Новейшие разработки в мире весов

Работы над совершенствованием весоизмерительного оборудования ведутся с момента появления первых весов, не прекращаются они и сегодня.

Новейшие разработки в мире весов в настоящее время переместились в две области: создание весов атомных и нановесов. Так как именно такие весы позволяют проводить измерения с точностью, которая требуется в настоящее время в НИИ и различных техноёмких отраслях производства.

Атомные весы. Конструкция, принцип работы

Атомные весы относятся к классу прецизионной аппаратуры. Точность измерения подобных весов зависит от геометрии измерительной микроконсоли, использованной в них, и может достигать 10-19 грамма.

Кроме определения массы, конструкция атомных весов позволяет проводить регистрацию поверхностного натяжения и латерального напряжения в тонких плёнках, включая монослойные, могут использоваться в качестве биологических и химических сенсоров, а также жидкостных и газовых анализаторов высокой чувствительности.

Роль измерительного элемента в атомных весах играет консоль миниатюрных размеров. Внешний генератор приводит к возникновению в ней резонансных колебаний. Если при этом к её свободному концу присоединить дополнительную массу, то меняются характеристики колебания (частота, амплитуда, фазы).

То есть, если закрепить на консоли нано- или микрочастицу сорбента, то появляется возможность анализа кинетики сорбции газов указанной наночастицей. Данный способ в настоящее время используется для обнаружения в атмосфере разнообразных примесей (газовых) и паров жидкостей. Делались попытки использования указанного метода в жидких средах, но чувствительность в этом случае весьма значительно понижается, т.к. среды жидкие значительно демпфируют возникающие колебания.

Поэтому в жидких средах используют иной принцип. Здесь регистрируют отклонения кантилевера (статические). Для реализации указанного метода одна из сторон консоли покрывается золотом (тончайшая плёнка).

Осаждение плёнки вещества на ту или иную сторону консоли изгибает последнюю, т.к. изменяется величина поверхностного натяжения, либо в плёнке появляются латеральные напряжения.

Остановимся на каждом из этих методов несколько подробнее. Предварительно следует отметить, что в качестве консоли при выполнении измерений с помощью атомных весов чаще всего используется кантилевер, который уже давно применяется в атомно-силовой микроскопии.

Атомные весы. Метод регистрации латеральных сил в плёнках многослойных

Варианты измерительных датчиков: а – микроконсоль с белковым рецепторным слоем, б – с низкомолекулярным рецептором, в – архитектура силового иммунохимического микроконсольного сенсора.

Массив микроконсолей, имеющих индивидуальные рецепторные слои. Каждая микроконсоль отклоняется в соответствии с величиной изменения поверхностной энергии рецептора. Отклонения консолей фиксируются с помощью лазерно-оптического датчика наноперемещений, заимствованного из атомно-силового микроскопа

В качестве материалов, инициирующих возникновение напряжения в микроконсоли, в современных бисенсорных приложениях выступают:

• низкомолекулярные адсорбируемые вещества;
• ферменты;
• антитела;
• молекулярные комплексы;
• белки;
• аптамеры;
• набухающие плёнки полимерные.

Микроконсольный силовой датчик корректно работает только тогда, когда одна из его поверхностей специфична по отношению к исследуемому веществу. Датчики, как правило, имеют одну специфичную к сорбату плоскость, другая остаётся инертной (см. рис. 1)

От описанного выше принципиально отличается другой способ применения микроконсоли. При связывании с рецептором определяемого вещества на поверхности микроконсоли образуется статическая деформация консоли кремниевой. Величина изгиба последней определяется прецизионно с использованием для указанной цели специальной лазерно-оптической системы.

Измерение массы наночастиц на атомных весах

Атомные весы позволяют взвешивать даже вирусы. В этих случаях применяется метод контроля над изменениями собственных частот, присущих резонансной системе, при возрастании массы последней при добавлении анализируемого вещества.

Погрешности метода измерения массы объектов микромира с использованием кантилевера оцениваются путём сопоставления теоретического расчёта и экспериментальных данных о значении массы, полученных при последовательном закреплении на конце кантилевера, который является свободным, специальных шариков Nanosensors. У современных устройств она не превышает пяти процентов.

Разрешающая способность современных атомных весов позволяет взвешивать одиночные объекты массой в 1пг. Это сопоставимо с массой бактериальной клетки группы E-coli, и на порядок выше традиционно применявшегося ранее метода кварцевого микровзвешивания.

Атомные весы российского производства позволяют решать широкий спектр задач:

• анализ лекарств;
• гормональный контроль;
• детектирование вирусов, бактерий и антител и т.п.

Причём все указанные манипуляции проходят в режиме реального времени. Параллельно в одной пробе можно анализировать несколько веществ, содержащихся в испытуемом материале.

Применение атомных весов не ограничевается медицинской сферой. Их всё более активно используют в атомной и космической промышленности, в фундаментальных научных исследованиях, в иных отраслях, связанных с нанотехнологиями.

Среди весов для потележечного взвешивания вагонов представлены модели как для статического, так и для динамического взвешивания.

По-другому весы для непрерывного взвешивания называются чеквейерами. Подробную информацию о них можно получить в этой статье.

Узнать, где используются пневматические железнодорожные весы, можно по https://kilogramus.ru/vzveshivanie-v-promyshlennosti/pnevmaticheskie-zheleznodorozhnye-vesy.html ссылке.

Нановесы

Проводя исследования свойств нанотрубок, учёные подошли к идее создания нановесов. В качестве весоизмерительного устройства, в которых применены нанотрубки из углерода, чуствительность которых позволяет им реагировать даже на массу вирусов и иных частиц, относящихся к субмикронным.

Из нанотрубок «сплетается» углеродное волокно, к которому присоединяется поводок из золота. Вся конструкция закрепляется на специальном держателе, и располагается на расстоянии порядка 5 – 20 мкм от электрода внешнего.

Подавая на него напряжение, нанотрубку заставляют вибрировать. При этом используется свойство трубки изгибаться под нагрузкой практически на 90 градусов и восстанавливать исходное положение после снятия нагрузки.

Трубка может резонировать в широком диапазоне частот от нескольких сотен кГц до нескольких МГц. При этом линия механического резонанса каждой трубки крайне узкая и прямо зависит от толщины трубки, её длины, упругих свойств и плотности.

В основу работы нановесов положен следующий принцип. Когда на нанотрубку кладётся что-либо, резонансная частота последней меняется.

Последние измерения на российских нановесах позволили взвесить графитовую частицу, имевшую массу 22*10-15 г (22 фемтограмма).

Американским учёным удалось довести указанный показатель до 1,5 фемтограмм.

Использование нановесов и атомных весов позволяет существенно продвинуть фундаментальные научные разработки и применить их для получения изделий, которые можно и нужно производить и использовать уже сегодня.