Von Stöcken und Skalen: Nanosensoren, Nanofabrikation und wie die Welt viel kleiner ist, als Sie denken

Seit der Antike haben sich die Menschen immer für zwei Fragen interessiert. Wie groß kann es werden? Und auf der anderen Seite, wie klein können die Dinge werden? Obwohl die erste Frage mit Legenden großer Götter, die über den Kosmos herrschten, schnell geklärt wurde (was natürlich nichts über die Genauigkeit aussagte), blieben die Antworten auf die zweite Frage für die Philosophen der Zeit schwer zu finden. Warum sollten Sie sich dann Dinge ansehen, die Sie nicht sehen können?

Wie sich herausstellt, gibt es tatsächlich eine ganze Reihe von Gründen, sich damit zu beschäftigen.

Alte Zivilisationen hatten eine lustige Art, Wissenschaft zu betreiben. sie stocherten gern mit Stöcken in den Dingen herum. Natürlich lief dies in den ersten Jahrhunderten gut. Wenn Sie Stöcke mit Stöcken stießen, machten Sie Feuer. Wenn man Tiere mit Stöcken stupst, bekommt man Essen. Wenn Sie lange genug mit einem Stock auf einen Stein gestoßen haben, haben Sie ein Werkzeug hergestellt. Wenn Sie mit einem Stock gegen einen Anführer stocherten, begannen Sie, die Welt zu verändern. Leider gab es einen Punkt, an dem die Stick-Poking-Methode nicht mehr funktionierte. Im Laufe der Zeit begann sich alles zu ändern: Theorien, Ideologien und sogar Fakten. Die Dinge wurden kleiner: Zellen, Atome, Quarks. Die Welt war zu klein und die Stöcke einfach zu groß.

Die Welt passte sich weiter an und Technologie und Wissenschaft passten sich an. Die makroskopische Welt hörte auf, Stöcke zu benutzen, und begann, mit Licht, Ton, Elektrizität, Magnetismus, Energie und mehr zu forschen. Die Chemikalien wurden gemischt, bis wir herausgefunden hatten, warum und wie sie explodieren würden. Steine ​​wurden fallen gelassen, bis wir herausfanden, wie wir rechnerisch berechnen können, wie schnell sie fallen würden. Wir sind gewachsen, die Welt ist gewachsen, und irgendwann haben wir die Welt wieder im Blick, die wir nie klar sehen konnten. In den letzten Jahren hat die Menschheit gelernt, diese Welt neu zu sehen, jenseits des Steckens von Stöcken. Dies ist die Welt der Nanosensoren, und wie sehr winzige Maschinen die Welt verändert haben.

Man stößt mit einem Stock zu heftig gegen das Feuer. Foto von Mohamed Nohassi auf Unsplash

Entschuldigung, was?

Nanotechnologie! Wir sind ziemlich weit an Stöcken vorbeigekommen. Nano, wie hier verwendet, bezieht sich auf Nanometer, die 1 x 10 ^ –9 Meter oder ein Milliardstel Meter sind. Ihre Fingernägel wachsen ungefähr einen Nanometer pro Sekunde, ein rotes Blutkörperchen ist ungefähr 7000 Nanometer groß und die meisten Atome sind zwischen 0,1 und 0,2 Nanometer groß. Nanoskala bezieht sich auf Objekte mit einer Länge von wenigen hundert Nanometern.

Die meisten modernen Konzepte wie Magnetismus und Photonik sind zum Glück im Nanomaßstab anwendbar. Was jedoch wichtig ist, ist, dass auch auf dieser Ebene nicht alles Sinn macht. Wenn zum Beispiel die Quantenphysik jemals erwähnt wird, ist es ziemlich sicher anzunehmen, dass es ihre Aufgabe ist, die Dinge durcheinander zu bringen, sofern nicht anders angegeben. Luft wird zu Teilchen, die Schwerkraft funktioniert nicht so, wie Sie es erwartet haben, und habe ich schon die Quantenphysik erwähnt?

XKCD # 1240: Quantenmechanik.

In beiden Fällen basieren Nanosensoren auf der Idee, Eingaben im Nanobereich durch einen als Transduktion bezeichneten Prozess in lesbare Ausgaben umzuwandeln. Lesen Sie nicht zu viel hinein, es ist nur ein Name, sondern auch, weil die Methode viel wichtiger ist. Ohne weiteres…

Was ist ein Nanosensor?

