Nanosenzori i nanofabrikacija - TKS Izazov Članak

Nanotehnologija će se uvijek promatrati kao nešto što je nerealno i vidljivo samo u znanstveno-fantastičnim filmovima, jer kako se čini daleko, međutim, što ako vam kažem da je nanotehnologija mnogo dalje u budućnosti onda ste mislili? Science Direct definira nanosenzore kao “pojam dat biološkim, kemijskim, mehaničkim i elektromehaničkim točkama stvorenim za prijenos informacija iz njihovog mikrosvijeta - gdje postoji velik broj čestica nanostupanjskog tijela - u makrosvijet,” (Ali, 2014). Međutim, za mene su nanosenzori to i još mnogo toga. Nanosenzori su budućnost našeg okoliša, medicine i inženjeringa.

Kako funkcioniraju nanosenzori?

Postoje dvije glavne vrste nanosenzora; mehanički nanosenzori i kemijski nanosenzori koji, iako imaju sličnosti, djeluju sasvim različito.

Funkcija mehaničkih nanosenzora detektira promjene u električnoj vodljivosti u materijalu. Mehanički nanosenzori mijenjaju njegovu električnu vodljivost kada se materijal fizički rukuje. Kada se manipulira mehaničkim nanosenzorom, šalje signal koji se često mjeri pomoću kondenzatora. Neki primjeri mehaničkih nanosenzora uključuju fluidne senzore naprezanja temeljene na CNT-u i nanomehaničke senzore.

Izvor: Science Direct, 2017

Kemijski nanosenzori su prilično slični po tome što detektiraju promjene u električnoj vodljivosti, ali samo kada se detektira analit. Mnogi nanomaterijali imaju vrlo visoku električnu vodljivost koju ometaju druge strane molekule. Opstrukcija stranih molekula je ono što se mjeri kemijskim nanosenzorima.

Zašto su nanosenzori važni?

Prema izvješću Međuvladinog panela Ujedinjenih naroda o klimatskim promjenama (IPCC), čovječanstvo ima 127 mjeseci (u vrijeme pisanja ovog članka) dok globalna temperatura ne poraste za 1,5 ° C, a klimatske promjene počnu postati opasne za ljudski život. Nanosenzori imaju potencijal da nam pomognu u našoj borbi protiv klimatskih promjena i drugih onečišćenja time što ćemo moći nadzirati onečišćujuće tvari u zraku i vodi (tj. Živu) bez presedana brzine i točnosti. Nanotehnologija bi se mogla koristiti za reguliranje tvorničkih emisija i za otkrivanje različitih onečišćujućih tvari kao što je azbest. Nova tehnologija mogla bi se koristiti u inženjerstvu za stvaranje novih tvrdih diskova koji sadrže više prostora za pohranu veličine samo 125 atoma. Staviti to u perspektivu, to je veličina najmanje čestice prašine koju ljudsko oko može opaziti. Nanotehnologija, kao što su nanosenzori, mogla bi se koristiti u medicinskom području za proučavanje virusa i bakterija na dublji način koji do sada nismo vidjeli. Nanosenzori također mogu dijagnosticirati ozbiljne bolesti mjesecima prije nego se pojave vidljivi simptomi. Kao što sam već rekao, želim napraviti veliki utjecaj na svijet i što više istražujem nanosenzore, to više vjerujem da bih mogao nanovo označiti svijet nanotehnologijom.

Što je Nanofabrication?

Ono što je još fascinantnije kod nanosenzora je proces stvaranja proizvoda, inače poznat kao nanofabrikacija. Postoje dva pristupa nanofabrikaciji, odozgo prema dolje i odozdo prema gore.

Izvor: Brittanica, 2018

Nanofabrication odozgo prema dolje

Standard za nanofabrikaciju je odozgo prema dolje. U ovoj metodi morate početi s velikim blokom molekula i polako odrezati molekule koje ne želite dok ne dobijete željeni oblik. Uobičajena analogija za opisivanje proizvodnje odozgo prema dolje je uspoređivanje nanofabrikacije odozgo prema dolje s kiparstvom s mramorom. Isto tako, krenete s velikim blokom mramora, a zatim ga gurnete dok ne završite skulpturu, isti princip se primjenjuje s nanofabrikacijom odozgo prema dolje. Postoje dvije glavne metode nanofabrikacije odozgo prema dolje; optička litografija i nanoimprintna litografija (NIL). Iako to nisu jedini načini za proizvodnju odozgo prema dolje, oni su najpopularniji. Razlog zašto top-down nije vrlo učinkovit je zbog toga što je proces spor, koliko se energije troši i toksičnih kemikalija koje se koriste za stvaranje proizvoda. Ako biste željeli koristiti ove nanosenzore u ekološke svrhe, bilo bi kontraproduktivno kao što zagađujete u isto vrijeme dok pokušavate zaustaviti zagađenje.

Iako postoje mnogi nedostaci, postoje i mnoge prednosti nanofabrikacije odozgo prema dolje. Na primjer, nanofabrikacija s vrha prema dolje dobra je za izradu nanosenzora s dugim redoslijedom i za izradu makroskopskih veza. Još jedna važna prednost nanofabrikacije odozgo prema dolje je ta da su dijelovi ujednačeni i izgrađeni na mjestu tako da nije potreban korak montaže.

Nanofabrikacija odozdo prema gore

Druga metoda nanofabrikacije je proizvodnja odozdo prema gore. U usporedbi s nanofabrikacijom odozgo prema dolje, proizvodnja odozdo prema gore je malo više zbunjujuća, ali još učinkovitija. Nanofabrikacija odozdo prema gore obično ne koristi skupe strojeve i stvaranje velikih projekata prilično je jednostavno.

