W tym wpisie na blogu przyjrzymy się, w jaki sposób efekt piezoelektryczny i oscylatory kwarcowe można wykorzystać do pomiaru niezwykle małych mas, takich jak cząsteczki gazu i DNA, a także zbadamy niektóre z ich zastosowań.
Wagi zazwyczaj mierzą masę, wykorzystując zasadę dźwigni lub mierząc zmiany oporu elektrycznego. Jak więc wagi o ultrawysokiej precyzji mierzą masę mikroskopijnych substancji, takich jak cząsteczki gazu i DNA? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy zrozumieć efekt piezoelektryczny.
Istnieją dwa rodzaje efektów piezoelektrycznych: pierwotny efekt piezoelektryczny, w którym odkształcenie mechaniczne materiału generuje napięcie, oraz wtórny efekt piezoelektryczny, w którym przyłożenie napięcia do materiału powoduje odkształcenie mechaniczne. Materiały, które wykazują oba efekty piezoelektryczne, nazywane są materiałami piezoelektrycznymi, a kwarc jest głównie używany w tym celu.
Kwarc jest szeroko stosowany jako materiał piezoelektryczny ze względu na swoją stabilność i dokładność. Kwarc jest bardzo odpowiedni do precyzyjnych pomiarów, ponieważ utrzymuje stałą strukturę i jest mniej podatny na czynniki zewnętrzne. Kwarc używany jako materiał piezoelektryczny jest cięty i przetwarzany w określonym kierunku, aby utworzyć płaski kształt dysku. Po wykonaniu elektrod po obu stronach dysku, przykładane jest napięcie z naprzemiennymi biegunami (+) i (-), powodując wibracje kwarcu.
Oscylator kwarcowy to urządzenie, które ułatwia pomiar drgań poprzez dopasowanie częstotliwości napięcia do częstotliwości naturalnej kryształu kwarcu, tak aby kryształ kwarcu wibrował szeroko. Częstotliwość naturalna to unikalna częstotliwość drgań obiektu, a nawet w przypadku materiałów piezoelektrycznych z tego samego materiału zmienia się ona w zależności od kształtu i rozmiaru materiału piezoelektrycznego.
Gdy substancja przylega do kwarcowego oscylatora i zwiększa swoją masę, częstotliwość kwarcowego oscylatora, który wibrował z częstotliwością naturalną, maleje. Częstotliwość kwarcowego oscylatora jest bardzo wrażliwa nawet na niewielkie zmiany masy, więc można jej używać do pomiaru masy mikroskopijnych substancji, takich jak cząsteczki gazu i DNA. Czułość masowa wibratora to stopień zmiany częstotliwości podzielony przez mierzoną masę, a czułość masowa wibratora kryształowego jest bardzo wysoka.
Zasada pomiaru masy za pomocą oscylatora kwarcowego może być stosowana do wykrywania stężenia określonego gazu. Gdy oscylator kwarcowy zostanie potraktowany tak, że określony gaz do niego przylgnie, określony gaz przylgnie do niego, powodując zmianę masy i spadek częstotliwości oscylatora kwarcowego. W pewnym momencie częstotliwość oscylatora kwarcowego przestaje spadać i pozostaje stała. Powodem, dla którego częstotliwość pozostaje stała, jest to, że nie więcej niż określona ilość określonego gazu przylgnie do oscylatora kwarcowego. W mieszaninie gazów im wyższe stężenie określonego gazu, tym niższa częstotliwość, przy której częstotliwość pozostaje stała. Czas reakcji jest miarą tego, jak szybko określony gaz przylgnie do oscylatora kwarcowego, a częstotliwość staje się stała. Im krótszy czas reakcji, tym szybciej można zmierzyć stężenie określonego gazu.
Jednakże, jeśli gazy inne niż gaz docelowy przylegają do oscylatora kwarcowego, trudno jest dokładnie zmierzyć stężenie gazu docelowego. Ponadto, nawet jeśli tylko gaz docelowy przylega do oscylatora kwarcowego, nie można określić stężenia tego gazu. Z tego powodu zmiana częstotliwości oscylatora kwarcowego musi być mierzona z wyprzedzeniem zgodnie ze stężeniem gazu docelowego. Czułość na stężenie można uzyskać, dzieląc stopień zmiany częstotliwości oscylatora kwarcowego przez stężenie.
Rezonatory kryształowe są używane w różnych dziedzinach jako ultraprecyzyjne wagi. Na przykład w naukach przyrodniczych mogą być używane do pomiaru stężenia określonych białek lub DNA. W naukach o środowisku są przydatne do pomiaru stężenia zanieczyszczeń w powietrzu, a w medycynie otwierają możliwość pomiaru stężenia określonych wirusów lub bakterii we krwi w czasie rzeczywistym. Jako takie, rezonatory kryształowe są używane jako innowacyjne narzędzia pomiarowe w różnych dziedzinach dzięki swojej czułości i dokładności.
Ponadto postęp technologiczny w kryształach kwarcu w połączeniu z nanotechnologią umożliwia jeszcze dokładniejsze pomiary. Nanotechnologia umożliwia produkcję mniejszych kryształów, które są bardziej wrażliwe na nawet mniejsze zmiany masy. Dlatego oczekuje się, że kryształy kwarcu będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w szerokim zakresie dziedzin w przyszłości.
