Die komplexe Welt der Nanosensoren und der Nanofabrikation verstehen

Lassen Sie uns tief in die Welt der Nanotechnologie eintauchen - genauer gesagt die der Nanosensoren. Wir werden diskutieren, was Nanosensoren sind, wie wichtig sie sind, wie sie arbeiten, wie sie aufgebaut sind, welche Probleme die Nanofabrikation hat und wie man die bestehenden Nanofabrikationsprozesse verbessern kann. Die Dinge könnten kompliziert werden, aber bleib bei mir - es wird eine wilde, aber faszinierende Fahrt sein.

Zunächst einmal… was genau sind Nanosensoren?

Ein Nanosensor kann als ein Gerät definiert werden, das Informationen und Daten über die Eigenschaften von Nanopartikeln auf nanoskaliger Ebene zur makroskopischen Ebene übermitteln kann.

Möglicherweise wissen Sie nicht, dass unser heutiges Leben auf Sensoren beruht, damit die Gesellschaft effektiv arbeiten kann. Sensoren während der Fahrt erkennen Autos an Ampeln und passen den Fluss durch Kreuzungen an. Sensoren im Eaton Center erkennen Ihre Präsenz und öffnen Türen, um Sie in Ihr Lieblingsgeschäft zu bringen. Sensoren messen beim Waschen sogar den Wasserstand in Ihrer Waschmaschine und stellen sicher, dass Ihr Haus nicht durch Überlauf überflutet wird.

Nanosensoren arbeiten auf dieselbe Weise, erkennen aber nanoskopische Partikel und Mengen von etwas.

Einige Nanosensoren haben Abmessungen im Nanomaßstab, andere führen Messungen im Nanomaßstab durch, haben jedoch nicht notwendigerweise Abmessungen im Nanomaßstab.

Im Wesentlichen handelt es sich bei einem Nanosensor um einen Sensor, der entweder eine Größe im Nanomaßstab (10 bis 100 Nanometer) haben muss. Um dies in Relation zu setzen, ist ein Blatt Papier etwa 100.000 Nanometer dick und eine blonde Haarsträhne misst etwa 30.000 Nanometer ) oder der Abstand zwischen dem Nanosensor und dem beobachteten Objekt muss im Nanomaßstab liegen.

Lassen Sie uns ein wenig darüber sprechen, warum Nanosensoren so wichtig sind…

Nanosensoren finden in vielen verschiedenen Bereichen unserer modernen Welt Anwendung - von der Medizin- und Gesundheitswelt bis hin zu Verbraucherprodukten und der Verteidigung. Hier einige innovative Wege, auf denen Nanosensoren eine wichtige Rolle in unserem Leben spielen:

  1. Messtemperatur: Bei Princeton und California-Berkeley wurden "Nano-Thermometer" entwickelt, die in einzelne Zellen eingesetzt werden können. Anstelle herkömmlicher Thermoelementdrähte werden bei ihrer Technik Halbleiterkristalle eingesetzt, die ihre Farbe ändern, wenn sich die Temperatur ändert.
  1. Krebszellen erkennen und eliminieren: Roboter-Nanosensoren, die den Körper zirkulieren, um Tumore in Krebszellen zu erkennen, und diese mit 100% Effizienz eliminieren können, ohne gesunde Zellen zu schädigen. Nanotechnologie bietet die Möglichkeit, Chemotherapien direkt und selektiv auf Krebszellen zu richten und die chirurgische Tumorresektion zu leiten.
  1. Luftchemikalien detektieren: Diese Sensoren berücksichtigen die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, wenn sich Moleküle an Nanodrähten aus Halbleitermaterialien wie Zinkoxid anlagern. Zum Beispiel Sensoren, die eine Änderung der Kohlenmonoxidgehalte in der Atmosphäre feststellen.
    1. Messen der Temperatur von Nanofluiden: Das Management von Wärme in der Elektronik ist ein wachsendes Problem. Vor kurzem hat Apple beschlossen, die Abgabe von Airpower an die Öffentlichkeit aufgrund von Wärmemanagement abzubrechen. Die Forschung ist jedoch auf dem Weg, Nanofluide mit überlegenen Wärmeleitfähigkeitseigenschaften zu schaffen, die die Temperatur regulieren würden. Daher sind Sensoren erforderlich, um diese „Nano“ -Effekte zu messen und zu analysieren.
    2. Kleine halbleitende Nanokristalle, sogenannte Quantenpunkte, können je nach Größe ein Spektrum von Farben erzeugen, um die Temperatur einzelner Zellen abzulesen. Foto: SCMP-Bilder