Wie sich wahrscheinlich aus dem Namen ableiten lässt, registrieren Nanosensoren die Umgebung im Nanobereich und wandeln sie in ein Signal um, das überwacht und genutzt werden kann, sei es elektrisch, schallbasiert oder ein anderer Typ. Obwohl sie alle unter den Namen Nanosensor fallen, ist dies, gelinde gesagt, eine sehr weit gefasste Definition. Ähnlich wie wenn jemand „Sensor“ sagt und Sie nicht nur an ein Thermometer oder eine Kamera denken, sind Nanosensoren unglaublich unterschiedlich in der Art und Weise, wie sie hergestellt werden und wie sie ihre Aufgaben erfüllen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sie und der Umfang ihrer Eingaben kleiner sind.

Was nützt ein Label, wenn Sie den Inhalt nicht weiter klassifizieren können? Zunächst gibt es zwei Arten von Nanosensoren. Obwohl die Namen inoffiziell sind, sind die Unterscheidungen wichtig:

Typ-1-Nanosensoren sind das, was Sie sich normalerweise als Nanosensor vorstellen: ein Sensor, der Nanotech-Komponenten verwendet oder an sich Nanotech ist. Aufgrund ihrer Größe können sie nicht zu komplex sein - tatsächlich können sie nur einen Job ausführen und darauf basierend ein Signal senden.

Typ-2-Nanosensoren sind andere Arten von Sensoren, die in der Lage sind, nanoskalige Phänomene zu messen, aber nicht notwendigerweise selbst nanoskalig sind.

Mit anderen Worten, Nanosensoren müssen nicht nanoskalig sein.

Nanosensoren vom Typ 1, Nanodrähte, auf einer dünnen Kunststoffplatte. Bildnachweis: sciencedirect.com

Beide Typen sind gleichermaßen Nanosensoren. Bei der Betrachtung der Entwicklung und Überwachung der Nanoskala spielt es in der Regel keine Rolle, welche Art von Nanosensor die Aufgabe erfüllt, da beide letztendlich für ungefähr die gleichen Aufgaben arbeiten. Typ-1-Sensoren können jedoch einige seltsame Quanteneffekte nutzen, die Typ-2-Sensoren normalerweise nicht gleichermaßen nutzen können. Typ-2-Sensoren müssen in der Regel keine Quantenfremdheit berücksichtigen. Beide sind auf ihre Weise nützlich. Einfach ausgedrückt, übertragen Nanosensoren Informationen von klein bis groß, indem sie das Verhalten und die Eigenschaften von Nanopartikeln überwachen. Nennen wir einige Arten von Nanosensoren und erklären die Grundlagen ihrer Funktionsweise, um zu zeigen, wie vielfältig sie tatsächlich sind.

Elektrochemische Transduktion

Unter Verwendung von Chemikalien und chemischen Reaktionen im molekularen Maßstab können diese Nanosensoren Leitfähigkeitseigenschaften nutzen, um genaue Messwerte für Chemikalien in der Umwelt zu erhalten. Typischerweise enthält der Sensor eine chemische Verbindung, die mit umgebenden Elementen und Molekülen reagiert und einen anderen Faktor wie Masse oder elektrische Ladung ändert, der dann erfasst werden kann.

Kohlenstoff-Nanoröhren. Bildnachweis: graphene-info.com

Eine der zuverlässigsten Methoden für diese Art der Transduktion ist die Verwendung von halbleitenden einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), mit denen sich Gase wie Ammoniak und flüchtige organische Verbindungen wie Methan nachweisen lassen. Die Eigenschaften von CNTs geben ihnen eine Empfänglichkeit für bestimmte andere Chemikalien, wie die oben angegebenen. Es besteht auch die Möglichkeit, andere Metall- und Polymernanopartikel aufzutragen, um die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Elementen zu verbessern. Stellen Sie es sich als Add-On vor, wie ein USB-Mikrofon für einen Computer. Es ändert die Fähigkeiten des ursprünglichen Sensors und gibt ihm eine neue Verwendung. Ein einzelner Sensor kann vorhersehbar nicht viel, da jeder einzelne Sensor wirklich nur anhand der Zusammensetzung seiner einzelnen CNT nach Erkennungen suchen kann. Eine Anordnung von mehreren Sensoren kann dies jedoch leicht beheben, obwohl die Gesamtverwendung immer noch begrenzt sein kann.

Ein wichtiger Vorteil der Art der Erfassung besteht darin, dass für die Arbeit kein Etikett erforderlich ist, wodurch Zeit, Mühe, Gesundheit, Geld und mehr gespart werden. Ein Label stellt in diesem Zusammenhang ein Nebenprodukt dar, mit dem Messungen wie Radioaktivität oder Fluoreszenz durchgeführt werden. Dies hat in bestimmten Anwendungen keine allzu großen Auswirkungen, aber diese Eigenschaft ist bei medizinischen Anwendungen dieser Sensoren wichtig, um eine Kontamination oder Schädigung zu vermeiden. Diese Sensoren konnten in Echtzeit genaue Daten zu vielen biologischen Ereignissen erfassen, einschließlich DNA, Antikörpern, Proteinen und mehr.

