Nanosensoren: Nanoskopische Größe, enorme Auswirkungen

Stellen Sie sich eine Sandburg vor. Diese Sandburg ist großartig und erstreckt sich über ein zwei Meter großes Grundstück am Strand. Die Burg ist von einem Wassergraben umgeben, ein Burgtor und ein Torbogen zum Eintritt in die Burg. Nun stellen Sie sich vor, dass dieses Schloss zu einem Sandhaufen hinabgerissen wird. Nicht so beeindruckend, richtig? Stellen Sie sich jetzt vor, Sie stellen die Sandburg wieder so ein, wie sie war, aber Korn für Korn. Das versuchen Wissenschaftler mit der Nanotechnologie.

Wir sind umgeben von Sensoren. Gehen Sie zum Einkaufszentrum und die Tür öffnet sich für uns mit einem Näherungssensor. Unser Haus geht einen Grad unter das, was wir wollen, unser Thermostat erkennt es mit einem Temperatursensor. Rauch steigt in Ihrem Haus auf, Ihr Feuermelder (mit vielen Sensoren ausgestattet) ist für Sie da. Tatsache ist, dass wir von Sensoren umgeben sind.

Seit 1999 schrumpfen wir diese Sensoren auf molekularer Ebene. Nanosensoren arbeiten ähnlich wie normale Sensoren und erkennen Änderungen von Partikeln, Atomen und Mengen auf einer viel kleineren Ebene. Nanosensoren sind chemische oder mechanische Sensoren, die zur Detektion von Nanopartikeln verwendet werden. Sie überwachen auch physikalische Faktoren wie Temperatur und Luftniveau im Nanomaßstab. Ein beliebter Nanosensor ist ein Rauchmelder. Rauchmelder messen den Luftpegel im Nanomaßstab und können erkennen, wenn der Luftpegel sinkt und der Rauchpegel steigt.

In letzter Zeit wurden funktionierende Nanosensoren entwickelt. Eines der ersten Arbeitsbeispiele eines synthetischen Nanosensors wurde 1999 von Forschern des Georgia Institute of Technology entwickelt. Dabei wurden ein einzelnes Partikel am Ende einer Kohlenstoffnanoröhre befestigt und die Schwingungsfrequenz der Nanotube mit und ohne Partikel gemessen . Die Diskrepanz zwischen den beiden Frequenzen ermöglichte es den Forschern, die Masse des angehängten Partikels zu messen. Seit ihrer ersten Verwendung waren Nanosensoren im Laufe des 21. Jahrhunderts in vielen wissenschaftlichen Experimenten unverzichtbar.

Nanosensoren haben auch verschiedene Anwendungen im Umweltbereich. Die Fähigkeit, Chemikalien und biologische Agenzien, die in der Luft und im Wasser vorhanden sind, zu erkennen, ist für Umweltbehörden ein Problem. Nanosensoren verändern die Art und Weise, wie Luft- und Wasserqualität aufgrund ihrer Größe, Schnelligkeit und Messgenauigkeit gemessen werden. Ein Beispiel dafür ist der Nachweis von Quecksilber in jedem Medium durch die Verwendung von löwenzahnähnlichen Au / Polyanilin-Nanopartikeln.

Einige in der Entwicklung befindliche Nanosensoren für Verteidigungsanwendungen umfassen Nanosensoren zum Nachweis von Sprengstoffen oder giftigen Gasen. Solche Nanosensoren arbeiten nach dem Prinzip, dass Gasmoleküle anhand ihrer Masse beispielsweise mit piezoelektrischen Sensoren unterschieden werden können. Wenn ein Gasmolekül an der Oberfläche des Detektors adsorbiert wird, ändert sich die Resonanzfrequenz des Kristalls und dies kann als eine Änderung der elektrischen Eigenschaften gemessen werden.

Nanosensor zur Detektion von Sprengstoffen (oben)

Aufgrund dieser großen Anwendungen von Nanosensoren ist es leicht zu verstehen, warum diese für den Menschen jetzt und in Zukunft so wichtig sind. Da ihre Bedeutung nicht weniger als beeindruckend ist, ist es für uns wichtig zu wissen, wie sie funktionieren.

Nanosensoren, die Chemikalien erkennen, arbeiten, indem sie die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Nanomaterials messen, sobald sie entdeckt wurden. Viele Nanomaterialien haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die sich bei der Bindung oder Adsorption eines Moleküls verringert. Diese erkennbare Veränderung wird gemessen. 1D-Materialien wie Nanodrähte und Nanoröhren sind hervorragende Beispiele für chemische Nanosensoren, da ihre elektrisch begrenzte Struktur nach dem Nachweis eines Analyten sowohl als Wandler als auch als elektronische Drähte fungieren kann.

Nanofabrikation ist der Prozess, durch den Nanosensoren und andere Nanostrukturen hergestellt werden. Es ist sowohl die Herstellung von nanoskaligen Materialien, bei denen es sich um Pulver oder Flüssigkeiten handeln kann, als auch die Herstellung von Teilen "bottom-up" aus nanoskaligen Materialien oder "top-down" in kleinsten Schritten für hohe Präzision. Radierung und andere. Wir können die Nanofabrikation auf zwei verschiedene Arten betrachten. Die erste ist eine Top-Down-Fertigung. Top-Down-Herstellung ist eine Methode, die mit der Herstellung einer Sandburg verglichen werden kann. Das Basismaterial, Sand, wird langsam zu einer großen Sandburg gebaut. Die zweite ist die Bottom-Up-Fertigung. Bottom-up-Fertigung kann mit dem Bau eines Backsteinhauses verglichen werden, aber anstatt Steine ​​nacheinander zu platzieren, werden Atome oder Moleküle nacheinander platziert, um eine Nanostruktur zu bilden. Beide Methoden sind praktikabel und werden auf der ganzen Welt verwendet, da bei beiden Methoden einige Bedenken bestehen, die ich jetzt besprechen werde.

Diese Art der Nanofabrikation wird im Argonne National Laboratory zur Manipulation von Wechselwirkungen im Nanobereich und mehr verwendet.

Gegenwärtig gibt es Probleme sowohl bei den Herstellungsverfahren von oben als auch von unten. Das Herstellungsverfahren von oben nach unten benötigt weniger Zeit als das Herstellungsverfahren von unten, aber die Ausrüstung ist teuer. Das Bottom-Up-Herstellungsverfahren ist kostengünstig, ist jedoch derzeit nicht effektiv und dauert viel länger als das Top-Down-Herstellungsverfahren.

Bis heute ist kein einzelner Prozess verfügbar, der präzise nanoskalige Merkmale und Strukturen erzeugen kann. Derzeit wird an der Entwicklung neuerer Techniken für die Nanofabrikation gearbeitet, die die Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit und Skalierbarkeit bei deutlich höherer Produktivität verbessern. Trotzdem können wir uns immer noch Gedanken darüber machen, wie diese Technologien verbessert werden können. Wir könnten versuchen, die Top-Down-Fertigung zu verbessern, indem wir neue Teile finden, um die Ausrüstung herzustellen. Dadurch werden die Kosten für Top-Down gesenkt und es wird auch effizienter. Wir müssen einen Weg finden, Teile zu verwenden, die die Geschwindigkeit, mit der diese Teile entworfen werden, nicht beeinträchtigen. Wir könnten immer 3D-gedruckte Teile verwenden, aber wir müssten erneut prüfen, ob unsere Effizienz beeinträchtigt wird.

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