Un groupe de chercheurs de Russie, Biélorussie et Espagne, y compris le professeur de l'Institut de physique et de technologie de Moscou Yury Lozovik, ont développé un capteur de force microscopique à base de nanotubes de carbone. L'appareil est décrit dans un article publié dans la revue Science des matériaux computationnelle et est également disponible en préimpression.

Les scientifiques ont proposé d'utiliser deux nanotubes, dont l'un est un long cylindre à double paroi d'un atome d'épaisseur. Ces tubes sont placés de manière à ce que leurs extrémités ouvertes soient opposées l'une à l'autre. Une tension leur est alors appliquée, et un courant d'environ 10 nA circule dans le circuit.

Les parois des tubes de carbone sont de bons conducteurs, et le long de l'interstice entre les extrémités des nanotubes le courant circule grâce à l'effet tunnel, qui est un phénomène quantique où les électrons traversent une barrière considérée comme infranchissable en mécanique classique.

Ce courant est appelé courant tunnel et est largement utilisé dans la pratique. Il y a, par exemple, diodes tunnel, dans lequel le courant traverse la barrière de potentiel de la jonction p-n.

Un autre exemple est un microscope à effet tunnel (STM), dans lequel la surface d'un échantillon est balayée avec une aiguille très pointue sous tension. L'aiguille glisse le long de la surface, et l'amplitude du courant qui le traverse montre la distance à l'échantillon avec une telle précision que le STM peut détecter des protubérances hautes d'un atome.

Les auteurs de l'article ont utilisé la relation entre le courant tunnel et la distance entre les extrémités des nanotubes pour déterminer la position relative des nanotubes de carbone et ainsi trouver l'amplitude de la force externe exercée sur eux.

Le nouveau capteur permet de contrôler assez précisément la position des cylindres coaxiaux dans les nanotubes à deux couches. Par conséquent, il est possible de déterminer l'étirement d'un objet à l'échelle n, auquel les électrodes sont fixées. Les calculs effectués par les chercheurs ont montré la possibilité d'enregistrer des forces de quelques dixièmes de nN (10-10newtons). Pour que ce soit plus clair, une seule bactérie pèse environ 10-14newtons en moyenne, et un moustique pèse quelques dizaines de mcN (10-5 N). Cependant, le dispositif développé par les physiciens peut trouver des applications au-delà des micro-échelles.

Un nanotube coaxial à double couche s'apparente à un cylindre microscopique avec un piston coulissant. Un tel système a déjà été considéré par un certain nombre d'autres chercheurs comme un élément potentiel pour divers types de nanomachines. Des nanotubes ont été proposés pour le rôle de micromanipulateurs, ou des "goujons" de liaison pour les mécanismes complexes, et ils peuvent même être utilisés pour le stockage de données; la position du "piston" interne peut coder un bit d'information ou plus.

Par ailleurs, les calculs ont montré qu'il est possible de créer un appareil combiné, où à l'intérieur d'un nanotube de carbone à deux couches, il y aura des fullerènes magnétiques. Lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, une puissance va émerger, qui pourrait être mesurée par des changements dans l'amplitude du courant tunnel. Cela convertira le capteur de force en un capteur de champ magnétique.