Wie man ein Atom wiegt - wissenschaft.de
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Wie man ein Atom wiegt

Spanische Forscher haben die wohl genaueste Waage der Welt gebaut: Sie ist in der Lage, auf etwa ein Yoctogramm genau zu wiegen, also ein Quadrillionstel eines Gramms. Damit ermöglicht sie es im Prinzip, zwei Atome allein anhand ihres Gewichts voneinander zu unterscheiden. Ganz so weit ist es allerdings noch nicht: Die Forscher müssen erst noch eine technische Schwierigkeit beseitigen.

Um derartig kleine Massen zu bestimmen, nutzen Forscher bereits seit einigen Jahren das Resonanzprinzip: Man versetzt dazu einen kleinen Hebel oder eine Art Miniatur-Saite innerhalb eines Magnetfelds in Schwingungen, was in einem anliegenden Draht eine Spannung erzeugt. Sobald sich etwas an das schwingende Objekt anlagert, verändert sich dessen Masse und damit auch die Schwingungsfrequenz. Das spiegelt sich in der erzeugten Spannung wider, die sich relativ einfach messen lässt.

Die besten Ergebnisse ließen sich bisher erzielen, wenn Forscher Kohlenstoffnanoröhrchen einsetzten ? kleine zylinderförmige Gebilde, die aussehen, als wäre eine dünne Graphitschicht zu einem Rohr gerollt worden. Der bisherige Rekord für eine Waage mit einer solchen Bauart lag bei 200 Yoctogramm. Das war genau genug, um ein einzelnes Proteinmolekül zu vermessen.

Kleinerer Schwingungsbereich, große Wirkung

Doch die Spanier um Adrian Bachtold vom Katalanischen Institut für Nanotechnology in Barcelona haben diesen Wert jetzt weit unterboten. Sie nutzten zwar ein ähnliches Messprinzip für ihre Superwaage, reduzierten aber die Länge des freischwingenden Teils des Nanoröhrchens: Er liegt größtenteils auf einer festen Unterlage auf, überspannt aber etwa in der Mitte eine kleine Rille, ähnlich wie eine Brücke ein Tal. Dieses Stück, das nur 150 Nanometer ? also Millionstel Millimeter ? breit ist, ist der eigentliche Messbereich. Diese extrem kurze Strecke habe den Vorteil, dass sich selbst dann eine Veränderung der Vibration erkennen lasse, wenn sich nur einige wenige Atome dort anheften, erläutern die Wissenschaftler.

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Und noch eine weitere Verbesserung hat das spanische Team eingebaut: Vor jeder Messung schicken die Forscher elektrischen Strom durch das Nanoröhrchen, der es kurzfristig kräftig aufheizt. Dadurch befreien sie es von Verunreinigungen, die die Messung stören könnten, und lösen alle bereits angedockten Atome und Moleküle ab. Das eigentliche Wiegen findet dann im Vakuum bei einem Druck von lediglich zehn hoch minus 14 Bar und bei einer Temperatur von minus 269 Grad, knapp über dem absoluten Nullpunkt, statt.

Auf dem Weg zur Atomwaage

Erste Tests seien bereits sehr vielversprechend verlaufen, sagen die Forscher. Sie haben beispielsweise einzelne Xenon-Atome in die Messkammer gelassen und tatsächlich eine systematische Veränderung der Spannung messen können. Theoretisch, zeigten Berechnungen auf Basis dieser Ergebnisse, sollte die Waage eine Masse auf etwa 1,5 Yoctogramm genau bestimmen können ? und damit ein einzelnes Proton wiegen, dessen Masse 1,7 Yoctogramm beträgt.

Bisher gibt es allerdings ein Problem: So klein 150 Nanometer Schwingungsstrecke auch sein mögen, sie sind nicht klein genug. Denn es macht einen deutlich messbaren Unterschied, ob sich ein Atom am Rand der Röhrchen-Brücke anheftet oder in der Mitte. Die Forscher wollen daher als nächstes einen Teil des Nanoröhrchens chemisch so verändern, dass sich ausschließlich dort Atome und Moleküle anlagern können. Sollte das gelingen, könnte die Waage beispielsweise genutzt werden, um verschiedene Substanzen in einer Mischung allein anhand des Gewichts einzelner Moleküle oder sogar Atome zu identifizieren.

Julien Chaste (Catalan Institute of Nanotechnology, Barcelona) et al.: Nature Nanotechnology, Online-Vorabveröffentlichung, doi:10.1038/nnano.2012.42 © wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
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