Es gibt offensichtlich Nachteile. CNTs reagieren nicht auf bestimmte Chemikalien, komplexe Gemische können immer noch eine Reihe von Nanosensoren auslösen, und die Oberflächenchemie von Nanomaterialien kann von der Substanz abweichen.

Magnetische Wandler

Wie sich herausstellt, sind Schaltungen eine hervorragende Möglichkeit, Magnetfelder zu erfassen. Die Festkörpertechnologie, wie sie auch in SSD-Computerlaufwerken verwendet wird, hat eine überraschende Anwendung im Nanobereich. Wenn dies in einen Sensor integriert ist, spricht man von magnetoelektrischen Geräten oder von Spintronics (was meiner Meinung nach ein weitaus kühlerer Name ist). Das Vorhandensein und die Stärke eines Feldes können gemessen werden, indem der Widerstand im Gerät gemessen wird.

Das Quantenfeld eines Magneten, das von magnetischen Nanosensoren erfasst werden kann. Bildnachweis: sciencedirect.com

Die Technologie ist nichts Neues, da sie hauptsächlich auf Siliziumwafern basiert, die makroskopisch für die Verwendung in Computern entwickelt wurden. Aus diesem Grund können Magnetwandler sehr einfach in bestehende Systeme integriert werden und sind billiger als die meisten anderen Nanosensoren, da sie keine Optik oder Photonik benötigen. Lassen Sie sich davon jedoch nicht täuschen, da die Technologie immer noch sehr kompliziert ist. Magnetische Nanotechnologie ist schwierig zu handhaben, da ihre Reichweite sehr empfindlich ist. Wartung und Montagegenauigkeit sind die wichtigsten Faktoren, um sicherzustellen, dass ein magnetischer Nanosensor ordnungsgemäß funktioniert.

Magnetische Nanosensoren haben bereits Anwendungen in der Fahrzeugdetektion, Gesundheitsdiagnose und Kalibrierung hochpräziser Instrumente gesehen. Der einzige Grund, warum sie nicht häufiger verwendet werden, ist, dass magnetische Hintergrundgeräusche selbst unter idealen Bedingungen bekanntermaßen schwer zu beseitigen oder zu berechnen sind.

Ein unglücklicher Nebeneffekt ist, dass es mit Magneten viele Hintergrundgeräusche gibt. Bildnachweis: Wikipedia

Mechanische Wandler

Von allen Nanosensoren ist diese Marke wahrscheinlich den zuvor erwähnten Sticks am ähnlichsten. Mechanische Wandler basieren auf den Grundgesetzen der Physik und sind einfach und auf den Punkt zu bringen. Viele dieser Wandler replizieren einfach die makroskopische Wahrnehmung in kleinerem Maßstab, wobei ein Großteil der Physik konstant bleibt. Sie können Dinge wie Schwingung, Viskosität, Dichte, elektrische / magnetische Felder (unter bestimmten Umständen) oder Strahlung messen - alles Phänomene, die ein physikalisches System beeinflussen können.

Wenn sich Goldatome in dieser CNT verfangen, ändert sich die Geschwindigkeit, mit der die Röhre schwingt. Dies kann gemessen werden.

Da sie keine komplexe Technologie verwenden, können mechanische Wandler Hebeln, Knöpfen, Thermometern und vielem mehr ähneln, um den Zustand ihres spezifischen Ziels herauszufinden. Ein Nebeneffekt davon ist, dass mechanische Nanosensoren widerstandsfähiger gegen Erwärmung und Abkühlung sind und formbarer sein können als die anderen Sensortypen.

Das größte Problem bei diesen Sensortypen ist leider die Quantenphysik. Phänomene wie Quantentunneln und Unsicherheit beeinträchtigen die Genauigkeit dieser Sensoren, weshalb es wichtig ist, die Ergebnisse dieser Sensoren noch einmal zu überprüfen. Was nützt es, eine Mauer zu haben, wenn die Dinge sich doch weiter durchziehen?

