Nanosensoren: Eine disruptive Innovation in der Nanotechnologie

„Die Nanotechnologie hat uns die Werkzeuge gegeben, um mit der ultimativen Spielzeugkiste der Natur - Atome und Moleküle - zu spielen. Alles wird daraus gemacht… Die Möglichkeiten, Neues zu schaffen, wirken unbegrenzt “, sagt Nobelpreisträger Horst Stormer.

Nanosensoren verwandeln oder ersetzen sogar vorhandene Sensortechnologie. Was ist ein Nanosensor? Um dies zu verstehen, sollten wir die Sensorhistorie berücksichtigen und Unterschiede in der Nanotechnologie feststellen

Sensoren sind im modernen Leben unverzichtbar, der Mensch ist darauf angewiesen. Von Verkehrshaltestellen bis zu Wassernachfüllstationen sind Sensoren überall um uns herum. Ein Sensor ist im Grunde jedes Objekt, das eine aktive physikalische oder chemische Komponente verwendet, um ein Signal aus der Analyse eines Objekts zu erzeugen. Nanosensoren arbeiten ähnlich wie herkömmliche Sensoren, ihr bestimmender Faktor ist jedoch, dass sie im Nanomaßstab (10–100 nm) arbeiten und kleinste Partikel oder kleinste Mengen dieses Bereichs mit Nanomaterialien (als aktivem Sensorelement) detektieren können. Tatsächlich ist die Nanoskala so klein, dass ein Mensch, wenn er auf Nano-Größe verkleinert würde, 1000-mal kleiner wäre als eine einzelne rote Blutkörperchen.

Sensoren sind ein fester Bestandteil des Alltags. Menschen brauchen beispielsweise Sensoren für Ampeln an Kreuzungen.

Nanosensoren werden nach der Form des von ihnen erfassten Energiesignals unterteilt. Das heißt physikalische, chemische, Biosensoren, thermische, optische, magnetische Nanosensoren usw.

Es gibt zwei Hauptarten von Nanosensoren:

  1. Mechanisch
  1. Chemisch
  2. Nanosensoren arbeiten im Allgemeinen, indem sie eine Änderung (physikalisch oder chemisch) in der elektrischen Leitfähigkeit des Sensormaterials (eines Nanomaterials) feststellen. Beispielsweise würde ein chemischer Sensor die Konzentration bestimmen oder chemische Substanzen identifizieren. Während ein mechanischer Nanosensor verwendet würde, um Eigenschaften wie Temperatur, Druck, Kraft usw. zu messen, wandeln Nanosensoren diese beobachteten Materialien in elektrische Signale um, die analysiert werden können. Sensoren auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren arbeiten auf diese Weise. Ein Stickstoffdioxidmolekül, das mit einem Nanosensor aus Kohlenstoffrohr interagiert, entfernt ein Elektron aus dem Nanomaterial und macht es weniger leitfähig. Der Nanosensor erkennt diese Änderung und sendet elektrische Signale. Nanosensoren erkennen Veränderungen durch äußere Wechselwirkungen und kommunizieren sie an andere Nanokomponenten.

    Chemisch:

    Chemische Nanosensoren erkennen Chemikalien, indem sie die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Nanomaterials messen. Viele Nanomaterialien haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die sich verringert, wenn Moleküle absorbiert oder gebunden werden. Diese Bindung / Absorption ist eine nachweisbare und messbare Veränderung. 1D-Materialien wie Nanodrähte eignen sich besonders für chemische Sensoren, da sie als Transducer (wandeln eine Art von Energie in eine andere) und als elektronische Drähte fungieren, sobald der Analyt detektiert wird.

    Ein Sensor auf der Basis von Carbon Nanotube (CNT), der das Vorhandensein einer Chemikalie erkennt.

    Mechanisch:

    Wie die chemischen arbeiten mechanische Nanosensoren durch Messung der elektrischen Änderungen. Die Methode, bei der sie dies tun, unterscheidet sich jedoch. Mechanische Nanosensoren ändern ihre elektrische Leitfähigkeit, wenn das Material physikalisch manipuliert wird, was zu einer erkennbaren Reaktion führt. Die Antwort ist mit einem angeschlossenen Kondensator (Komponente, die Energie speichert) messbar, wobei die physikalische Änderung eine quantifizierbare Änderung der Kapazität vornimmt (Verhältnis der Änderung der elektrischen Ladung zur entsprechenden Änderung ihres elektrischen Potentials). Beispielsweise hängt das von Auto-Airbags verwendete System von der Überwachung von Änderungen der Kapazität ab. Die am Kondensator des Airbags angebrachte winzige, gewichtete Welle wird ausgelöst, um sich bei Änderungen der Beschleunigung, die in der Kapazität der Sensoren gemessen wird, zu krümmen.

