8 dec. 2010
2 minuten
Minieme trillende ‘duikplankjes’ zijn wellicht te gebruiken als bouwstenen voor een energiezuinige, mechanisch werkende computer, zo blijkt uit onderzoek aan de TU Delft. Deze plankjes kunnen bij bepaalde aandrijffrequenties en aandrijfkrachten in twee stabiele toestanden verkeren en daartussen ‘schakelen’. Die toestanden zouden als ‘0’ en ‘1’ kunnen fungeren in een mechanisch werkende computerbit. Ook is dit trillingsgedrag te gebruiken om sensoren nog gevoeliger te maken. Het onderzoek van dr. Warner Venstra is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Applied Physics Letters.
Warner Venstra, onderzoeker bij het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft, bracht een siliciumnitride ‘duikplankje’ van 30 micrometer lang en 200 nanometer dik heftig in trilling. Het plankje is daarbij aan één kant ingeklemd en verbonden aan een piëzokristal dat in trilling wordt gebracht wordt door een wisselspanning. Het geheel vindt in vacuüm plaats om hinderlijke interacties met de lucht te vermijden.
Resonantie
In een dergelijke opstelling gaat het plankje heftig trillen bij een bepaalde frequentie, de zogenaamde resonantie-frequentie. Bij die frequentie hoort ook een maximale uitwijking van het plankje. Tenminste, als er een relatief kleine kracht wordt uitgeoefend.
Als er een relatief grote kracht wordt uitgeoefend, zo blijkt uit de experimenten van Venstra, dan wordt het beeld langzaam complexer. Boven een bepaalde kracht, blijkt het plankje bij één aandrijffrequentie namelijk in twee toestanden te kunnen verkeren: één toestand waarbij het plankje met een grote uitwijking trilt en één toestand waarin het plankje met een kleine uitwijking trilt.
Venstra is de eerste onderzoeker die dit fenomeen onder goede experimentele condities heeft bestudeerd en in overeenstemming heeft gebracht met de natuurkundige theorie.
Mechanische versterker
Het plankje kan van de ene stabiele toestand naar de andere springen, door de aandrijfkracht of de aandrijffrequentie variëren. Welke toestand het wordt, is ook nog eens afhankelijk van de ‘voorgeschiedenis’, dus bijvoorbeeld vanaf welke frequentie het plankje ‘komt’ (hoger of lager dan de resonantiefrequentie).
Venstra heeft al toepassingen in gedachten. "Deze duikplankjes worden veel gebruikt om zeer kleine krachten en massa’s te detecteren. Met het getoonde principe kan dit type sensoren nog gevoeliger worden gemaakt. Een minieme verandering in kracht of massa, die anders moeilijk te meten is, kan de trilling van de ene toestand naar de andere brengen. Zo’n grote overgang is veel gemakkelijker te detecteren. Je zou dit principe een mechanische versterker kunnen noemen."
Mechanische bit
"Het principe kan ook worden gebruikt voor digitale computerschakelingen", vervolgt Venstra. "De situatie met twee stabiele toestanden is immers vergelijkbaar met een computerbit die op ‘0’ of ‘1’ staat. Zo’n mechanisch werkende computer is langzamer dan gebruikelijk maar heeft een aantal voordelen. Met minuscule mechanische onderdeeltjes, kan men berekeningen in beginsel op een zeer energiezuinige manier uitvoeren. Ook zouden mechanische computers blijven werken in omgevingen waar elektronica het begeeft, zoals bij zeer hoge temperaturen."
Venstra heeft in zijn experimenten laten zien dat de duikplankjes kunnen worden gebruikt als bouwsteen voor een dergelijke computer. "Door de aandrijfkracht licht te variëren kan de mechanische bit worden geschakeld tussen ‘0’ en ‘1’. Aangezien de trillingstoestand afhankelijk is van de voorgeschiedenis, kan de duikplank tevens worden gebruikt om informatie vast te houden. Het duikplankje functioneert dan als een mechanisch computergeheugen."
Anderen lazen ook
