Einstieg in die Pico-Technologie

Die Nano-Technologie handelt von Strukturen, die nicht mehr sinnvoll in Mikrometern gemessen werden. Es geht dabei um Strukturen von unter 0,1µm oder 100nm. Es fällt allgemein schon schwer, sich eine Größe in diesen Dimensionen vorstellen. Nano steht aber nicht, was vielleicht auch nahe läge, für den fragenden Ausdruck des Erstaunens, sondern ist das griechische Wort für Zwerg. :-s

Solange jeder noch über Nano-Technologie spricht ist Zeit, sich auf die Pico-Technologie vorzubereiten. Pico ist das lateinische Wort für klein auf und ist auch im Wort Piccolo bekannt, einer 0,2 Liter Flasche. Nano steht schon für etwas sehr kleines, doch immerhin wäre eine Nannolo nach dieser Bezeichnungsweise eine riesige 200 Liter Flasche. Soviel zur Einführung. [-(

Zum Einstieg in die Pico-Technologie soll hier Erfahrung mit Größenbezeichnung 100pico erprobt werden. Es soll beschrieben werden, mit welchen möglichst einfachen (nahezu haushaltsüblichen) Mitteln die Grundgrößen des physikalischen Messsystems m; kg; s; A in Maßstäben der Pico-Technologie gemessen oder anschaulich gemacht werden können. Wenn nicht anders möglich soll es auch erlaubt sein, eine Änderung um diesen Betrag zu messen oder anschaulich zu machen.
Das wären dann
a.) 100pm
b.) 100pkg
c.) 100ps
d.) 100pA
Manfred

Für einen, für den der Umgang mit SMD-Bauteilen durchaus schon nano-technologischen Character hat, ist die Pico-Technologie absolut faszinierend.
Bin mal gespannt, was da jetzt kommt.

:mrgreen: es ist sicher eine bayerische Eigentümlichkeit, Fremdworte erstmal durch Getränkeverpackungen zu illustrieren :mrgreen:

Ich fasse Deine vier Punkte als Auswahlfrage auf #-o

a.) 100pm
Entfällt, weil wir ja keinen Vergleich mit der selben Einheit durchführen wollen.

c.) 100ps
So kurze Zeitabstände sind schwerer vorzustellen, als kurze Wegabstände...

d.) 100pA
So kleine Ströme werden nicht mal im "sparsamen" menschlichen Körper genutzt --> nicht vorstellbar...

b.) 100pkg
Übrig bleibt pkg. Aber p und k kürzen sich zu n. also geht es um Nanogramm, aber sich Nanogramm vorzustellen ist doch ebensoschwierig wie sich Nanometer vorzustellen, oder nicht? Ich weiß nicht, wie schwer kleinste Lebewesen sind, bspw. Bakterien, aber das wäre sicher der richtige Vergleich. Wobei die Frage bleibt, ist es dann nicht auch schon der Nanometer-Bereich?


Grüße,
Wulfi

In soweit bestätigt sich schon einmal die Aussage, dass es schwierig ist, sich die Geschichten mit den kleinen Abmesungen vorzustellen.

Warum a.) entfallen soll weiß ich nicht, ich glaube es ist am schwierigsten. Es gibt auch hierfür Beispiele.

b.) naja

c.) das ist das einfachste Beispiel, damit sollte man beginnen.

d.) Ich mußte auch etwas nachdenken aber es gibt Beispiele, wie ich später gesehen habe läßt es sich auch in den pg also fkg Bereich ausdehnen aber nach Moore http://www.intel.com/technology/magazine/silicon/moores-law-0405.htm(oder besser Murphy?) hätten wir da ja noch 10 Jahre.
Manfred

Ich wollte nur zuhören. Jetzt misch' ich mich trotzdem ein:
Ob man sich was VORSTELLEN kann, kann doch kein Kriterium sein
das gilt ja auch für die andere Richtung (Mega- Tera- Trallala- )
Die Maßsysteme sind im Grunde willkürlich, nur sollen sie einheitlich definiert und jederzeit nachvollziehbar sein. Und dann halt praktisch, d.h. in dem gewünschten Bereich als Vielfache verwendet werden können.
Keinen stört das pico bei Henry und Farad.