    Beispiele für primäre Anwendungen von mechanischen Nanosensoren.

    Nanosensoren sind aus zahlreichen Gründen für das moderne Leben wichtig. Sie liefern effizientere, tragbare, genaue, stromsparende und reaktionsschnellere Ergebnisse. Der wichtigste Aspekt von Nanosensoren ist jedoch, dass sie winzig sind! Nanosensoren verwenden winzige Nanomaterialien, die aufgrund des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen eine bessere Empfindlichkeit, Leistung, Geschwindigkeit und Erfassungsbereich verhindern. Die winzigen Nanopartikel haben ein sehr gutes Verhältnis. Stellen Sie sich vor, Marmelade auf Toast zu verbreiten. Die freiliegende Kruste des Brotes (nicht mit Marmelade bedeckt) macht den Toast weniger lecker. Wenn Sie jedoch dieselbe Menge Brot in kleinere Stücke schneiden, vergrößert sich die Oberfläche, sodass Sie mehr Toast auf Ihren Toast legen können! Mehr Oberfläche bedeutet mehr Kontakt mit den Verbindungen, die der Sensor zu erkennen versucht. Folglich besteht eine verbesserte Fähigkeit, die Verbindungen bei niedrigeren Konzentrationen zu detektieren. Dadurch können die Sensoren mehrere Funktionen ausführen oder mehrere Ziele gleichzeitig erkennen.

    Die erhöhte Empfindlichkeit führt zu einer geringen Reaktionszeit und ist somit ein hervorragendes Werkzeug für die Echtzeitanalyse. Zum Beispiel sind Nanosensoren im medizinischen Bereich sehr nützlich. Die Verwendung von Nanosensoren zur Durchführung von Tests und Blutanalysen zur Früherkennung wäre aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit, der erhöhten Empfindlichkeit und der Wirksamkeit effektiver. Durch die schnelle Reaktionszeit entfällt das wochenlange Warten auf Ergebnisse aufgrund der hohen Empfindlichkeit, mit der Analyten in niedriger Konzentration nachgewiesen werden können. Darüber hinaus sind Nanosensoren aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer leichten physischen Eigenschaften ideal für die Integration in tragbare Geräte.

    Nanosensoren zur Überwachung des Blutzuckerspiegels bei Diabetespatienten. Bei dieser Methode müssen Sie nicht mehrmals täglich mit dem Finger stechen.

    Die vielen Anwendungen von Nanosensoren

    Nanosensoren haben aufgrund ihrer unglaublichen Empfindlichkeit eine unendliche Anwendung. Derzeit wird die Nanosensortechnologie auf die Erkennung von Umweltschadstoffen, die Früherkennung von Krebs, die Diagnose von Diabetesblut, die Kontrolle der Lebensmittelqualität, die Sicherheit von Autos, Flugzeugen und Raumfahrzeugen, die Überwachung der Gesundheit, der Wasserqualität, der mechanischen Belastung angewendet.

    Zum Beispiel entwickelt die NASA Nanosensoren mit geringem Stromverbrauch zum Nachweis chemischer und biologischer Spezies. Sie setzen diese Sensoren zur Überwachung der Besatzung, der Wasserqualität in der ISS und der Sicherheit von Raumfahrzeugen ein. Derzeit arbeitet die NASA an der Entwicklung von Nanosensoren, um mechanische Beanspruchungen zu messen und Materialschäden frühzeitig zu erkennen, um den strukturellen Zustand ihrer Flugzeuge / Raumfahrzeuge zu überwachen.

    Ein NASA-Prototyp für Konzentration und chemische Erkennung, der an ein iPhone angeschlossen ist.

    … Wie werden diese Geräte gebaut?

    Nanofabrikation.

    Nanofabrikation ist der Prozess, bei dem Strukturen - wie Nanosensoren - im Nanobereich von 1 bis 100 nm hergestellt werden, die in komplexere Systeme implementiert werden können. Es gibt zwei Hauptansätze zur Nanofabrikation:

    1. von oben nach unten

    2. Bottom-up

    Top-Down- und Bottom-Up-Ansatz.

