211service.com
Een nanomanipulator bouwen
Nanotechnologen beloven veel: elektronica gesmeed uit individuele moleculen, supersterke, lichtgewicht materialen, ultrafijne capsules die medicijnen naar specifieke organen of cellen in het lichaam transporteren. Maar om te sleutelen aan materialen op die schaal, hebben onderzoekers hulpmiddelen nodig om hun onzichtbaar kleine exemplaren te onderzoeken en te duwen. En fabrikanten hebben apparatuur nodig om deze toekomstige wonderen in massa te produceren. Dergelijke instrumenten zijn niet goedkoop. De gangbare prijs voor een nanomanipulator – een machine die zo genoemd wordt, niet omdat hij zelf klein is, maar omdat hij dingen met nanometerprecisie kan verplaatsen – is tienduizenden dollars. Martin Culpepper, professor werktuigbouwkunde aan het MIT en TR100-honneur, gelooft dat hij betere instrumenten kan produceren voor minder dan $ 3.000 per stuk met een andere benadering van machineontwerp. Hij wijst erop dat bestaande nanomanipulatoren een heleboel verschillende verbindingen en verbindingen hebben om samen te voegen. Omdat de openingen tussen stukken vele nanometers groot kunnen zijn, is dit oude paradigma, zoals hij het noemt, onpraktisch voor beweging op nanoschaal. In plaats daarvan is de machine van Culpepper gebouwd rond één stuk dat enigszins buigt en buigt. Hij laat Dan Cho van TR zien hoe hij superkleine beweging kan bieden zonder een astronomisch prijskaartje.
1. Zoals boter. De nanomanipulator begint in een machinewerkplaats, waar twee van Culpeppers afgestudeerde studenten, Soohyung Kim en Nathan Landsiedel, stukken uit metaal sneden. Ze plaatsen een plaat titanium op het bed van een waterstraalsnijder en voeren instructies van een computerschijf naar de aangrenzende console. Met een bewegend mondstuk dat een millimeter brede stroom water spuit, doorspekt met granaatdeeltjes, kan de machine ingewikkelde vormen in enkele minuten snijden.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van oktober 2004
- Zie de rest van het probleem
- Abonneren
2. Flextijd. Culpepper houdt een van de nieuw gesneden stukken voor. Dit is het hart van zijn machine: drie platte stroken die symmetrisch vertakken vanuit een gemeenschappelijk middelpunt en omgeven door een stug frame om een vage driehoek te vormen. Er is een doel in deze merkwaardige geometrie. Het midden, of stadium, van de driehoek is waar een sonde in een compleet instrument zou worden bevestigd. Je houdt deze drie punten vast, zegt Culpepper, wijzend naar drie ringvormige armaturen die aan de gebogen armen tussen de hoeken van de driehoek zijn opgehangen, en dan duw je elk van deze lipjes opzij of op en neer. Hij geeft de uiteinden van de platte stroken aan en laat zien hoe door twee lipjes naar elkaar toe te duwen, het midden van beide wordt verwijderd. Druk op alle drie en het midden beweegt naar boven. Door op verschillende combinaties van tabs te drukken, kan hij het podium in elke mogelijke richting laten schuiven of draaien. Dit is wat ingenieurs beweging met zes assen noemen, iets waar bestaande nanomanipulatoren maar moeilijk mee kunnen omgaan.
3. Gehecht worden. Culpepper schroeft het flexibele stuk op de aluminium basis van zijn machine. Een draai aan een van de lange knoppen die aan de zijkanten uitsteken, verplaatst het aangrenzende ringvormige armatuur met enkele micrometers. Met deze knoppen kan Culpepper de vorm van de driehoek aanpassen en afstemmen op verschillende taken. We kunnen ervoor zorgen dat het een groter of kleiner bewegingsbereik heeft, of een fijnere resolutie, legt hij uit, zodat mensen niet enkele duizenden dollars hoeven uit te geven om slechts één taak uit te voeren.
4-5. Prima verhuizers. Culpepper bevestigt vervolgens de basis aan drie actuatoren, de componenten die op commando de flexibele lipjes duwen en trekken. Elke actuator bestaat uit aluminium cilinders die zijn omwikkeld met handgewonden koperdraad. Binnenin zitten lange staafvormige stukken die aan de uiteinden zijn afgedekt met sterke magneten. Wanneer stroom door de draden wordt geleid, creëert het een magnetisch veld in de actuator, waardoor de magneten en het mechanisme naar de ene of de andere kant of op en neer worden geduwd.
6. Let op de kloof. Bovenop het apparaat bevestigt Culpepper een lomp stuk bezaaid met draden. Deze driehoekige aluminium kroon bevat zes cilindrische capaciteitssensoren die nauwkeurig de beweging van het podium bewaken. Culpepper overweegt een compacter, op laser gebaseerd meetsysteem voor toekomstige versies. Het kan bewegen zonder de sensoren, voegt hij eraan toe, maar op de precisieniveaus die we nastreven, is het van cruciaal belang om te meten.
7. Stil rennen . Met de nanomanipulator in elkaar gezet en aangesloten, stapt Culpepper naar de computer om hem te testen. Het is niet veel voor het blote oog om te zien, maar terwijl hij commando's op het toetsenbord typt, voert het podium van de manipulator een verdraaiingsroutine op nanoschaal uit. Culpepper houdt de cijfers in de gaten en let op onverwachte storingen. Luchttrillingen die worden aangewakkerd door gewone stemgesprekken kunnen de positie van het podium verstoren, hoewel een zorgvuldig structureel ontwerp dit effect heeft geminimaliseerd. Laboratoriuminstrumenten waarin de manipulator is verwerkt - die Culpepper dit najaar gaat ontwerpen - worden volledig beschermd tegen deze trillingen. Nanotechnologen die coupons knippen, hebben misschien binnenkort reden om te vieren.