Interessant ist, ob in einer solchen Einheit gemessen werden kann, anderenfalls wird sie sinnlos
(es kann keinen Sinn, von 499 femto-xx zu sprechen, wenn ich sie nicht nachweislich von 500 femto-xx unterscheiden kann)

(Picnick, halt's maul, von dem verstehst du nix)

moin moin,
Was war denn nochmal genau die Frage?
Wäre eine Antwort wie "das Licht schaft es in 100ps gerade mal 3cm weit" (in Luft, in Glas weniger) im Sinne der Frage? 3cm kann man sich ja vorstellen, allerdings Lichtgeschwindigkeit nicht so recht.
Oder vielleicht "100pm ist nichtmal ganz der Abstand zwischen 2 Atomen in einem beliebigen Stoff" ? Obwohl man sich den Abstand zwischen Atomen nicht wirklich vorstellen kann...
Vielleicht noch "100pA = 1Milliarde Elektronen pro Sekunde";
hmm kann man sich genausowenig vorstellen wie unsere Staatsverschuldung (1500Mrd €)

Also ich glaube bei pico bleibt unsere Vorstellung (gut, meine beschränkte) etwas auf der Strecke ...
ciao .. bernd

Wenn man Raumkrümmungen und relativistische Zeitdifferenzen einbezieht, kommen vergleichweise kleine Werte zustande, da könnt' man schon Begriffe brauchen
Vielleicht eine neue Zeiteinheit ?
Differenz Uhr/Zugspitze <> Uhr / Meereshöhe

Zitat:

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Zitat von bhm

Wäre eine Antwort wie "das Licht schaft es in 100ps gerade mal 3cm weit" (in Luft, in Glas weniger) im Sinne der Frage? 3cm kann man sich ja vorstellen, allerdings Lichtgeschwindigkeit nicht so recht.
Oder vielleicht "100pm ist nichtmal ganz der Abstand zwischen 2 Atomen in einem beliebigen Stoff" ? Obwohl man sich den Abstand zwischen Atomen nicht wirklich vorstellen kann...
Vielleicht noch "100pA = 1Milliarde Elektronen pro Sekunde";
.. bernd

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Das ist im Ansatz völlig richtig. Es kommt daruf an, wie weit man kommt, die Beschreibung reproduzierbar zu machen und zu übertragen, um es dann in einem anderen Berich anwenden zu können.

In der Frühzeit und noch vor einigen hundert Jahren wäre man dabei auf sehr ausführliche Beschreibungen angewiesen. Heute hat man einige Meßmittel zur Verfügung, Maßstäbe, Geräte, speziell auch solche, denen man die hohe Genauigkeit gar nicht gleich ansieht.

Ich will im Moment nicht zuviel sagen, es bleibt auch sicher unvolkommen aber ich glaube doch interessant. Wie gesagt die Ansätze sind genau so wie geplant.
Manfred

Na ja, ein Laser z.B. schickt ja kohärentes licht auf die reise, da wirken sich bei einem Split geringe unterschiede schon gut messbar aus.
(Hat dem Michelson aber nix genutzt)
Und so Zeugs könnt man schon zu Hause haben (der Manfred sicher).

tja, aber bei 100pm ist auch mit einem Interferometer nur mit Mühe was zu machen. Das Gravitationswellenexperiment Geo600 (www.geo600.uni-hannover.de) bei Hannover bekommt es zwar noch deutlich genauer hin, aber das Interferometer hat auch 600m Armlänge und der Strahl geht einige (hundert?) mal hin und her bevor er interferiert.
Das hat auch Manf nicht zu Hause ;-)
ciao .. bernd

Zitat:

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tja, aber bei 100pm ist auch mit einem Interferometer nur mit Mühe was zu machen.
...Strahl geht einige (hundert?) mal hin und her ...

