Att bygga en nanomanipulator

Nanoteknologer lovar mycket: elektronik smidd av enskilda molekyler, superstarka, lätta material, ultrafina kapslar som transporterar läkemedel till specifika organ eller celler i kroppen. Men för att mixtra med material i den skalan behöver forskare verktyg för att undersöka och knuffa sina osynligt små exemplar. Och tillverkare kommer att behöva utrustning för att massproducera dessa framtida underverk. Sådana instrument är inte billiga. Priset för en nanomanipulator – en maskin som heter så inte för att den är liten i sig utan för att den kan flytta runt saker med nanometerprecision – är tiotusentals dollar. MIT mekanisk ingenjörsprofessor och TR100-utmärkelse Martin Culpepper tror att han kan producera bättre instrument för mindre än $3 000 styck med en annan metod för maskindesign. Befintliga nanomanipulatorer, påpekar han, har fått en massa olika leder och länkar att montera ihop. Eftersom mellanrummen mellan bitarna kan vara många nanometer breda är detta gamla paradigm, som han kallar det, opraktiskt för rörelse i nanoskala. Istället är Culpeppers maskin byggd kring ett stycke som böjs och böjs lite. Han visar TR:s Dan Cho hur man ger supersmå rörelser utan en astronomisk prislapp.





1. Gilla smör. Nanomanipulatorn börjar i en maskinverkstad, där två av Culpeppers doktorander, Soohyung Kim och Nathan Landsiedel, skär bitar av metall. De placerar en tallrik av titan på bädden av en vattenstråleskärare och matar instruktioner från en datorskiva in i den angränsande konsolen. Med ett rörligt munstycke som skjuter en millimeter bred ström av vatten spetsat med granatpartiklar kan maskinen skära komplicerade former på några minuter.

2004 TR100

Den här historien var en del av vårt oktobernummer 2004

  • Se resten av frågan
  • Prenumerera

2. Flextid. Culpepper håller fram en av de nyklippta bitarna. Detta är hjärtat i hans maskin: tre platta remsor som förgrenar sig symmetriskt från ett gemensamt centrum och omges av en trådig ram för att bilda en vag triangel. Det finns ett syfte med denna märkliga geometri. Triangelns centrum, eller scenen, är där en sond skulle fixeras i ett komplett instrument. Du håller dessa tre punkter, säger Culpepper och gör en gest mot tre brickformade fixturer som är upphängda på de böjda armarna mellan triangelns hörn, sedan trycker du var och en av dessa flikar åt sidan eller upp och ner. Han indikerar ändarna på de platta remsorna och visar hur man trycker två flikar mot varandra för att flytta mitten bort från dem båda. Tryck ner alla tre och mitten flyttas uppåt. Genom att trycka på olika kombinationer av flikar kan han få scenen att glida eller vrida sig i vilken riktning som helst. Detta är vad ingenjörer kallar sexaxlig rörelse, något befintliga nanomanipulatorer kämpar för att uppnå.



3. Att bli fäst. Culpepper skruvar fast den flexibla biten på aluminiumbasen på sin maskin. En vridning av en av de långa knopparna som sticker ut från sidorna flyttar den intilliggande brickformade fixturen med några mikrometer. Med dessa rattar kan Culpepper justera triangelns form och anpassa den till olika uppgifter. Vi kan få den att ha ett större eller mindre rörelseomfång, eller finare upplösning, förklarar han, så att folk inte behöver spendera flera tusen dollar bara för att göra en uppgift.

4-5. Prime Movers. Culpepper fäster sedan basen till tre ställdon, komponenterna som trycker och drar de flexibla flikarna på kommando. Varje ställdon består av aluminiumcylindrar inlindade i handlindad koppartråd. Inuti finns långa stavformade bitar täckta på ändarna med starka magneter. När ström passerar genom ledningarna, skapar det ett magnetiskt fält inuti ställdonet, som trycker magneterna och mekanismen åt ena eller andra sidan, eller upp och ner.

6. Mind the Gap. Ovanpå enheten fixar Culpepper en skrymmande bit översållad med ledningar. Denna trehörniga aluminiumkrona innehåller sex cylindriska kapacitanssensorer som exakt övervakar scenens rörelse. Culpepper överväger ett mer kompakt, laserbaserat mätsystem för framtida versioner. Den kan röra sig utan sensorerna, tillägger han, men med de precisionsnivåer vi siktar på är det avgörande att mäta.



7. Tyst löpning . Med nanomanipulatorn monterad och ansluten går Culpepper över till datorn för att testa den. Det är inte mycket för blotta ögat att se, men när han skriver kommandon på tangentbordet utför manipulatorns scen en nanoskala förvrängningsrutin. Culpepper håller ett öga på siffrorna och ser efter oväntade störningar. Luftvibrationer som rörs om av vanliga röstsamtal kan kasta bort scenens position, även om noggrann strukturell design har minimerat denna effekt. Laboratorieinstrument som innehåller manipulatorn – som Culpepper kommer att börja designa i höst – kommer att vara helt skyddade från dessa skakningar. Kupongklippande nanoteknologer kan snart ha anledning att fira.

Dölj