Postoje dvije vrste nanofabrikacija odozdo prema gore; prirodni način, inače poznat kao samo-montaža, i naš način koji je poznat kao molekularni skup. Iako se mogu činiti vrlo sličnim imenom, u stvarnosti, to su dva vrlo različita procesa.

Molekularni sklop

Molekularni sklop podsjeća na tvorničku liniju, ali stvarno malu. To je u suštini suprotno proizvodnji odozgo prema dolje, gdje umjesto toga izrađujete nanosenzor odozdo prema gore slično zidanju. Ovo je animacija koja vam pomaže vizualizirati.

Odozdo prema gore nanofabrication je najbolje prilagođen za montažu i uspostavljanje kratkog raspona reda na nanoskalnim dimenzijama.

Samouprave

Ova metoda je prilično unosna jer može pravovremeno stvoriti nekoliko nanosenzora i proizvođaču daje najviše mogućnosti. Predloženo je da bi biočip mogao biti "uzgajan", komponente bi se formirale procesom nalik staničnoj diobi u živim bićima. To se naziva samo-sklapanje na temelju DNK, točnije, origami DNA. Kao što ime implicira, tehnika uključuje sklapanje DNA lanaca na programabilni pegboard gdje se može dodati više nanokomponenti. "Samoregulacija temeljena na DNK nudi fleksibilnost u vrstama struktura koje se mogu proizvesti, temeljene na jednostrukim, dvostrukim ili dupleksnim, i složenijim nad-molekularnim skupovima" (Berger, 2018). Osim toga, 1D, 2D i 3D objekti mogu se sastaviti koristeći DNA origami što ga čini interesnim za mnoge u nanofabrikaciji. Zatim slijedi spontano samo-sklapanje, gdje skupite određene čestice s određenim karakteristikama, prekrižite prste i nadate se najboljem. Nije to točno umjetnost ako ste zamijenili jednu od čestica ili napravite potpuno drugačiju strukturu ili uopće ne napravite strukturu. "Ova tehnika se može sažeti na sljedeći način: Nemamo pojma zašto se određeni atomi i molekule samostalno sastavljaju na način na koji to čine, ali kada možemo pokrenuti i kontrolirati proces, možemo ga koristiti za izgradnju struktura od dna-od-atoma atom, ”(Berger, 2018).

Osobna bilješka

Nanofabrikacija izgleda kao rafinirana umjetnost, međutim, vjerujem da bi, ako bi pokušali učiti od prirode i pokušali uključiti svoje učenje u nanofabrikaciju, nanofabrikacija mogla biti mnogo učinkovitija. Dok možete pokušati raspravljati o tome što sada mnogi znanstvenici rade sa samo-okupljanjem, ali njihove metode više su poput manipuliranja prirodom, nego pokušaja učenja iz nje. Primjerice, u biomimetičkoj arhitekturi arhitekti nastoje učiti od prirode kako bi imali održiv dizajn. Ne samo oponašati prirodu, nego pokušavaju razumjeti sustave i oblike prirode, a zatim to uključiti u svoje projekte. Imajući na umu da su mnogi aspekti prirode još uvijek nepoznati, to bi mogao biti cilj za nanofabrikaciju nakon što saznamo više o određenim česticama i razumijevanju prirode.

Iako je pisanje ovog članka ponekad bilo stresno (pogotovo kada je bilo teško razumjeti temu), učenje u tako kratkom vremenskom razdoblju bilo je vrlo uzbudljivo. Nanotehnologija za mene nikada nije bila od posebnog interesa, međutim, nakon učenja o nanosenzorima i nanofabrikaciji, čini se da je to nešto s čime bih mogao raditi. U budućnosti će nanotehnologija i nanofabrikacija sazrijeti, a ja sam uzbuđen tamo gdje će ta nova tehnologija utjecati na moj svakodnevni život i koliko će mi to biti bitno.

Radovi citirani

Globalno zagrijavanje od 1,5 ºC, www.ipcc.ch/sr15/.

AZoNano, napisao / la. “Nanosenzori, definicija, aplikacije i kako djeluju nanosenzori.” AZoNano.com, 31. srpnja 2017., www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=1840.

Berger, Michael. “Što je nanofabrikacija?” Nanowerk, 22. listopada 2018., www.nanowerk.com/nanofabrication.php.

McIntosh, James. „Nanosenzori: budućnost dijagnostičke medicine?“ Medicinske vijesti danas, MediLexicon International, 14. siječnja 2016., www.medicalnewstoday.com/articles/299663.php.

“Nanosenzori.” Nanosenzori - pregled Teme za znanost, www.sciencedirect.com/topics/materials-science/nanosensors.

Picraux, S. Tom. “Nanotehnologija.” Encyclopædia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc., 21. studenog 2018., www.britannica.com/technology/nanotechnology.

Picraux, S. Tom. “Nanotehnologija.” Encyclopædia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc., 21. studenog 2018., www.britannica.com/technology/nanotechnology/Nanofabrication.

Raymond Chi Man Ching, Teik-Cheng Lim. "Mehanički nanosenzori." SpringerLink, Springer, Boston, MA, 1. siječnja 1970., link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978–3–642–27758–0_868–3

“Što je nanofabrikacija? - Definicija iz WhatIs.com. ”WhatIs.com, whatis.techtarget.com/definition/nanofabrication