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Genau, so schwer wird es hier sicher nicht.

Die Mehrfachreflexion zur genauen Bestimmung einer Strecke ist bei der genannten Anforderung sicher empfehlenswert.

Man sollte bei einfacheren Messungen anfangen. Ich glaube, häufig, wenn gerade einen Strom auf 100pA genau mißt, macht man dabei sich gar nicht klar, dass es einen Unterschied machen kann, ob das Kabel mit dünner Kuststoffisolation dabei auf einer isolierten oder leitenden und geerdeten Fläche liegt.
Manfred

Zitat:

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Zitat von Manf

ob das Kabel mit dünner Kuststoffisolation dabei auf einer isolierten oder leitenden und geerdeten Fläche liegt.

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Mit _sehr_ dünner Isolation ? zB 100pm ? Dann hat man den Tunneleffekt am Hals. Der Tunnelstrom dürfte dann so hoch sein, dass man kaum von einer Isolation sprechen kann. Bei 100pm passt da eh kein "Isolieratom" mehr zwischen ;-)
ciao .. bernd

Zitat:

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Mit _sehr_ dünner Isolation ? zB 100pm ? Dann hat man den Tunneleffekt am Hals.

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Hier bei der Messung des Stroms ist mit dünner Isolation der Kunststoff der Krokoklemmenkabel (10Stck 1,25€ z.B. 11-830251 von Pollin) gemeint.

Wenn man sie auf eine leitende Unterlage legt, drückt, dann kann man in dem Bereich schon auch Abweichungen messen.

Die eigentliche Frage ist die nach einem Weg und Hilfsmitteln, einen so kleinen Strom (100pA) zu messen.
Manfred

Für den Teil d.) 100pA möchte ich die Lösung hier schon angeben, um zu zeigen dass, es nicht zu aufwändig oder zu kompliziert sein muss, in den Bereich der Pico Technologie vorzudringen. Die hierfür benötigte Ausrüstung kann man fertig kaufen, und sie wird auch in vielen Haushalten schon vorhanden sein.

Sehr günstiges Einsteigermodell mit hervorragenden Ausstattungsmerkmalen. Best.Nr. 830 194
3,95 EUR
Messbereiche:
- Widerstand 200 , 2 k, 20 k, 200 k, 2 M
- Gleichstrom 2 mA, 20 mA, 200 mA, 10 A
- Gleichspannung 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V, 600 V
- Wechselspannung 200 V und 600 V

Bild hier  

Interessant ist der 200mV Bereich in dem mit einem Widerstand von 10MOhm gemessen wird.

Liegt an Eingang eine Spannung von 1mV an, dann fließt über den 10MOhm Widerstand gerade ein Strom von 100pA. Er wird mit 1,0mV angezeigt. Entsprechend werden 20pA auch mit 0,2mV angezeigt.

Manfred

c.) 100ps:

Zitat:

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Wäre eine Antwort wie "das Licht schaft es in 100ps gerade mal 3cm weit" (in Luft, in Glas weniger) im Sinne der Frage? 3cm kann man sich ja vorstellen, allerdings Lichtgeschwindigkeit nicht so recht.

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Ein wesentlicher Teil ist damit gesagt, es soll nur noch die Verbindung zur Messung hergestellt werden.

Das Licht und elektrische Wellen legen 300.000km pro Sekunde zurück. In einem dichtem Medium wie Licht in Glas oder elektrische Signale in Leitungen mit Dielektrikum etwas langsamer. In einem üblichen Koaxialkabel sind das 20cm pro ns.

