เครื่องชั่งไวที่สุดในโลกสามารถวัดถึงระดับยอกโตกรัม (มวลของโปรตอน)

วิเชียร รตนธงชัย
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ทีมนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันนาโนเทคโนโลยีแห่งคาตาลัน (Catalan Institute of Nanotechnology) ของประเทศสเปน กล่าวว่า อุปกรณ์นี้สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของมวลได้ถึงระดับยอกโตกรัม (yoctogram) หรือเทียบเท่ามวลของอนุภาคโปรตอน

ในเครื่องชั่งระดับแมโคร (macro-scale) ที่ใช้กันทั่วไปนั้น เราใช้แรงโน้มถ่วงในการวัดมวล ส่วนในสเกลระดับไมโครนั้น มีปัจจัยมากมายที่มีผลรบกวนต่อการวัด นักวิทยาศาสตร์ที่ Universitat Aut?noma de Barcelona ได้ประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องชั่งที่ 1 สเกล ทำด้วยท่อนาโนคาร์บอน 1 ท่อ ทำให้สามารถวัดหน่วยของมวลได้ด้วยความแม่นยำที่ระดับต่ำสุดถึง ยอกโตกรัม (yoctogram) หรือ 1/1000000000000000000000000 (septillionth) หรือ 10^-24  กรัม ซึ่งเท่ากับมวลของโปรตอน 1 อนุภาค และทำให้สามารถวัดมวลได้ต่ำกว่าการทดลองก่อนหน้านี้ 100 เท่า

เครื่องชั่งที่มีสภาพไวสูงอย่างไม่น่าเชื่อนี้ ทำให้สามารถใช้วัดผลต่างของความถี่ในการสั่น (vibrational frequency) ซึ่งท่อนาโนคาร์บอน 1 ท่อ มีความยาวประมาณ 150 นาโนเมตร (nm) มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.7 นาโนเมตร ทั้งสองด้าน ขณะที่ตรงกลางจะแคบลงจนมีขนาด 1 นาโนเมตร นั้นถูกแขวนอยู่ ท่อนาโนมีความถี่เรโซแนนซ์ของการสั่น (resonant vibrational frequency) ประมาณ 2 จิกะเฮิร์ตซ์ (gigahertz, GHz) เมื่อมีส่วนเล็ก ๆ มาติดที่ผิวหน้า จะทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ของการสั่นเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งใช้ในการวัดมวลได้ และสามารถแยกแยะมวลได้ถึงระดับยอกโตกรัม (yoctograms) หรือ 1.7 ? 10^-24 กรัม ซึ่งเป็นมวลของโปรตอน

เพื่อให้การชั่งมีความแม่นยำที่สุด ในการทดลองทำการวัดที่อุณหภูมิต่ำมาก (-269 ^oC) เพื่อลดการสั่นเนื่องจากความร้อน วางชุดทดลองไว้ที่ห้องสุญญากาศ เพื่อลดการรบกวนจากอะตอมอื่น ๆ ใช้ความดันสูงมาก (10-14 บาร์) และต้องอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีการรบกวนจากเครื่องมือหรือกระแสไฟฟ้า ด้วยอุปกรณ์ท่อนาโนเรโซเนเตอร์สภาพไวสูงนี้ นักวิจัยสามารถตรวจวัดอะตอมเดี่ยวของซีนอน (xenon) และโมเลกุลของแนฟทาลีน (naphthalene, C₁₀H₈) ที่วางอยู่บนผิวหน้าของท่อนาโนเรโซเนเตอร์

Rachel McKendry นักวิทยาศาสตร์นาโน (nanoscientist) ที่มหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอน (University College London) กล่าวว่า “การวัดมวลด้วยสภาพไวระดับยอกโตกรัมของทีม Catalan นี้ เป็นสิ่งที่น่าตื่นตาตื่นใจ ความท้าทายในก้าวต่อไป จะเป็นการผลิตเครื่องตรวจวัดด้วยท่อนาโนให้มีราคาถูก สำหรับนำมาใช้ในงานประจำ”

อุปกรณ์ของนักวิทยาศาสตร์ชาวสเปนนี้ จะเป็นแนวทางในการเพิ่มศักยภาพของการวัดมวลที่น้อยมาก ๆ แม้ว่าการหาค่าของอนุภาคภายในอะตอมอยู่เกินพิสัยของการวัด แต่ก็ทำให้การวัดมวลหรือสเปกโทรสโกปีมวล (mass spectroscopy) มีความเที่ยงตรงสูงขึ้นมาก นอกจากนั้น ธาตุที่แตกต่างกันในตัวอย่างที่อาจมีมวลต่างกันไม่กี่โปรตอน ก็สามารถแยกแยะได้ด้วยการวัดของท่อนาโนคาร์บอนเรโซเนเตอร์นี้ได้

จาก The most sensitive scale in the world can measure to the yoctogram (proton’s mass)

• http://www.zmescience.com
  
• http://www.tgdaily.com

โพสต์เมื่อ : 11 เมษายน 2555