Детектирование на нано уровне

Разработка сенсорных датчиков, использующих нанотехнологии, идёт полным ходом, но до производства и коммерческого использования в приложениях предстоит решить ещё несколько проблем.
Селективная оптическая реакция чешуек крыльев тропической бабочки Морфо на различные газы возникает вследствие сложной трехмерной нано-структуры

Рис. Селективная оптическая реакция чешуек крыльев тропической бабочки Морфо на различные газы возникает вследствие сложной трехмерной нано-структуры чешуек, взаимодействующей с этими газами.

По крайней мере, один раз в эпизоде популярной медицинской драмы «House» студии Fox нам показывают короткое, но великолепное путешествие в теле человека. Перемещаясь совместно с вирусом или клеткой, которая позже в шоу будет открыта знаменитым доктором и его командой, уменьшенные до размеров нанометра, мы видим – и чувствуем – на уровне, который невозможно разглядеть в макро – и даже в микромире. Пусть это пока фантазии, но то, что является просто хорошими спецэффектами, находится всего в одном шаге от реальности, поскольку прогресс в технологии объединения наночастиц в полезные устройства и манипулирования ими подходит к рубежу практического применения. Большинство экспертов сходятся во мнении, что скоро наступит день, когда нано-датчики смогут перемещаться по кровотоку и измерять, проводить мониторинг и диагностику различных проблем со здоровьем. На самом деле, разработки нано-датчиков уже влияют на различные области нашей жизни — от безопасности и энергетики до химической и фармацевтической индустрии, в той же степени, в какой они влияют на здравоохранение. Элементы, созданные с помощью нанотехнологий, обладают возможностью изменять поведение материалов, компонентов, устройств и систем. Сравните, к примеру, кусочек мела с морской ракушкой. Оба предмета состоят в основном из карбоната кальция. Однако если уронить мел, он развалится на кусочки, в то время как ракушка, скорее всего, останется целой. Они сделаны из одного и того же материала, но в морскую ракушку природа заложила прочность на нано-уровне, а в мел – нет. Это различие заключено в структуре. Основные принципы таких манипуляций над структурой на атомном и молекулярном уровнях образуют фундамент нанотехнологии. Применение этих концепций привело учёных и технологов к открытию новых материалов с разнообразнейшими свойствами – исключительной прочностью, износо – и термостойкостью. По мере того, как учёные узнают всё больше об этой захватывающей и зачастую удивительной области, технический прогресс подходит к разработке продуктов, которые являются не просто материалами, но уже приборами и целыми системами. В число таких устройств входят датчики с исключительными свойствами. По мнению, по крайней мере, одного эксперта, нанотехнологии и нано-детектирование – это окно, через которое откроется новый взгляд на законы физики.

 

Изучение преимуществ

Кусочек мела и морская ракушка преимущественно состоят из карбоната кальция. При падении, кусок мела развалится на кусочки; ракушка, природная нано-структура, скорее всего нет. Сильно увеличенное изображение (с), показывает что ракушка имеет кирпичную структуру, что обеспечивает потрясающую прочность

Рис. Кусочек мела (a) и морская ракушка (b) преимущественно состоят из карбоната кальция. При падении, кусок мела развалится на кусочки; ракушка, природная нано-структура, скорее всего нет. Сильно увеличенное изображение (с), показывает что ракушка имеет кирпичную структуру, что обеспечивает потрясающую прочность. Черная шкала: 250 нм; 100 000 кратное увеличение