Nanofabrikation

Montage von oben nach unten

In der Renaissance schnitzten Künstler wie Michelangelo Statuen aus riesigen Marmorblöcken. Diese große Masse in ein kleineres Produkt zu verwandeln, ist die Top-Down-Montage. Sie beginnen mit einem Stück Material und schnitzen es in die gewünschte Form. Bei Statuen hat dies hervorragend funktioniert, aber da die Nanotechnologie in der Regel komplexer ist, ist es schwierig, diese Art der Herstellung mit Genauigkeit durchzuführen, zumal Unvollkommenheiten im Original zu Inkonsistenzen führen. Wir können uns auf Laser oder Magnete verlassen, um diese Art von Arbeit zu erledigen, aber das Problem ist auch hier, dass es unglaublich schwierig ist, Grundmaterialien zu sichern, die für die von Ihnen benötigte Maschine ideal sind.

Marmorschnitzerei, ein klassisches Beispiel für die Montage von oben nach unten.

Montage von unten nach oben

Diese Art der Montage ähnelt eher dem Bauen mit Legos, bei dem kleine Steine ​​genommen werden und ein größeres Ganzes aufgebaut wird. Der Mensch hat dies in den letzten Jahren mit der sogenannten molekularen Assemblierung getan, bei der es darum geht, einzelne Moleküle des Grundmaterials aufzunehmen und nach oben aufzubauen - genau wie bei Legos. Es ist ein langsamer Prozess, der jedoch bis zu einem gewissen Grad dazu beigetragen hat, einige unspezifische Entwicklungen hervorzubringen. Sehen Sie sich dieses Video an, um eine ziemlich gute Vorstellung davon zu bekommen, wie es funktioniert.

Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen, aber es besteht die Möglichkeit, sie, wie im Video gezeigt, bald zu industrialisieren. Es gibt jedoch fortgeschrittenere Theorien, die auf einer ehrgeizigeren Version der Bottom-Up-Assemblierung basieren:

Selbstorganisation

Die Fantasie von kleinen Robotern, die winzige Schrauben und Muttern zusammenbauen, klingt zwar cool, ist aber leider weit von der Wahrheit entfernt. Selbstorganisation nimmt im Kreis der Chemie einen anderen Namen an: die chemische Synthese. Die Idee ist, eine Kettenreaktion wie eine Rube Goldberg-Maschine einzurichten. Wenn die Reaktion ausgelöst und beendet wird, entsteht eine vollständig ausgebildete Nanomaschine. Offensichtlich ist dies absurd kompliziert, so dass die wahrscheinliche Obergrenze für diese Art der Anordnung ungefähr tausend Atome beträgt. Es ist schwierig, alles vorherzusagen, was auch passieren wird, daher ist diese Technik auch unzuverlässig (es gibt einen Grund, warum ich es eine Theorie nannte). Das Wesentliche ist, dass niemand wirklich weiß, wie oder warum sich die Dinge so verhalten, wie sie sich verhalten, aber wenn wir es herausfinden, können wir es zur Massenproduktion anderer Nanomaschinen verwenden.

Ein Bild, das die lächerlichen Umstände beschreibt, die hinter der Selbstorganisation stehen, und alles, was irgendwie richtig sein muss. Bildnachweis: Royal Society of Chemistry

Hört sich toll an, was ist das Problem?

Nun, das Problem ist meistens, dass Nanofabrikation eine ziemlich knifflige Kunst ist. Die Top-Down-Methode ist ungenau, die Bottom-Up-Methode langsam und ineffizient, und die Selbstmontage ist meist noch ein Wunschtraum. Die einzige Industrie, die industrielle Nanomaschinen wirklich benötigt, ist die Halbleiterindustrie, was bedeutet, dass es keine Eile gibt, von der Fertigung zur Serienfertigung überzugehen - umso besser, als in unserer gegenwärtigen Position nur einfache Maschinen zu erreichen. Tatsächlich hat sich die Wissenschaft noch nicht ganz darauf geeinigt, was derzeit möglich und noch nicht möglich ist. Am Ende ist die Straße immer noch sehr offen und kann frei erkundet werden.

Aber warum ist das wichtig?

Faire Frage! Im Geiste der Wissenschaft bin ich verpflichtet zu sagen, dass dies nicht der Fall ist. Es ist sogar etwas wahr, da Nanosensoren doch nicht viel für sich tun. Die Nanoskala funktioniert, ohne dass Menschen mit ihren Stöcken darauf stoßen, und die Alten haben es gut gemacht, nicht wahr?

