Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

14.2.1. Реальные проблемы проектирования нанодатчиков

Как отмечалось чуть выше, многие проблемы развития нанодатчиков просто повторяют те, с которыми разработчики сталкивались и продолжают сталкиваться при создании устройств, которые раньше именовались мини– или микродатчиками. В первую очередь речь идет об обеспечении интерфейса, то есть переходника между микроскопическим устройством и макроскопической системой регистрации. Наличие любого интерфейса автоматически подразумевает существование потоков (в термодинамическом смысле) электрических, механических, химических и других величин, не говоря уже о «шумах», связанных с процессами переноса. Работа любого датчика основана именно на регистрации таких потоков, поэтому, естественно, проблема детектирования особенно усложняется, когда они являются очень слабыми, то есть когда речь идет о регистрации ничтожных химических, электрических или акустических сигналов. Часто исследователям при регистрации сигналов от очень малых систем приходится применять крупногабаритное оборудование, позволяющее немного снизить уровень шумов (например, за счет понижения температуры и т. п.).

Анализ состава и состояния потоков особенно важен для химических и биологических датчиков, действие которых основано на быстром опознавании и регистрации состава сложных газовых и жидких сред. Разработчики таких устройств постоянно озабочены тем, что высокочувствительные и тщательно «спланированные» на наноуровне регистрирующие поверхности (именно они выступают часто в качестве интерфейса) могут легко разрушаться не только под воздействием регистрируемых соединений, но и просто под воздействием температуры, внешнего давления и т. п. С другой стороны, нанотехнологии предлагают уникальную возможность создания и практического использования огромного числа датчиков широкого профиля, то есть создание распределенной системы, в которой часть нанодатчиков может постоянно уничтожаться в процессе эксплуатации (образно говоря, погибать) без снижения эффективности общей способности системы к отслеживанию ситуации.

14.2.2. Риски коммерциализации

Развитие любой научно-технической идеи через инженерную разработку к производству коммерческого продукта представляет собой очень сложный многоступенчатый процесс при любых масштабах создаваемых устройств, но это общее правило особенно справедливо для внедрения новейших нанотехнологических технологий. Проблема коммерциализации наноизделий не сводится к обычному недоверию к новым товарам и процессам, а частично обусловлена тем, что исходные наноматериалы остаются пока достаточно дефицитными, и это, естественно, приводит к высокой стоимости производства новых систем или устройств. Постепенно цены на исходные материалы понижаются, однако существующая ситуация не позволяет малым компаниям быстро развертывать производство и получать прибыль, необходимую для дальнейшего развития. С конкретными проблемами коммерциализации нанодатчиков читатель может ознакомиться, прочитав один из последних обзоров по этой теме [88] .

14.3. Разнообразие возможностей

В настоящее время выпускается лишь небольшое число датчиков, которые могут быть с полным правом названы нанотехнологическими (и вообще можно считать, что эта область промышленного производства находится на самой ранней стадии развития), однако некоторые тенденции и особенности представляются ужедостаточно ясными. Ниже приводятся некоторые конкретные примеры, демонстрирующие возможности и перспективы использования нанотехнологий для создания разнообразных датчиков (или сенсоров) для регистрации физических, химических и биологических параметров окружающей среды. Интересно, что первоначально разработчики пытались использовать нанодатчики почти исключительно для измерения физических величин, и лишь позднее выяснилось, что они представляют также научную и практическую ценность в химии, биологии, охране окружающей среды и медицине. Именно в этих направлениях сейчас ведутся наиболее интенсивные научно-технические исследования, некоторое представление о которых дает обзор Во-Дина и др. [89] , посвященный возможностям нанодатчиков и так называемых биочипов для детектирования биомолекул. Стоит отметить, что внимание к разработке нанодатчиков стали проявлять в последнее время многие крупные корпорации, связанные с этой тематикой.