Bild hier   - - - Bild hier   - - - Bild hier  

Die Zeit von 100ps wird benötigt, um 2cm zurückzulegen. Im einfachsten Fall kann man also eine Leitung um 2cm kürzen, um das Signal 100ps eher eintreffen zu lassen.
In Pulsformern wird diese Technik genutzt, um aus einer Flanke einen Impuls von definierter Dauer zu erzeugen. Eine kurzgeschlossene Stichleitung die eine Impuls von 100ps Dauer erzeugt hat eine Länge von 1cm. Den Nachweis kann man am eindruckvollsten mit einem Oszilloskop mit 100ps Auflösung führen.

Zur Demonstration mit einfachen Mitteln wird man eher eine Leitung von 10m Länge nehmen, die als Lamda/2 Resonator auf 10MHz schwingt. Bei einer Kürzung um 10 mm wird die Frequenz auf 10,01 MHz erhöht, die Periodendauer also um 100ps verkürzt.

Im Sinne der Aufgabe mißt man dann die Änderung der Periodendauer und dazu die Frequenz mit einem Frequenzzähler. Es geht zur Not auch mit einem Transistorradio mit digitaler Frequenzabstimmung.
Manfred

b.)100pkg = 100ng:
Die Litze in hochflexiblen Messleitungen ist aus 0,05mm Kupferdraht aufgebaut der sich einigermaßen zur Herstellung kleiner Gewichte eignet. 17µg pro mm sind schon recht wenig aber für die 100ng braucht man nur 5,7µm davon. Es geht also nicht bis in den gewünschten Bereich.

Bei Papier mit 80g/m² würde ein Quadrat der Seitenlänge 35µm benötigt. Bei 11µm Alufolie wären es schon 60µm und bei Blattgold mit 2g/m² hätte man mit 0,22mm Kantenlänge noch eine Chance eine solche Masse zu veranschaulichen. Mit Folien geht es also auch nicht leicht.

Bild hier   - - - Bild hier  

Der nächste Ansatz ist, die Dichteänderung von etwas Leichtem. Zum Test einer Waage kann man recht fein den Auftrieb eines Körpers über den Umgebungsdruck variieren. Ein Körper mit 80mm² Volumen verdrängt bei Normaldruck 100µg Luft und hat damit einen entsprechenden Auftrieb. Eine Luftdruckänderung um 1HPa oder 10mm Wassersäule ändert die Masse der verdrängten Luft um 100ng. Die Methode funktionert zwar, ist aber etwas indirekt und deshalb unbefriedigend.

Bild hier   - - - Bild hier   - - - Bild hier  

Die Dichteänderung wird auch dann wirksam, wenn ein Stoff in einem Lösungsmittel zur Dosierung verteilt wird und das Lösungsmittel dann ohne große Rückstände verdunstet werden kann. Verteilt man 1g Masse in einem Liter Lösungsmittel und entnimmt 0,1ml mit einer Pipette dann bleibt nach dem Verdunsten 100µg.
Mit der Kapillare eines Haushaltsthermometers (Alkoholthermometer, kein Quecksilber, geöffnet) kann man etwa 1mm³, also 1mg Lösung und 1µg gelöste Substanz (7mm Steighöhe) dosieren. Wenn der 10te Teil davon benötigt wird, dann ist eine weitere Verdünnung der ersten Lösung um den Faktor 10 nötig. Die Homöopathie liefert erprobte Methoden dafür. Man wird mit einer kleinen Menge Lösungsmittel beginnen und die Konzentration schrittweise senken um die gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten. Etwas kritisch ist das rückstandsfreie Verdunsten des Lösungsmittels, Alkohol ist dafür Wohl am besten geeignet.