      Lassen Sie uns jetzt ein wenig darüber sprechen, wie Nanosensoren funktionieren - ich weiß, dass Sie sich fragen müssen.

      Nun, es gibt zwei Arten von Nanosensoren - mechanische Nanosensoren und chemische Nanosensoren - die beide unterschiedliche Erfassungsmechanismen haben.

      Nanosensoren, die Chemikalien erkennen, arbeiten, indem sie die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Nanomaterials beobachten und messen, sobald ein Analyt erfasst oder nachgewiesen wurde. Viele Nanomaterialien haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die bei der Bindung oder Adsorption eines Moleküls abnimmt. Diese Veränderung wird gemessen. 1D-Materialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen und Nanodrähte sind großartige Beispiele für chemische Nanosensoren, da ihre elektrisch begrenzte Struktur sowohl als Wandler als auch als elektronische Drähte fungieren kann, sobald ein Analyt erfasst wurde.

      Bild einer Kohlenstoffnanoröhre

      Mechanische Nanosensoren funktionieren auch, indem sie eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit eines Materials erkennen. Der Mechanismus dafür ist jedoch sehr unterschiedlich. Nanomaterialien, die als mechanische Nanosensoren verwendet werden, ändern ihre elektrische Leitfähigkeit, wenn das Material physikalisch manipuliert wird, und diese physikalische Veränderung bewirkt eine erkennbare Reaktion. Diese Änderung kann auch mit einem angeschlossenen Kondensator gemessen werden, bei dem die materielle physische Änderung eine messbare Änderung der Kapazität verursacht.

      Es ist wirklich interessant zu erfahren, wie Nanosensoren gebaut werden. Im Wesentlichen scheint es drei Wege zu geben, wie Nanosensoren hergestellt werden.

      1. Das Bottom-up-Verfahren erzeugt Nanosensoren, indem die Sensoren aus noch mehr nanoskopischen Komponenten zusammengesetzt werden, z. B. durch präzise Bildung eines Materialatoms. Dies würde bedeuten, dass Atome einer bestimmten Substanz Stück für Stück in bestimmte Positionen bewegt werden, was in wissenschaftlichen Tests zwar erreicht wurde, aber immer noch schwierig ist. Beispiele hierfür sind Verfahren wie ALD (Atomic Layer Deposition), eine Untermenge von CVD (Chemical Vapour Deposition).
      1. Bei der Herstellung von Top-Down-Verfahren werden heute die meisten nanoskopischen Materialien hergestellt. In diesem Prozess wird ein Material in eine Form geschnitten und nach unseren Bedürfnissen geätzt. Diese herausgeschnitzten Materialien werden auf ein nanoskopisches Niveau geschliffen. Ab sofort ist diese Methode in der Industrie üblich. Beispiele für solche Prozesse sind Plasmaätzen, Top-Down-Lithographie und vieles mehr.
      1. Der dritte Weg (im Moment ist einfach eine Theorie!), Der viel schnellere Ergebnisse verspricht, die Selbstorganisation oder das „Wachsen“ / Erstellen bestimmter Nanostrukturen umfasst, die als Sensoren verwendet werden. Dies beinhaltet häufig einen bereits vollständigen Satz von Komponenten, die sich automatisch zu einem Endprodukt zusammenfügen würden. Wenn Sie diesen Effekt für einen gewünschten Sensor in einem Labor genau reproduzieren können, könnte dies bedeuten, dass Wissenschaftler Nanosensoren schneller und möglicherweise billiger herstellen könnten, indem sie zahlreiche Moleküle nahezu ohne Einfluss aufbauen lassen, anstatt jeden Sensor manuell mit Prozessen wie z dünne Filme und ALDs. Dies ist im Wesentlichen eine fortgeschrittene Bottom-Up-Methode.
      2. Die Nanofabrikation war im letzten Jahrzehnt eine der wichtigsten Entwicklungen, ist jedoch nicht ohne Probleme.

