Als hartspiercellen minder elastisch zijn, heeft men een hartziekte. In de toekomst kunnen medici de elastische eigenschappen van de hartspiercellen nauwkeuriger en betrouwbaarder meten. Een nieuwe, in het Physikalisch-Technisches Bundesanstalt (PTB) ontwikkelde meetinrichting voor het krachtbereik van 10 µN tot 1 pN, kan hierbij helpen.
Medici of biologen die aparte cellen onderzoeken en chemici die de bindingskracht tussen aparte moleculen willen bepalen,moeten de kleinste krachten tot slechts enkele nanoNewton (nN, 10-9 N) of zelfs picoNewton (pN, 10-12 N) kunnen meten. Ook in de industrie worden steeds meer kunststof micro-onderdelen gebruikt, die bij contactmetingen gemakkelijk beschadigen door een te grote tasterkracht. Daarom worden nieuwe eisen gesteld aan aangepaste meetapparatuur zoals tasterapparaten of rasterkracht microscopen: deze tastkrachten moeten steeds nauwkeuriger en betrouwbaarder worden afgesteld.
Gelijksoortige eisen zijn er voor de micro elektronica bij de bepaling van de materiaaleigenschappen van micro- en nano-elektromechanische systemen, die in toenemende mate een toepassing vinden in de alledaagse producten als mobieltjes, MP3-spelers, PC’s en auto’s.
Blik in de kamer van het prototype van de nanokracht meetinrichting met het meetsysteem (links) en het referentiesysteem (rechts). Bij de linker pendel ziet men de linkse buitenste elektrode.
Meetprincipe
Ten einde dergelijke kleine krachten te kunnen meten, ontwikkelde het PTB een prototypesysteem, dat met succes is beproefd. Het meetprincipe berust op een schijvenpendel, die door de te meten kracht moet uitwijken. De uitwijking wordt elektrostatisch met behulp van uitwendige condensatorelektroden gecompenseerd, waarbij de benodigde spanning wordt gemeten.
Naast deze elektrostatische krachtcompensatie komt een elektrostatische stijfheidsreductie. Als de eigen stijfheid van de pendel wordt verminderd van 0,13 N/m naar 0,007 N/m wordt de gevoeligheid van het systeem groter. Om storende seismische trillingen en thermische afwijkingen te compenseren, is naast het eigenlijke meetsysteem een tweede, identiek referentiesysteem geplaatst.
De eerste langdurige metingen met lucht gedurende een periode van 3 uur leverden een ruis (standaardafwijking) van de meetinstallatie op van 160 pN (met een doorvoerfiltergrensfrequentie van 0,02 Hz.) Bij de eerste krachtmeting op de grens van de gevoeligheid van het prototypesysteem werd de kracht bepaald, die de lichtbundel van een He-Ne-laser met een vermogen van 7 mW uitoefent. De gemeten waarde van 38 pN is slechts 9 pN kleiner dan de berekende kracht (uit het lichtvermogen en de reflectiefactor van de schijvenpendel).
Toekomst
De nieuwe installatie is een aanvulling op de onlangs in gebruik genomen normaalkracht meetinrichting voor de kalibrering van krachten in het mN-bereik, die op een ander meetprincipe is gebaseerd. Deze moet in de toekomst worden geoptimaliseerd voor de meting van pN- krachten, waarbij echter de gevoeligheid nog verder moet worden verbeterd. De theoretische analyses gaven een haalbare meetnauwkeurigheid van 1 pN.
De belangrijkste uitdaging bestaat daarbij in de vervaardiging van zo identiek mogelijke meet- en referentieschijven pendelsystemen met zo ideaal mogelijke oppervlakken (oneffenheden binnen 100nm). Een ander speerpunt in het onderzoek is de kalibrering van geschikte krachttransfer normen, die bij toepassing in de industrie kunnen worden gebruikt voor de kalibrering van de kleinste krachten.