    Top-Down-Fertigung:

    Die Top-Down-Strategie besteht darin, Blöcke zu miniaturisieren, indem sie geschnitten oder geätzt werden, um eine Nanostruktur auf dem Material zu bilden. Der Top-Down-Ansatz wird häufig als dem Schnitzen eines Holzblocks beschrieben. Die Bottom-Up-Methode wäre vergleichbar mit dem Bau eines Hauses für jedes Gebäude. Eine der häufigsten Top-Down-Techniken ist das Ätzen. Das Ätzen ist eine Möglichkeit, Material chemisch oder physikalisch zu entfernen. Ein Beispiel für das Ätzen im Nanomaßstab ist das reaktive Ionenätzen (RIE). Bei dieser Methode werden viele Ionen in Plasmaform zum Ätzen des Nanomaterials (anstelle eines flüssigen Ätzmittels) verwendet. Dies bewirkt, dass einige der leichteren Ionen im Plasma mit dem negativ geladenen Nanomaterial interagieren. Bei dieser Kollision wird das Nanomaterial durch kinetische und chemische Wechselwirkungen geätzt. Ein Vorteil des Top-Down-Ansatzes besteht darin, dass kein Montageschritt erforderlich ist, da die Teile bei der Herstellung der integrierten Schaltung strukturiert und an Ort und Stelle eingebaut werden. Im Allgemeinen geht es bei der Top-Down-Strategie darum, mit einem Basismaterial zu beginnen und allmählich abzubauen und nicht benötigtes Material zu entfernen, um die gewünschte Form zu erreichen.

    Bottom-Up-Fertigung:

    Die Bottom-Up- oder Selbstorganisationsmethode baut Nanostrukturen zu einem Zeitpunkt auf. Diese Technik ist sehr zeitaufwändig und wird nur bei Bedarf angewendet. Bei diesem Herstellungsprozess werden einfache Einheiten zu größeren Strukturen zusammengefügt, die einen natürlichen Prozess nachahmen. Einzelne Atome stapeln sich zu Molekülen, die sich in der gewünschten Form für die Nanostruktur anordnen. Der Prozess beginnt mit einer Keimbildungsphase, in der die Kerne durch Übersättigung der Reagenzien, Temperatur oder Anwendung eines externen elektrischen Feldes aktiviert werden. Von hier aus kommt eine Reihe von Techniken einschließlich molekularer Selbstorganisation vor. Die molekulare Selbstorganisation nutzt die organisatorische Fähigkeit der Materie, um homogene Schichten zu erzeugen, die ein Molekül dick sind.

    Quantenpunkte (siehe oben) sind ein Beispiel für die Selbstorganisation.

    Die gebräuchlichste Methode ist die Top-Down-Nanofabrikation (bei der die integrierten Schaltkreise durch das Entfernen eines einzelnen Atoms bis zum Erreichen der gewünschten Form verkleinert werden). Die Top-Down-Methode wird verwendet, wenn Nanostrukturen erstellt werden, die eine große Reichweite für Verbindungen erfordern.

    Nanofabrikation ist erstaunlich, aber es gibt viel zu verbessern ...

    Trotz der vielen Vorteile von Nanosensoren gibt es bei beiden Herstellungsverfahren viele Schwierigkeiten. Das Top-Down-Verfahren ist effizienter und weniger zeitaufwändig, aber die erforderliche Ausrüstung ist teuer. Die Bottom-Up-Strategie ist kostengünstig, ihre Ausführung ist jedoch viel länger. Insgesamt sind Nanosensoren wegen ihrer geringen Größe schwer in der Massenproduktion. Es gibt keine schnelle oder einfache Möglichkeit, winzige Drähte an genauen Stellen auf einer Oberfläche zu platzieren. Außerdem sind die Geräte und Anlagen sehr teuer und selten. Ein weiteres Problem bei der Produktion ist die Interferenz von Staubpartikeln. Sie liegen im Nanomaßstab und können die Nanofabrikation durch Verstopfen leicht ruinieren. Um Nanosensoren zu schaffen, benötigen Sie hochqualifizierte und erfahrene Mitarbeiter, die mit empfindlichen Nanomaterialien arbeiten, die schwer zu finden sind.

    In Bezug auf Biosensoren wird das Verhalten von Kohlenstoffnanoröhren und -nanopartikeln im Körper von der National Science Foundation finanziert. Wenn man das Gesamtbild betrachtet, sind die Märkte für Nanosensoren immer noch vergleichsweise klein, so dass die Herstellung bestimmter Nanosensoren aufgrund der erforderlichen umfangreichen Ressourcen nicht wirtschaftlich vertretbar ist.

