211service.com
En nano tryksensor
Drej, bøj eller klem piezoelektriske materialer, og de producerer elektricitet - en effekt, der bruges i mikrofoner og telefoner. Nu, ved at udnytte den piezoelektriske effekt i zinkoxid-nanotråde, har forskere ved Georgia Institute of Technology lavet bittesmå enheder, der kan måle ekstremt små kræfter - i nano-til-piconewton-området. Det handler om den kraft, der er involveret i interaktioner mellem to molekyler, siger Zhong Lin Wang , materialevidenskab og ingeniørprofessor ved Georgia Tech, der ledede forskningen.
Føler du det? Zinkoxid nanotråde er ekstremt følsomme over for små kræfter i nano- til piconewton-området. Når en lille kraft (pil) bøjer en nanotråd, ophobes elektriske ladninger på ledningens overflade og mindsker strømmen, der strømmer gennem ledningen. Princippet kunne bruges til at lave små tryksensorer, der kan implanteres i kroppen og på fly og rumfærger.
At være i stand til at måle så små kræfter kan føre til enheder, der kan implanteres i kroppen for at måle minutiøse blodtryksændringer kontinuerligt, siger Wang. Sensorerne kunne også installeres på vingerne af fly og rumfartøjer for at overvåge meget små tryksvingninger. Og fordi strømmen gennem nanotråden reagerer hurtigt, kan den bruges til at lave en følsom udløser for bilairbags. Hvis det er udsat for en ekstern kraft, så slukker det inden for et mikrosekund, siger Wang.
Ideen om at bruge den piezoelektriske effekt til at lave tryksensorer er ikke ny, siger Toh-Ming Lu , professor i anvendt fysik ved Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). Det, der virkelig er interessant, er at gøre det i så lille skala - på nanoskala, siger han.
Ved at forbinde de to ender af en zinkoxid-nanotråd til elektroder har Wangs gruppe lavet enheder, der ligner transistorerne i elektroniske enheder. I en elektronisk transistor styrer påføring af en spænding til gate-elektroden strømmen af strøm mellem source- og drænelektroderne. I den nye trykfølende transistor fungerer de to elektroder, som nanotråden er forbundet til, som kilde og dræner, men der er ingen gate. I stedet for at påføre en spænding ved porten, bøjer man blot ledningen.
Når nanotråden bøjes, bliver den strakte yderside af den bøjede tråd positivt ladet, mens den komprimerede indre overflade bliver negativt ladet. Forskellen i ladninger skaber en spænding, der erstatter portspændingen.
Zinkoxid er biokompatibelt, så man kunne implantere nanotrådstryksensoren i armen for at overvåge blodtrykket kontinuerligt, siger Wang. Sensoren kunne overføre trykaflæsningen til en modtager på ens ur, der viser dataene.
Fordi enheden er baseret på deformationen i en enkelt nanotråd, kunne man tro, at følsomheden kan være meget høj, siger Yi Cui , professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford University.
En fordel ved tryksensoren er, at den kunne laves om til en helt selvforsynende enhed ved at kombinere den med en nanogenerator, hvilket Wangs gruppe tidligere har demonstreret. (Se Gratis elektricitet fra nanogeneratorer.) Nanogeneratoren ville udnytte den mekaniske energi fra pulserende blodkar og generere elektricitet, der ville drive tryksensoren.
Konceptet kunne også anvendes på andre typer sansning. En anvendelse af enheden kunne være som en biosensor, siger Cui. Princippet er, at molekyler, der rammer eller klæber til nanotrådene, vil deformere ledningen og ændre strømmen gennem den. Forskere kunne også udvikle en kemisk sensor, hvor den kemiske reaktion forstyrrer nanotråden, siger RPIs Lu.
Idéen er på et laboratoriestadie lige nu, og forskerne mangler stadig at komme med et design til en selvdrevet tryksensorenhed. Denne ingeniørudfordring er måske ikke let, siger Lu. Grundtanken er ret god, siger han. Præcis hvordan du ville gøre det – sætte det i kroppen og få responsen, finde ud af hvad der er signalet, hvad er støjen – det er altid udfordrende.