211service.com
Nano czujnik ciśnienia
Skręcanie, zginanie lub ściskanie materiałów piezoelektrycznych wytwarza energię elektryczną – efekt, który jest używany w mikrofonach i telefonach. Teraz, korzystając z efektu piezoelektrycznego w nanodrutach z tlenku cynku, naukowcy z Georgia Institute of Technology stworzyli maleńkie urządzenia, które mogą mierzyć niezwykle małe siły – w zakresie nano-pikonewtonów. Chodzi o siłę zaangażowaną w interakcje między dwiema cząsteczkami, mówi Zhong Lin Wang , profesor materiałoznawstwa i inżynierii w Georgia Tech, który kierował badaniami.
Poczuj to? Nanodruty z tlenku cynku są niezwykle wrażliwe na niewielkie siły, w zakresie od nano do pikonewtonów. Gdy niewielka siła (strzałka) wygina nanodrut, na jego powierzchni gromadzą się ładunki elektryczne i zmniejszają przepływający przez niego prąd. Zasadę tę można by wykorzystać do stworzenia małych czujników ciśnienia, które można by wszczepić w ciało oraz w samoloty i promy kosmiczne.
Możliwość pomiaru tak małych sił może prowadzić do urządzeń, które można by wszczepiać do organizmu w celu ciągłego pomiaru niewielkich zmian ciśnienia krwi, mówi Wang. Czujniki można by również zainstalować na skrzydłach samolotów i statków kosmicznych, aby monitorować bardzo małe wahania ciśnienia. A ponieważ prąd przepływający przez nanodrut reaguje szybko, można go wykorzystać do stworzenia czułego wyzwalacza poduszek powietrznych w samochodach. Jeśli jest poddawany działaniu siły zewnętrznej, wyłącza się w ciągu mikrosekundy, mówi Wang.
Pomysł wykorzystania efektu piezoelektrycznego do wytwarzania czujników ciśnienia nie jest nowy, mówi Toh-Ming Lu , profesor fizyki stosowanej w Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). Co ciekawe, naprawdę robi to na tak małą skalę – w nanoskali – mówi.
Łącząc dwa końce nanodrutu z tlenku cynku z elektrodami, grupa Wang stworzyła urządzenia podobne do tranzystorów w urządzeniach elektronicznych. W tranzystorze elektronicznym przyłożenie napięcia do elektrody bramki kontroluje przepływ prądu między elektrodą źródłową a elektrodą drenu. W nowym tranzystorze mierzącym ciśnienie dwie elektrody, do których podłączony jest nanodrut, działają jako źródło i dren, ale nie ma bramki. Zamiast przykładać napięcie do bramki, wystarczy zgiąć drut.
Kiedy nanodrut wygina się, rozciągnięta zewnętrzna strona zgiętego drutu staje się naładowana dodatnio, podczas gdy ściśnięta powierzchnia wewnętrzna staje się naładowana ujemnie. Różnica w opłatach tworzy napięcie zastępujące napięcie bramki.
Tlenek cynku jest biokompatybilny, więc można by wszczepić nanoprzewodowy czujnik ciśnienia w ramię, aby stale monitorować ciśnienie krwi, mówi Wang. Czujnik może przesyłać odczyt ciśnienia do odbiornika na zegarku, który wyświetla dane.
Ponieważ urządzenie opiera się na deformacji pojedynczego nanodrutu, można by pomyśleć, że czułość może być bardzo wysoka – mówi Yi Cui , profesor inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Stanforda.
Zaletą czujnika ciśnienia jest to, że można go przekształcić w urządzenie z całkowicie własnym zasilaniem, łącząc go z nanogeneratorem, co wcześniej wykazała grupa Wanga. (Patrz Darmowa energia elektryczna z nanogeneratorów). Nanogenerator wykorzystywałby energię mechaniczną z pulsujących naczyń krwionośnych i generował energię elektryczną, która zasilałaby czujnik ciśnienia.
Koncepcję tę można by również zastosować do innych rodzajów wykrywania. Jednym z zastosowań urządzenia może być bioczujnik, mówi Cui. Zasada jest taka, że cząsteczki uderzające lub przyklejające się do nanodrutów deformują przewód i zmieniają przepływający przez niego prąd. Naukowcy mogliby również opracować czujnik chemiczny, w którym reakcja chemiczna zaburza nanodrut, mówi Lu z RPI.
Pomysł jest obecnie na etapie laboratoryjnym, a naukowcy wciąż muszą opracować projekt samozasilającego się czujnika ciśnienia. To wyzwanie inżynieryjne może nie być łatwe, mówi Lu. Podstawowa idea jest całkiem niezła, mówi. Dokładnie tak, jak byś to zrobił – włożenie go do ciała i uzyskanie odpowiedzi, ustalenie, jaki jest sygnał, jaki jest hałas – to zawsze wyzwanie.