Nanotechnologie und Nanosensoren

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der jede Materie oder jedes Atom nach unseren Wünschen manipuliert und konstruiert werden kann. Atome sind die wesentlichen Bausteine ​​der Materie. Wenn wir es manipulieren könnten, könnten wir sogar Abfall- oder Müllmoleküle zerlegen und wieder zusammenbauen, um sie unseren Bedürfnissen anzupassen.

Diese Technologie ist außerordentlich leistungsfähig, da sie Atome neu anordnen und zu einem anderen Verhalten führen kann. Diese Technologie ist jedoch so klein, dass sie unter einem normalen Mikroskop nicht sichtbar wäre. Meine Damen und Herren, ich präsentiere Ihnen: Nanotechnologie.

Was ist überhaupt Nanotechnologie?

Weißt du noch, wie Iron Man bei allen Avengers-Fans seinen Anzug in verschiedene Waffen oder Werkzeuge verwandeln konnte?

Nun, das ist alles möglich, weil Iron Man Nanotechnologie in seinen Anzug implementiert hat. Obwohl der Anzug von Iron Man weiter fortgeschritten ist als die derzeitige Nanotechnologie, ist die Nanotechnologie ein Bereich, der immer schneller wächst.

Grundsätzlich ist Nanotechnologie die Kombination von Wissenschaft, Technologie und Ingenieurwesen, um Technologien zu schaffen, die auf einer Nanoskala oder Quantenebene (1 bis 100 Nanometer) durchgeführt werden und in der Lage sind, Materie auf molekularer Ebene zu manipulieren (Abbildung 1).

Abbildung 1

Geschichte der Nanotechnologie

Obwohl viele die Nanotechnologie als ein ziemlich neues Konzept betrachten, untersuchen und nutzen die Menschen Nanopartikel seit Jahrhunderten.

Beispielsweise verwendeten die Handwerker im 9. Jahrhundert Nanopartikel, mit denen Glasuren auf der Oberfläche von Töpfen erzeugt wurden.

Durch alchemistische Tests konnten mittelalterliche Handwerker Glasmalereien herstellen. Unbekannt für die Artisans entdeckten Wissenschaftler kürzlich, dass Glasmalerei nur aufgrund der Nanotechnologie mit Metallnanopartikeln funktionieren konnte. Darüber hinaus erzeugen die Größe und Form der Silber- oder Goldnanopartikel unterschiedliche Farbvariationen (siehe Abbildung 2). Diese Beispiele sind lediglich die frühen Formen der Nanotechnologie.

Figur 2

Das Konzept der Nanotechnologie begann sich in den 80er und 90er Jahren zu verbreiten. Richard Feynman spricht jedoch seit den 1950er Jahren über dieses spezielle Konzept. Schließlich formulierte 1974 ein japanischer Wissenschaftler namens Norio Taniguchi den Begriff „Nanotechnologie“ erstmals in einer Konferenz und in seiner Arbeit.

Der Begriff „Nanotechnologie“ wurde jedoch seitdem nicht mehr verwendet, bis Ingenieur K. Eric Drexler den Begriff bekannt machte. K. Eric Drexler ist allgemein als "Pate der Nanotechnologie" bekannt.

Sprechen wir jetzt über Nanosensoren!

Nanosensoren

Figur 3

Nanosensoren ähneln jedem typischen Sensor, sie erkennen Ereignisse oder Veränderungen. Sie führen jedoch Berechnungen im Nanobereich durch. Ein Missverständnis, das Personen haben könnten, ist, dass alle Nanosensoren nanoskalige Anteile haben. Dies trifft jedoch nicht zu, wie in Abbildung 3 dargestellt. Daher gibt es zwei Arten von Nanosensoren. beide beobachten im Nanobereich, aber einer hat nanoskalige Anteile, der andere nicht. Beide Sensoren können physikalische Daten im Nanomaßstab messen und in Signale umwandeln.

Verschiedene Arten von Nanosensoren

Warum sind sie wichtig? Und Anwendungen

Da Nanosensoren sehr klein sind, sind sie empfindlicher und erfassen genauere Ergebnisse als unsere herkömmlichen Sensoren. Sie sind klein, tragbar und werden immer bekannter, weil sie zur Verbesserung unseres Lebens eingesetzt werden.