Eine Dosierung im 3 Dimensionalen ist da doch leichter. Ein Tintenstrahldrucker druckt mit Tropfen der Größe 2picoLiter, was einigermaßen 2ng entspricht. Die Tropfen kann man leicht steuern und zählen. 50 davon ergeben die gesuchten 100ng. Leider trocknen sie und man wird ermitteln müssen, wie groß ihr Trockengewicht ist. Dann ist man aber auch schon gut vorbereitet für die nächste Runde wenn es um Femto-Technologie geht.
Manfred

Das war aber schon recht schwierig ...
Aber interessanter als multiple-choice Aufgaben (womit wir wieder bei der Kritik am Bildungssystem wären ;-))

ciao .. bernd

a.) 100pm: Als letzter Teil der Lösung soll noch die Messung der Strecke angegeben werden. Die Strecke wurde schon mit Atomen beschrieben. Ein Tunnelmikroskop mit guter Hebelübersetzung wäre vielleicht ein Weg dahin.

Interessant ist auch die Überlegung wie hoch ein Stück Stahl sein muss, ein Stab, oder eine Säule, damit sie beim Aufrichten, der unter der Last des eigenen Gewichts um 100pm in sich zusammensinkt: knapp 32mm.
Damit wäre die Strecke schon mal als Änderung reproduzierbar. Andererseits wird die Änderung bei einer Temperaturerhöhung von 0,00026°C schon wieder ausgeglichen.
So könnte man es eher mit einer Kupferleiterbahn von 35µm versuchen. Die schafft die Dickenänderung von 100pm auch schon bei 0,17°C.

Wenn man also die relative Änderung bei kleinen Abmessungen beobachtet, kommt man leichter auf reproduzierbare kleine Werte. Die Lichtwellenlänge von 650nm braucht sich nur um 1/6500 zu ändern um die gesuchte Längenänderung zu erreichen.
Einen Laserpointer kann man ja nach einem Eingriff mit einstellbarem Strom betreiben. Laut Datenblatt der Laserdiode hat man dann durch die unterschiedliche Ladungsträgerdichte eine Wellenlängenänderung von etwa 1nm bei 10mA Stromänderung. Es ist also leicht, den Laserstrom um 1mA zu ändern, um eine Wellenlängenänderung von 100pm zu erreichen.

Doch wie misst man das mit nahezu haushaltsüblichen Mitteln?

Von dem etwas aufgeweiteten Laserstrahl wird mit einer Glasscheibe zweimal ein etwa gleich großer Anteil in die gleiche Richtung abgespalten, von der Vorderseite und von der Rückseite. Der Strahl wird gegen die Strahlrichtung gespiegelt, mit einem kleinen Winkel aus dem Strahlengang heraus, damit man auf einem Schirm das Bild sehen kann.

Bild hier  

Die beiden Anteile werden miteinander interferieren wobei sie einen Gangunterschied von 6500 Wellenlängen haben sollen. Es ist dann bei der Abstimmung der Wellenlänge eine Verschiebung des Interferenzmusters um eine Periode des Streifenmusters zu beobachten. Die Dicke der Scheibe soll damit 1,4mm sein. (3250 x 650nm / 1,5).
Ist nur ein Stück Glas in anderer Stärke vorhanden, dann kann die Änderung auch rechnerisch korrigiert werden. Wegen des kleinen Winkels zur Auskoppelung ist nicht der erste Interferenzstreifen zu sehen sondern erst der 10. oder 20.

Strahl aufweiten, an der Scheibe spiegeln und Interferenzmuster durch Stromänderung um eine Periode verschieben dann erhält man eine nachgewiesene Wellenlängenänderung um 100pm.

Mit einer dickeren Glasscheibe oder einem kleinen Glasblock und einer höheren Auflösung durch elektronische Kamera und Übertragung der Bilddaten in ein Korrelationsprogramm kann man mit diesen relativ einfachen technischen Mitteln auch eine Auflösung der Wellenlängenänderung auf 1pm erreichen.

Das war's zum Einstieg in die Pico Technologie. Die Aufgaben sind so von der Art, dass man vielleicht nicht gleich drauf kommt, aber wenn man es mal brauchen kann, dann hat man auf alle Fälle schon mal davon gehört.
Manfred