Ny metode måler bevægelser af små enheder - ved hvert trin

(Phys.org) – Producenter af små bevægelige maskiner – den slags, der er øje for nanofremstilling og montering samt andre anvendelser – ved du, hvor dine mikro- og nanorobotter virkelig er?

Vil du satse?

Et team af forskere ved National Institute of Standards and Technology vil sandsynligvis sejre i en sådan hypotetisk indsats. På grundlag af dets overraskende resultater i en krævende undersøgelse af bevægelserne af et eksperimentelt mikroelektromekanisk system (MEMS), holdet kan endda tilbyde bedre end lige odds.

Gruppen sporede, for første gang, trin-for-trin bevægelsen af ​​en MEMS-enhed af standardtype kaldet en "scratch drive-aktuator, "en mikromaskine (120 mikrometer bred, 50 mikrometer lang, og 1,5 mikrometer tyk), der trækker sig over en overflade ved gentagne gange at bøje og slappe af en lille kroget arm. Ved at bruge en ny målemetode tilpasset fra biofysisk forskning med et enkelt molekyle, forskerne sporede og målte hvert af enhedens 500 trin langs en 20 mikrometers sti. De fandt ud af, at de trinvise bevægelser varierede betydeligt, fra blot nogle få nanometer (nm) til næsten 100 nm.

Denne markante variation i trinstørrelser var "uventet, " siger Craig McGray, avisens første forfatter. Typisk, MEMS-forskere har beregnet en gennemsnitlig trinstørrelse, afledt af den samlede afstand tilbagelagt af en enhed over mange driftscyklusser. Det resulterende gennemsnit viser ikke variabiliteten af ​​trinstørrelserne, mens simple modeller af enhedens opførsel har givet det indtryk, at enhederne bevæger sig i ensartede trin.

I stedet, McGray forklarer, "vores metode afslørede meget uregelmæssige trinstørrelser, som hverken var blevet observeret tidligere eller forudsagt af etablerede modeller for MEMS-adfærd."

I deres proof-of-concept eksperiment, NIST-holdet mærkede overfladen af ​​en scratch drive aktuator med fluorescerende nanopartikler. Under et fluorescensmikroskop, nanopartiklerne optrådte som lyspunkter i en stjernelignende konstellation. Positionen af ​​hvert lyspunkt blev målt med overordentlig høj nøjagtighed, gengivelse, hvad der svarer til en række konstellationskort og fanger enhedens position og orientering, når den bevægede sig over en overflade.

Før og efter hvert trin af enheden langs stien, der blev taget to billeder af stjernebilledet. Dataene blev derefter crunched for at bestemme trin-for-trin stigninger og rotationer, og usikkerheden i begge værdier.

Med deres innovative tilgang, NIST-holdet beregnede både størrelsen af ​​hver bevægelse til inden for 1,85 nm, (mindre end bredden af ​​en DNA-streng) og ændringen i enhedens orientering, også til en overordentlig lav usikkerhed. I stedet for en lige linje sammensat af punkter med jævnt mellemrum, enheden tog en noget ujævn rute, der buede lidt, med hvert trin varierende i længde og orientering.

I en efterfølgende test, forskerne målte en anden scratch drive aktuator lavet af samme producent. Resultaterne afveg også uventet og signifikant, som angivet ved en 26,3 nm forskel i gennemsnitlige trinstørrelser.

Selvom de arbejder på at forfine deres super-opløsnings fluorescensmikroskopi, teamet mener, at tilgangen kan være bredt anvendelig inden for ekstremt små elektromekaniske systemer.