Zum Beispiel:

1. Nanosensoren können Krebs erkennen

Caner ist der häufigste Todesfall in Kanada und seit fünf Jahren in Folge gefolgt von Diabetes (Abbildung 4). Krebs ist auch einer der häufigsten Todesfälle auf der ganzen Welt. Um die Zahl der durch Krebs verursachten Todesfälle zu verringern, könnten wir sie früher erkennen, da die meisten Krebsschlachten durch Früherkennung gewonnen werden. Diese Früherkennung könnte mithilfe von Nanosensoren erfolgen. Ärzte könnten Nanosensoren in ihre Patienten einbauen und sie würden in Echtzeit Signale an die Ärzte senden. Dieses Gerät kann nicht nur Krebs erkennen, sondern auch Ärzten helfen, ihre Patienten auf andere Krankheiten hin zu diagnostizieren.

Figur 4

2. Nanosensoren für Lebensmittelverpackungen

Nanosensoren sind auch in der Lebensmittelindustrie ein großer Spielmacher. Einige Lebensmittelgeschäfte verwenden bereits Nanosensoren, um eine zu hohe Sauerstoffkonzentration in ihren Fleischprodukten zu erkennen und deren Verrottung zu verhindern. Darüber hinaus können Nanosensoren Kontaminationen erkennen und Bakterien dazu beitragen, durch Lebensmittel verursachte Gesundheitsprobleme zu verringern.

Wie arbeiten sie?

Im Wesentlichen wandeln Nanosensoren Beobachtungen in Daten um, die über elektrische Signale gesendet werden. Diese kleinen Sensoren können Ereignisse oder Änderungen wie herkömmliche Sensoren erfassen. Sie sind jedoch in der Lage, diese Veränderungen im Nanobereich durchzuführen. Daher werden viele Nanosensoren entwickelt, um zwischen normalen und abnormalen Zellen zu unterscheiden. Zum Beispiel das Erkennen von Krebszellen. Sie berechnen die Fluktuation oder Konzentration, Versetzungen, Verschiebungen, Änderungen, Volumen, Beschleunigung, äußere Kräfte, Druck oder Temperatur jeder Zelle im lebenden Körper.

Wie werden Nanosensoren hergestellt?

Zum Aufbau von Nanosensoren ist eine Nanofabrikation erforderlich, und es gibt zwei dominante Ansätze.

1. Herstellung von oben nach unten

Denken Sie an die Herstellung von oben nach unten, die dem Verlangen nach oder dem Formen von Stein ähnelt. Dieser Vorgang beginnt mit einem etwas größeren Material und wird allmählich auf die gewünschte Größe oder Form gebracht.

Abbildung 5

Die meisten Top-Down-Fabrikationen erfordern Ätzen, und diese Technik wird als Nanolithographie bezeichnet (Abbildung 5). Je nach Methode gibt es unterschiedliche Varianten der Nanolithographie. Dies kann chemisch mit Säuren oder mechanisch mit UV-Licht, Röntgenstrahlen usw. erfolgen.

2. Bottom-Up-Fertigung

Im Gegensatz zu Bausteinen werden bei der Bottom-up-Herstellung Nanostrukturen synthetisiert, indem Atome übereinander platziert oder gestapelt werden (Abbildung 6). Mit dieser Technik weist die Herstellung von Nanostrukturen mit geringerer Wahrscheinlichkeit Defekte auf als die Herstellung von oben nach unten.

Abbildung 6

Zusammenfassung der Unterschiede

Probleme mit der Nanofabrikation

Es gibt einige Komplikationen mit den gegenwärtigen Herstellungsverfahren. Obwohl die Herstellung von oben nach unten schneller und effizienter ist als die von unten nach oben, ist sie extrem teuer. Andererseits ist die Bottom-Up-Herstellung billiger, aber die Herstellung einer solchen Technologie dauert länger als die Top-Down-Herstellung. Da das Gebiet der Nanotechnologie wächst, gibt es hoffentlich neue innovative Wege zur Herstellung von Nanosensoren.

Wie kann die Nanofabrikation verbessert werden?

Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Nanofabrikation besteht darin, sie mithilfe des Bottom-up-Ansatzes selbst zusammenzubauen. Diese Moleküle können spontan interagieren und Strukturen bilden, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Eine andere Methode ist die Verwendung von Nanophotonik, bei der wir mit den kleinen Lasern Nanomaterialien schneiden können. Dies würde Fehler bei der Herstellung von Nanosensoren reduzieren.