    Aber es gibt noch Hoffnung! Es gibt viele wegweisende Hinweise zur Lösung dieser Probleme:

    • Um das Problem der Staubpartikel zu lösen, empfehlen die Forscher die Verwendung vollständig sterilisierter Labore
    • Um den Mangel an gebildeten Personen für Arbeitsplätze in diesem abschätzenden Markt zu beheben, sollte das Erlernen der Entwicklung und des Entwurfs von Nanotechnologie für sekundäre / postsekundäre Jugendliche ermutigt werden, um sie der Branche auszusetzen (und deren Potenzial).
      • Um ineffiziente Nanofabrikationsmethoden zu lösen, arbeiten Wissenschaftler daran, Elemente der Top-Down- und Bottom-Up-Techniken zu kombinieren, um einen präzisen und schnelleren Prozess zu ermöglichen
      • „Nun haben Forscher der Penn State University einen Weg gefunden, einzelne Nanodrähte mithilfe eines elektrischen Feldes auf einem Siliziumchip in Position zu bringen. Sobald die Nanodrähte angebracht sind, setzen die Forscher Elektroden auf, um Arrays von Messgeräten herzustellen. Dies ist ein Schritt auf dem Weg zu erschwinglichen, empfindlichen Handsensoren, die schnell hunderte von Krankheitserregern und toxischen Chemikalien durchmustern oder erste Anzeichen von Krankheiten erkennen können. Die neue Technik ist einfach, schnell und mit der herkömmlichen Siliziumchip-Herstellung kompatibel. “(MIT Technology.) Rezension)
      • Um die wirtschaftlichen Kosten verschiedener seltener Materialien zu senken, experimentieren Forscher mit nachhaltigen und billigeren Ressourcen
    • Um die ethischen Perspektiven der Nanotechnologie zu überprüfen, diskutieren Ingenieursstudenten die ethischen Dilemmas im Unterricht
    • Offensichtlich ist der Einsatz von Nanosensoren und der gesamten Nanotechnologie ein entscheidender Wandel, der zweifellos das Leben aller Menschen in der Zukunft beeinflussen wird. Da wichtige Durchbrüche in der Nanotechnologie nach links und rechts angekündigt werden, nähert sich die Zukunft der Technologie rasch.

      Meine abschließenden Gedanken und weiterführende Literatur

      Das Ausmaß des Fortschritts und die schiere Anzahl von Durchbrüchen, die die Hindernisse der Nanotechnologie in Frage stellen, sind inspirierend. In der Nanofabrikation gibt es jedoch viele Hindernisse, die die Integration von Nanosensoren und anderer Nanotechnologie in den Alltag und die Massenproduktion einschränken. Die ständigen Fortschritte von Studentenforschern und zukünftigen Weltwandlern, die an der Formulierung neuer Standards für die Prinzipien der Nanofabrikation arbeiten, lassen hoffen, dass diese Generation den Erfindergeist dazu drängt, einen zerstörerischen Markt für Nanosensoren zu schaffen, der alle Sensoren ersetzen kann Technologie. Die zahlreichen Beispiele von Forschern, die dafür sorgen, dass Technologien zur Verbesserung der Zukunft auf den Weg gebracht werden, sind ein Beweis für die Entschlossenheit und Hoffnung dieser Generation.

      Wenn Sie mehr über die bahnbrechenden Neuerungen in der Nanotechnologie und die Zukunft der Nanosensoren / Nanotechnologie erfahren möchten, würde ich Folgendes empfehlen:

      https://www.nasa.gov/ames-partnerships/technology/technology-opportunity-nanosensorcell-phone-hybrid-instrument-für-detektionschemikalienund

      https://uwaterloo.ca/institute-nanotechnology/nano-101

      http://web.pdx.edu/~pmoeck/nanosensors.pdf

      https://www.technologyreview.com/s/411695/nanosensors-made-easy/

      https://www.nasa.gov/ames-partnerships/technology/technology-opportunity-nanosensor-array-for-medical-diagnoses

      https://www.nasa.gov/home/hqnews/2007/jun/HQ_07140_Nanotech_Sensor_Test.html

      https://www.nano.gov/sites/default/files/Nanosensor%20Fabrication%20NSF%20June%2013%202017%20final.ppt.pdf