קל למדוד את המשקל
שיטה טכנולוגית חדישה שימשה לבניית מאזניים חדישים, המסוגלים "לשקול" מאסות קטנות פי אלף מבעבר
המאזניים העדינים ביותר בעולם, שפותחו לאחרונה על ידי מדענים מאוניברסיטת קורנל בארה"ב, מסוגלים למדוד מאסה של אחד חלקי 10 בחזקת 18 גרם. לשם השוואה, מכשירים קודמים היו יעילים לתחום של אחד חלקי 10 בחזקת 15 גרם – לאמור, מאסות גדולות פי אלף.
קבוצת המחקר, בראשות הרולד קרייגהד (Craighead) עוסקת בהתקנים זעירים, שגודלם יכול להגיע לננומטרים (אחד חלקי 10 בתשיעית מטר) ואף למטה מכך. לשם שעשוע בלבד, ולבעלי אצבעות עדינות במיוחד, נבנתה לפני שנים אחדות בקורנל גיטרה מיקרוסקופית, שגודלה … מיקרומטרים אחדים. כלומר, גיטרה שגודלה בערך כגודלו של תא דם אנושי.
התקן המדידה החדש מתבסס על מעין זרוע, שאורכה 4 מיקרומטרים ורוחבה חלקי מיקרומטר. את הזרוע ניתן להרטיט, וקצב התנודה נקבע על ידי תכונות הזרוע: מאסתה, המבנה וההרכב שלה. בקצה הזרוע מונח האובייקט הנמדד, ותוספת המאסה שלו משנה את קצב התנודה של ההתקן. ניתן למדוד את קצב הרטיטה באמצעות קרן לייזר המוחזרת מהזרוע. מכך ניתן להסיק מהי המאסה הנמדדת.
ראוי לציין כי המערכת אינה "שוקלת" את הגופים, אלא מודדת את מה שמכונה "מאסת ההתמדה" שלהם. המשקל הוא כוח שמקורו בגרוויטציה של כדור הארץ, והוא גדול יותר ככל שמאסת הגוף גדולה יותר. מאזניים לשקילת בני-אדם מודדים כוח זה. כאשר אומרים כי אדם "שוקל" 70 קילוגרם, למעשה הכוונה היא לאומדן מאסת גופו, על-פי משקלו – דהיינו כוח הגרוויטציה שכדה"א מפעיל עליו.
לעומת זאת, מערכת המדידה העדינה החדשה אינה מודדת את המאסה של הגוף באמצעות שקילתו, אלא באמצעות מדידת האינרציה (ההתמדה) שלו. ככל שהמאסה של גוף גדולה יותר, כך קשה יותר לשנות את מהירות הגוף. זוהי התכונה הקרויה אינרציה, וזו למעשה הסיבה שתוספת המאסה משנה את קצב התנודה הטבעי של זרוע מכשיר המדידה הזעיר.
עידון נוסף של ההתקן יכול להוביל למדידות מדויקות עוד יותר, עד אחד חלקי 10 בחזקת 21 גרם. אולם, קיימת מגבלה עקרונית על הדיוק האפשרי בשיטת המדידה הזו, מאחר שהמערכת פועלת בטמפרטורת החדר ולכן מתרחשות בה תנודות אקראיות, תֶרמיוֹת. תנודות חום אלו של הזרוע עשויות לפגוע בדיוק המדידה. לפיכך לא ניתן להקטין את המערכת עד אינסוף, היות שבמערכת קטנה מדי התנודות התרמיות תהיינה משמעותיות. ניתן לייעל את המדידה על ידי הפעלת המערכת בטמפרטורה נמוכה יותר וצמצום המגע התרמי שלה עם הסביבה. בעיה נוספת היא האינטראקציה עם מולקולות הגז בקרבת ההתקן.
התקנים כאלה יכולים לשמש למדידת מאסה של אורגניזמים מיקרוסקופיים – נגיפים וחיידקים - לצורך זיהוים. מדידת מאסה קטנה ככל האפשר אינה התכונה היחידה הרצויה למערכת כזו. מערכת מדידה יעילה תהיה בעלת טווח מדידה רחב – כלומר, דיוקה לא ייפגם גם אם יועמסו עליה מאסות גדולות יותר מהערך המינימלי שהיא יכולה "לשקול". כך יתאפשר למדוד בה מינים שונים של מיקרואורגניזמים, קטנים כגדולים.
