Nano-optomechanischer Schwingungssensor für Flüssigkeiten

Winzige, schwingende Nanohebel taugen als extrem empfindliche Waagen, um die Masse von einzelnen Bakterien, Viren und Biomolekülen zu bestimmen. Dazu ermittelt man über einen reflektierten Laserstrahl Änderungen der resonanten Schwingungsfrequenzen. Auf dem gleichen Prinzip baut nun ein nano-optomechanische Resonator auf, um die Eigenschaften von Flüssigkeiten schnell und mit hoher Genauig­keit messen zu können. Einen ersten Prototyp dieses Analyse­instruments entwickelten französische Forscher an der Université Paris Diderot.

„Nach unserem Wissen haben wir damit die ersten nano-opto­mechanischen Experimente in flüssiger Umgebung durchgeführt“, sagt Ivan Favero von der Arbeitsgruppe Matériaux et Phénomènes Quantiques. Zusammen mit seinen Kollegen züchtete er mit epitaktischen Methoden auf einem Chip ein Areal aus kristallinen Scheiben aus Galliumarsenid und Aluminium­gallium­arsenid. Gelagert auf ebenfalls filigranen Nanosäulen wiesen die Scheiben Durchmesser zwischen zwei und sechs Mikrometer bei einer Dicke von 320 Nanometern auf. Über einen Wellenleiter koppelten die Wissenschaftler Infrarot­licht von 1300 Nanometern Wellenlänge in diese Scheiben ein.

Auf diese Resonator-Scheiben tropften die Forscher je einen Mikroliter verschiedener transparenter Flüssigkeiten, um sie völlig zu bedecken. Parallel nahmen sie über die Wellenleiter ein Transmissions­spektrum einzelner Scheiben im Infrarotbereich auf. Dieses zeigte Änderungen in der Lage und in der Breite der Resonanzen in Abhängigkeit von den Flüssigkeiten. Die Empfindlichkeit dieser Messmethode reichte aus, um selbst die sehr schwachen thermischen Fluktuationen der Scheibe (Brownsche Bewegung) in Luft und in den Flüssigkeiten messen zu können.

Die Analyse der Messdaten ergab, dass sich aus den Änderungen der Transmissionspektren auf die Eigenschaften der schwingungs­dämpfenden Flüssigkeiten schließen ließ. So konnten Favero und Kollegen wichtige Parameter wie Viskosität, Dichte und Ausbreitungs­geschwindigkeit für Schallwellen schnell und mit hoher Genauigkeit messen. Dichte­schwankungen ließen sich auf den Bruchteil eines Milligramms pro Kubikmeter und Viskositäten mit einer relativen Genauigkeit von 5 × 10^-12 bestimmen.

Dieses Experiment, das sich noch im Status der Grundlagenforschung befindet, eröffnet eine neue Methode, um Eigenschaften von Flüssigkeiten sehr schnell mit hoher Genauigkeit zu messen. Gelingt in Zukunft die Integration in Lab-on-Chip-Module, könnte das Verfahren für bio­medizinische Anwendungen und in der chemischen Industrie eine große Bedeutung erlangen.

Jan Oliver Löfken

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