A evolução das técnicas para o desenvolvimento de sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) vem permitindo que os limites de medição de massas sejam superados cada vez mais.

Em 2004, um grupo da Universidade Cornell, Estados Unidos, liderado por P. McEuen, construiu um dispositivo constituído por um nanotubo de carbono com diâmetro entre um e quatro nanômetros (1 nm = 10-9 m) e com cerca de 1,5 micrômetro (10-6 m) de comprimento, suspenso entre dois eletrodos de ouro e cromo sobre uma placa de silício.

A aplicação de uma tensão elétrica entre o tubo e a placa de silício fazia com que forças eletrostáticas atraissem o tubo na direção na placa. Aplicando-se uma corrente alternada, alternavam-se padrões de atração e repulsão, o que fazia o nanotubo oscilar como um ressonador.

Os pesquisadores demonstraram que a freqüência de oscilação poderia ser ajustada de modo muito fino, permitindo o uso desse NEMS para medir forças muito pequenas, principalmente em temperaturas baixas, próximas do 0 K (-273,15 oC).

Como a freqüência de oscilação depende da massa, a adição de uma massa ao nanotubo, mesmo muito pequena, altera a freqüência. A alteração observada pode ser usada para determinar o valor da massa.

Ressonadores semelhantes já foram usados com fins práticos, como a deteção com alta sensibilidade de bactérias, a determinação da estequiometria de compostos de superfície e para monitorar a poluição do ar. Resoluções de massa abaixo de 7 zeptogramas (1 zg = 10-21 g) já haviam sido alcançadas com ressonadores de silício, a 4,2 K (-268,95 ºC).

Agora, outro grupo formado por pesquisadores do Centro de Investigação em Nanociência e Nanotecnologia (CIN2, CSIC-ICN) de Barcelona e da Universidade Politécnica da Catalunha, ambos da Espanha, liderados por A. Bachtold, conseguiu construir uma “nanobalança” ainda mais sensível, composta por um nanotubo de 1 nm de diâmetro preso entre eletrodos de  ouro e cromo  (Figura 1), obtendo um desempenho excepcional.

Figura 1. Imagem obtida por microscopia eletrônica de varredura mostrando o nanotubo de carbono (seta) suspenso entre os eletrodos (adaptado de Lassagne et al., Nano Lett. 8, 3735 (2008))

Átomos de cromo disparados em direção ao ressonador “grudam” no nanotubo alterando sua massa e, conseqüentemente, sua freqüência de vibração (figura 2). O processo é reversível, permitindo que a nanobalança seja usada várias vezes.

Figura 2. Representação esquemática do experimento usado para determinar a massa de átomos de cromo através da nanobalança. Após aquecimento, os átomos de cromo evaporam e formam um feixe arremessado na direção do nanotubo, que pode ser interrompido com o obturador  (adaptado de Lassagne et al., Nano Lett. 8, 3735 (2008))

A resolução de massa obtida é de 25 zg na temperatura ambiente e de 1,4 zg a 5 K (-268,15 ºC).

Qual é o limite? Segundo os autores, o trabalho agora está voltado para melhorar o esquema de medição, de forma que se possa chegar à resolução limite de massas, que, de acordo com as previsões teóricas, estaria em torno de 1 yoctograma (1 yg = 10-24 g), a massa de um neutron.

Essa resolução abriria uma nova perspectiva para a espectrometria de massas: será possível determinar massas moleculares com precisão subatômica?  Átomos ou moléculas individuais poderão ser colocados sobre o nanotubo de modo a provar a variação nas suas massas? Reações químicas de moléculas orgânicas e biológicas poderão ser monitoradas em tempo real, assim como reações nucleares de átomos individuais?

 

Referências Bibliográficas
 

B. Lassagne, D. Garcia-Sanchez, A. Aguasca, A. Bachtold, Nano Lett. 2008, 8, 3735. 

Y. T. Yang, C. Callegari, X. L. Feng, K. L. Ekinci, M. L. Roukes, Nano Lett. 2006, 6, 583. 

V. Sazonova, Y. Yaish, D. Roundy, T. A. Arias, P. McEuen, Nature 2004,431, 284