petrischale

24.11.2017 | Biowissenschaften Chemie