Eine Idee für eine Zukunft, in der die Nanotechnologie Viren eins zu eins bekämpfen kann. Wie cool ist das? Bildnachweis: Singularity Hub

Glücklicherweise findet Wissenschaft nicht im luftleeren Raum statt (es sei denn, Sie befinden sich auf einem Weltraumspaziergang). Das Ziel von Nanosensoren ist es, kleinste Änderungen zu erkennen und diese anzuwenden, um Informationen zu erhalten, die in großem Maßstab verwendet werden können. Stellen Sie sich vor, Sie könnten Roboter in einen Körper schicken, um Viren wie in Fernsehsendungen anzugreifen, oder Sensoren verwenden, die in der Luft schweben, um nahezu perfekte Wettervorhersagen zu erhalten. Die Technologie wird bereits heute in Bereichen wie Medizin, Energie, Verkehr und Landwirtschaft eingesetzt. Chemische Sensoren können verwendet werden, um Spuren von Giftstoffen in Lebensmitteln und der Luft in einem Raum zu erfassen. Sie können den Quecksilbergehalt in einer Fleischprobe ermitteln oder die Auswirkungen einer Behandlung auf die Gesundheit eines Patienten in Echtzeit überwachen.

Aufgrund der Hyperspezifität von Nanosensoren in Kombination mit ihrer möglichen Massenproduktion können diese neuen Untersuchungen die Art und Weise verändern, wie Maschinen Dinge in unserem täglichen Leben tun. Durch diese Erkenntnis betreten Nanosensoren Neuland und ermöglichen es dem Menschen, immer größere Durchbrüche zu entwerfen, zu bauen und zu vermarkten. Rom wurde nicht an einem Tag erbaut, und diese Entdeckungen werden verdammt viel länger dauern. Zum Glück haben wir Zeit.

Rom wurde nicht an einem Tag erbaut. Weder wird Nanotechnologie.

Prozess verbessern

Während ich diesen Artikel schrieb, hatte ich die große Herausforderung, ein paar Möglichkeiten zu finden, um den Nanofabrikationsprozess zu verbessern. Ich habe darüber nachgedacht und mir das ausgedacht.

Ich habe darüber nachgedacht, wie Proteine ​​und Aminosäuren in Zellen verwandt sind, wobei Proteine ​​auf der Grundlage einer bestimmten Anweisung aus Aminosäuren zusammengesetzt werden. Wenn wir den Nanofabrikationsprozess in so etwas zerlegen könnten, wäre es viel einfacher, einfache Teile zusammenzusetzen und diese dann zu komplexeren Teilen zu kombinieren.

Proteinsynthese. Die Idee ist, Bausteine ​​zu verwenden, um komplexere Strukturen zu erstellen.

In einem vereinfachten Fall könnten wir zum Beispiel, wenn ein bestimmter Maschinentyp 5 von Teil A und 6 von Teil B benötigt, das Material in Stück X und Stück Y vormontieren. Es wäre dann einfacher, X und Y zusammenzufügen es wäre, die gesamte Maschine zusammenzubauen, und es besteht immer die Möglichkeit, dass andere mögliche Maschinen auch X oder Y als Komponente verwenden. Dies kann die Verwendung einer Kombination von Top-down und Bottom-up ermöglichen. Vorherige Iterationen erforderten eine Form, aber hier konnten die Teile von oben nach unten zusammengesetzt werden (da sie nicht immer präzise sein müssen) oder automatisch zusammengesetzt werden, während die gesamte Maschine von unten nach oben zusammengesetzt werden konnte. Die Idee braucht etwas Arbeit, aber der beste Weg zur Innovation ist die Nachahmung der Natur.

Letzte Gedanken und zukünftige Lesungen

Der Fortschritt der Nanotechnologie ist beeindruckend. Die Tatsache, dass wir uns so weit über unsere Welt hinaus ausgedehnt haben, sowohl für die Großen als auch für die Kleinen, sagt etwas über die menschliche Verfassung aus. Engagierte Wissenschaftler, Ingenieure, Philosophen, Mathematiker und viele mehr haben zusammengearbeitet, um die Welt zu erobern, die kleiner ist als unsere eigene. Obwohl es Kämpfe gibt und an so vielen verschiedenen Orten viel zu lernen ist, haben wir weiter gelernt, versucht, versagt und es erneut versucht. Wir rücken immer näher an unsere nächsten großen Meilensteine ​​heran, und die Nanotechnologie wird definitiv dabei helfen. Wir sind sicherlich weit davon entfernt, Dinge mit Stöcken anzustupsen.

Wenn Sie weitere Informationen wünschen, finden Sie hier einige Links zum Lesen und Ansehen. Bitte haben Sie einen schönen Tag.

https://www.youtube.com/watch?v=mnJcP10Lr7g

https://www.medicalnewstoday.com/articles/299663.php

https://pubs.rsc.org/de/content/articlelanding/2019/ra/c8ra10144b#!divAbstract

https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/nanosensors