Šajā emuāra ierakstā mēs detalizēti izpētīsim, kā īpaši precīzi svari izmanto pjezoelektrisko efektu, lai izmērītu ārkārtīgi mazu vielu, piemēram, gāzes molekulu vai DNS, masu.
Svari parasti mēra masu, izmantojot sviras principu vai nosakot elektriskās pretestības izmaiņas. Tātad, kā īpaši precīzi svari mēra sīku vielu, piemēram, gāzes molekulu vai DNS, masu? Lai atbildētu uz šo jautājumu, ir nepieciešams izprast pjezoelektrisko efektu. Pjezoelektriskais efekts ir parādība, kad mehāniska deformācija cietā materiālā izraisa elektrisko reakciju. To iedala primārajā pjezoelektriskajā efektā un sekundārajā pjezoelektriskajā efektā. Primārais pjezoelektriskais efekts rodas, kad mehāniska deformācija materiālā rada spriegumu, savukārt sekundārais pjezoelektriskais efekts rodas, kad sprieguma pielikšana izraisa mehānisku deformāciju. Materiālus, kam piemīt abi šie pjezoelektriskie efekti, sauc par pjezoelektriskiem materiāliem, un kvarcs ir galvenais izmantotais materiāls.
Kvarcs, ko izmanto kā pjezoelektrisku materiālu, tiek sagriezts un apstrādāts noteiktos virzienos, lai izveidotu plakanas, diska formas plāksnes. Pēc tam elektrodi tiek piestiprināti abās diska pusēs. Kad tiek pielikts maiņspriegums ar mainīgiem (+) un (-) poliem, kvarcs vibrē. Kvarca kristāla oscilators tiek izveidots, saskaņojot sprieguma frekvenci ar kvarca dabisko frekvenci, izraisot kvarca vibrāciju ar lielu amplitūdu, padarot vibrāciju vieglāku mērīšanu. Dabiskā frekvence ir objekta raksturīgā vibrācijas frekvence. Pat pjezoelektriskiem materiāliem ar vienādu sastāvu šī frekvence mainās atkarībā no pjezoelektriskā elementa formas un izmēra.
Ja kāda viela pielīp pie kristāla oscilatora, palielinot tā masu, frekvence, ar kādu oscilators vibrē savā dabiskajā frekvencē, samazinās. Kvarca kristāla oscilatora frekvence ir ļoti jutīga pat pret nelielām masas izmaiņām, ļaujot izmērīt tādu sīku vielu kā gāzes molekulu vai DNS masu. Oscilatora masas jutība ir frekvences izmaiņu pakāpe, dalīta ar izmērīto masu; kvarca kristāla oscilatora masas jutība ir ārkārtīgi augsta.
Masas mērīšanas principa piemērošana ar kristāla oscilatoru ļauj noteikt noteiktas gāzes koncentrāciju. Kad kristāla oscilators tiek apstrādāts, lai ļautu tam pielipt noteiktai gāzei, šī gāze pielipst, izraisot masas izmaiņas, kas samazina oscilatora frekvenci. Noteiktā brīdī kristāla oscilatora frekvence pārstāj samazināties un stabilizējas pie nemainīgas vērtības. Šī stabilizācija notiek tāpēc, ka konkrētā gāze nepielipst, pārsniedzot noteiktu robežvērtību. Jauktā gāzē, jo augstāka ir konkrētās gāzes koncentrācija, jo zemāka ir frekvence, pie kuras tā stabilizējas. Ātrumu, ar kādu konkrētā gāze pielipst kristāla oscilatoram, izraisot frekvences stabilizēšanos pie nemainīgas vērtības, sauc par reakcijas laiku. Īsāks reakcijas laiks ļauj ātrāk izmērīt konkrētās gāzes koncentrāciju.
Tomēr, ja pielīp arī citas gāzes, nevis mērķa gāze, precīzi izmērīt mērķa gāzes koncentrāciju kļūst grūti. Turklāt, pat ja pielīp tikai mērķa gāze, tās koncentrāciju nevar tieši noteikt. Tāpēc kristāla oscilatora frekvences izmaiņas ir jāizmēra iepriekš dažādām mērķa gāzes koncentrācijām. Pēc tam, izmērot frekvences izmaiņas maisījumā, kurā mērķa gāzes koncentrācija nav zināma, var noteikt mērķa gāzes koncentrāciju. Dalot kristāla oscilatora frekvences izmaiņas pakāpi ar koncentrāciju, iegūst jutību pret koncentrāciju.
Mērījumus, izmantojot kvarca kristālus, var pielietot ne tikai laboratorijās, bet arī dažādās rūpniecības nozarēs. Piemēram, pusvadītāju ražošanas procesos īpaši precīzas skalas tiek izmantotas, lai mērītu uz substrātiem nogulsnēto materiālu biezumu, tādējādi nodrošinot kvalitātes kontroli. Turklāt biosensoru jomā kvarca kristāli tiek izmantoti, lai noteiktu specifisku olbaltumvielu vai vīrusu klātbūtni. Šīm tehnoloģijām ir izšķiroša nozīme dažādās jomās, piemēram, medicīniskajā diagnostikā, vides monitoringā un pārtikas nekaitīgumā.
Visbeidzot, kvarca rezonatoru potenciālie pielietojumi ir praktiski neierobežoti. Jaunākie pētījumi aktīvi izstrādā jaunas mērīšanas metodes un sensorus, izmantojot kvarca rezonatorus. Piemēri ietver īpaši augstas jutības nanoskalas svarus nanodaļiņu masas mērīšanai un augstas veiktspējas sensorus, kas stabili darbojas ekstremālos apstākļos. Šie tehnoloģiskie sasniegumi vēl vairāk palielinās precīzu mērījumu nozīmi, izmantojot kvarca rezonatorus nākotnē.