        Die Herstellung der Nanofabrikation erfordert viel Zeit, da die Technologie nicht dort ist, wo sie benötigt wird. Wie viele unserer größten Innovationen befindet sich die Nanofabrikation noch im Anfangsstadium der Innovation und erfordert Fortschritte in der Nanotechnologie, um wirklich nahtlos, effektiv und effizient zu sein.

        Gegenwärtig gibt es Probleme mit den Herstellungsverfahren von oben nach unten und von unten nach oben. Die Herstellungsmethode von oben nach unten ist effizienter und benötigt weniger Zeit als die Herstellungsmethode von unten nach oben, 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.

        Unabhängig davon, wie Sie mit der Nanofabrikation umgehen, gibt es einige Probleme, die es zu überwinden gilt - einschließlich: Die Zugangsbarrieren erschweren den Betrieb, und die damit verbundenen Kosten erschweren die Handhabung, und es gibt noch viel zu lernen und Informationen über die inneren Abläufe der Technologie.

        Sehen wir uns nun an, wie Menschen versuchen, den Nanofabrikationsprozess zu verbessern.

        Derzeit gibt es viele Ideen, um den aktuellen Nanofabrikationsprozess zu verbessern. Ab jetzt versuchen Wissenschaftler, sich von der Top-Down-Fertigung in die Bottom-Up-Fertigung zu bewegen. Eine Theorie ist die Selbstorganisation, die Fähigkeit von Atomen und Partikeln, sich selbst zusammenzustellen, um bestimmte Produkte und Strukturen mit geringen Energiemengen herzustellen.

        Grafische Darstellung der statischen und dynamischen Selbstorganisation und deren Beziehung zu Zusammenbau, hierarchischem Zusammenbau und gerichtetem Zusammenbau. Diese Illustration wurde mit Erlaubnis von Concepts of Nanochemistry, L. Cademartiri und G.A.Ozin, VCH-Wiley, 200920 aufgenommen. Originalquelle bei der Recherche: ScienceDirect.com

        Eine andere Idee ist die molekulare Anordnung. Denken Sie im Wesentlichen an eine Fabrik und eine Montagelinie, die Produkte herstellen, aber skalieren Sie sie auf Nano-Ebene. Materialien könnten mit absoluter Präzision gebaut werden und wären atomar genau. Natürlich sind solche Ideen derzeit Ideen und Visionen. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft ist eine universelle molekulare Anordnung nicht einmal ein theoretisches Konzept, das ausgeführt werden kann. Es gibt einfach zu viele Probleme rund um die Idee, die das Erstellen unmöglich machen würden.

        Ab heute könnten Lösungen verschiedene Materialien und Partikel enthalten, um den Bottom-up-Prozess zu beschleunigen.

        Abschließende Gedanken

        Als ich in die Welt der Nanotechnologie eintauchte, fiel mir auf, wie ein einzelner Mensch die Welt mit einer Idee verändern kann, die die Zukunft für immer verändert. Als der amerikanische Physiker Richard Feynman im Dezember 1959 bei einem Treffen der American Physical Society in Caltech über "Es gab viel Platz am Boden" vorlegte, hat er vielleicht nicht gewusst, dass er Inspiration für das Gebiet der Nanotechnologie liefert und wie dies die Technologie beeinflussen wird Zukunft.

        Der amerikanische Physiker Richard Feynman: Neben seiner Arbeit in der theoretischen Physik wurde Feynman Pionierarbeit geleistet und der Begriff Nanotechnologie eingeführt

        Ich freue mich darauf, mich weiter mit Ideen zu beschäftigen, die die Welt zu einem besseren Ort machen und Milliarden von Leben beeinflussen können. Es erinnert mich an eines meiner Lieblingszitate von Abraham Lincoln, mit dem ich Sie verlassen werde.