14.3.1. Физические датчики

На рис. 14.4 показан один из самых первых нанодатчиков, созданный сотрудниками Технологического института штата Джорджия специально для демонстрации поразительных электрических и механических свойств нанотрубок [90] . Это устройство представляет собой самые маленькие «весы» в мире, позволяющие измерять вес отдельных биологических молекул, причем показанная на рисунке нанотрубка играет роль упругого стержня в аналогичных механических устройствах. Под действием нагрузки (например, при закреплении на ее конце маленькой заряженной частицы) резонансная частота колебаний трубки несколько изменяется, что позволяет измерять массу частицы с удивительной точностью. Авторы планируют создать на этой основе измерительные устройства для взвешивания молекул и т. п.

Рис. 14.4. Резонансная частота колебаний нанотрубки несколько смещается после закрепления на ее конце наночастицы, что позволяет определить массу частицы со сверхвысокой точностью (микрофотография предоставлена Уолтером де Хиром из Технологического института, штат Джорджия, Атланта)

На рис. 14.5 показана схема и характеристики субмикронного механического электрометра, созданного Клиландом и Руксом из Калифорнийского технологического института [91] . Это новейшее нанотехнологическое устройство позволяет измерять величину заряда с точностью, превышающей заряд отдельного электрона в пересчете на ширину полосы пропускания (~0,1 электрон/sqrt (Гц) при 2,61 МГц), что значительно выше показателей всех существующих полупроводниковых устройств данного типа.

Рис. 14.5. Нанометрический механический электрометр состоит из торсионного механического резонатора, детекторного электрода и электрода затвора, связывающего заряд с механическим устройством (печатается с разрешения, © Nature Publishing Group)

14.3.2. Химические датчики

За последние несколько лет появилось много публикаций, посвященных созданию новых типов газовых датчиков на основе нанотрубок. Например, группа Моди и др. [92] на основе углеродных нанотрубок создала миниатюрный ионизационный газовый детектор, который авторы предлагают использовать в газовой хроматографии. Группа авторов во главе с Гримсом [93] предлагает измерять концентрацию водорода в атмосфере, пользуясь целой сетью автономных датчиков в виде нанотрубок из двуокиси титана. Сообщается [94] о создании химических датчиков на молекулярных нанопроволоках для регистрации некоторых газовых молекул (например, NO2 и NH3), а в одной из последних публикаций предлагалось «впечатывать» углеродные нанотрубки в гибкие пластиковые покрытия и использовать их для регистрации паров органических соединений [95] .

Другим направлением проектирования датчиков стало создание и использование так называемых наноразмерных кронштейнов (консолей). Например, в работе Дацкоса и Тундата [96] такие нанокронштейны были сформированы технологией фокусированных ионных пучков, а затем движение кронштейнов преобразовывалось в электронные сигналы. На рис. 14.6 показана решетка таких датчиков, которая обладает исключительно высокой чувствительностью и способна регистрировать наличие индивидуальных химических и биологических молекул. Показано, что датчики с кронштейнами могут быть созданы и из модифицированных нанолент ZnO, описанных в предыдущем разделе [97] .

Рис. 14.6. Решетка из химических датчиков с МЭМС-кронштейнами и электронной схемой преобразования сигналов. Фотогафия предоставлена Томасом Дж. Тундатом, Национальная лаборатория Оак-Ридж

14.3.3. Биодатчики

Нанотехнологии предоставляют множество возможностей для создания высокочувствительных и избирательных датчиков, регистрирующих самые разные виды биомолекул. В настоящее время уже существует технология производства цилиндрических стержней из металлических секций длиной от 50 нм до 5 мкм, получившие название Nanobarcodes. Такие наночастицы формируются последовательным электрохимическим восстановлением ионов металла на подложке из окиси алюминия, и они имеют самое различное применение. В частности, на их поверхность могут быть нанесены аналитические препараты и соединения (например, антитела), позволяющие избирательно регистрировать наличие в среде сложных молекул заданного типа. Схема действия устройств (этот механизм можно назвать наномасштабным «кодированием»), показанная на рис. 14.7, основана на оптическом сигнале, возникающем при избирательном связывании молекул на заданном участке, содержащем требуемые реагенты. Уже сейчас датчики этого типа способны регистрировать наличие молекул ДНК.