«Сегодня нано-материалы уже используются в компонентах упаковок» – говорит Суреш Нэир (Suresh Nair), директор отделов проектирования, безопасности, зондирования и связи компании Rockwell Automation. «Нано-покрытия помогают поддерживать чистоту в индустрии производства еды и напитков – поясняет он. – Доступны материалы, которые предотвращают появление бактерий на поверхностях. В переcпективе в фотодатчиках можно будет использовать нано-материалы, не дающие пыли оседать на линзах, что уменьшит затраты на обслуживание техники. Не нужно будет протирать их и чистить. Датчики будут работать лучше и дольше. Но за это, конечно, придётся платить. Это хорошая идея, но насколько она рентабельна?»Начинается использование нано-материалов в приложениях безопасности, здравоохранения и энергетики. По словам Брайана Вирса (Brian Wirth), менеджера по общей продукции для микроэлектромеханических систем, микроструктур и нанотехнологий компании GE Sensing, приложения, связанные с безопасностью, включают в себя задачи детектирования веществ на молекулярном уровне. Детектируемое вещество может быть каким угодно – «от газов до примесей, размером с наночастицу» – утверждает Вирс. – «Обнаружить можно всё, что испускает измеримые молекулы, например, взрывчатку или воздушные примеси, используемые как биологическое оружие. Многие программы по безопасности сейчас переходят на наноуровень». Вирс признаёт, что пока доступно не очень много продуктов, но по его утверждению, большое число идей находятся сейчас на стадии разработки. «Многое зависит от определения – говорит он. – У нас есть продукты, используемые в оборудовании по безопасности, которое обнаруживает вещества нано-размеров. Некоторые из них в настоящее время используются в зонах безопасности аэропортов. Наука о нано-материалах и нано-покрытиях, применённая к другим типам структур с целью повышения способности и эффективности измерения других веществ, может также быть названа нанодетектированием». Брайан Вирс также указывает на значительные усилия, которые сейчас прикладываются для миниатюризации устройств в области диагностики и здравоохранения. «Эти техники позволяют производить длительный мониторинг вместо того, чтобы отправлять анализы в лабораторию – поясняет он. – Правильные типы приложений нано-детектирования позволяют производить длительные измерения. Этот подход может использоваться в задачах мониторинга уровня сахара в крови, контроля болевых ощущений и гематологии». Кроме того, Вирс полагает, что нано-детектирование может сильно повлиять на традиционное оборудование. В качестве примера можно привести устройства проверки в фармацевтической отрасли. «В фармацевтическом процессе химикаты двигаются вдоль конвейера для создания определённого лекарства – говорит он. – Производственная линия должна регулярно отчищаться до концентрации одна частица на миллиард. В прошлом необходимо было брать образцы и отправлять их в лабораторию, а затем ждать результатов. Теперь процесс схож с тем, что используется в аэропортах. Техник берёт «швабру», которая работает как уловитель частиц или примесей. Проверка производится в реальном времени с использованием подходящих нано-покрытий и технологий, используемых для обнаружения искомого вещества. Этот подход работает быстрее и надёжнее и при этом даёт мобильность». Другие преимущества могут быть использованы в транспортной отрасли и энергетике. «Исследовательский центр компании GE имеет программу изучения нано-керамических материалов, которые могут повысить эффективность самолётов, уменьшив вес авиадвигателей – говорит представитель центра Тодд Алхарт (Todd Alhart). – Это будет хорошо с точки зрения экологии и увеличит производительность. У нас ещё есть исследовательская программа нано-металлических сплавов, которые могут позволить двигателям и турбинам работать при более высоких температурах, что также повысит эффективность самолётов. Мы также ищем нано-материалы для улучшения технологий альтернативной энергетики на ветряной и солнечной энергии. Более лёгкая лопасть ветряка позволит эффективнее ловить ветер. Новые материалы также позволят увеличить эффективность солнечных батарей, что сделает солнечную энергию более конкурентоспособной».

 

Широкий спектр возможностей

Кроме перспективного нано-детектирования, есть и другие коммерческие направления.“Основной прогресс нанотехнологий – в области новых материалов – говорит Роджер Грэйс (Roger Grace), президент компании Roger Grace Associates. – Нано-датчики, должны либо иметь размеры, характерные для нанотехнологий (размер компонент менее 100 нм), либо иметь возможность производить точные измерения на нано-уровне. Я не думаю, что на рынке много устройств, которые удовлетворяют этим критериям». «Большинство микроэлектромеханических устройств – добавляет Грейс – стали реальностью только спустя 17-20 лет работы над ними. Нано-приборы потребуют примерно столько же». Однако возможностей использования много, и некоторые полагают, что не так далеко и до реального применения. В исследовательском центре GE при разработке и применении концепций нано-детектирования учёные обратились за помощью к природе. «Мы находимся в процессе определения некоторых изумительных свойств и их применимости – говорит доктор Радислав Потирайло, ведущий учёный в исследовательском центре GE, рассказывая о недавнем открытии, основанном на нано-структуре крыльев тропической бабочки. – Эти нано-структуры обладают интересными оптическими свойствами и способностью к химическому опознаванию. Мы пытаемся определить, можем ли мы воспользоваться этими новыми физическими и химическими явлениями на наноуровне и использовать их для создания более совершенных датчиков». В одном из возможных приложений, по словам Потирайло, используются краски, которые меняют цвет или флуоресценцию в зависимости от анализируемых концентраций. «На текущий момент – говорит Потирайло – их использование для обнаружения имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее сильным недостатком является тенденция к обесцвечиванию от солнечного света и лазерного излучения. Поэтому мы обращаемся к нано-структурам, таким как эти радужные крылья бабочки.Теперь цвета получаются не с помощью органических молекул, а с помощью оптических свойств физической структуры. К текущему моменту мы выяснили, что эта сложная нано-струк-тва, то при помощи простого транзистора в тура позволяет нам выборочно обнаружи-качестве детектирующего прибора можно вать различные типы газов в воздухе, при-быстро создать коммерческий продукт для чём этот подход превосходит традиционные приложений безопасности». по своим характеристикам». На перспективы коммерческих про «Не удивительно, что все пытаются разработать системы биологического и химического обнаружения – добавляет Джонатан Такер (Jonathan Tucker), ведущий инженер по нанотехнологиям компании Keithley Instruments. – Материалы создаются на молекулярном или нано-уровне. Свойства материалов на таких масштабах сильно отличаются от макро и микро свойств, что делает возможным применение таких устройств, как биодатчики в системах химического и биологического распознавания. Если вам удастся сделать так, чтобы нано-материал, например углеродные нанотрубки, стал более чувствительным к определённым биологическим или химическим веществам, т.е. чтобы он реагировал на контакт или близость вещества, то при помощи простого транзистора в качестве детектирующего прибора можно быстро создать коммерческий продукт для приложений безопасности». На перспективы коммерческих продуктов Такер смотрит более оптимистично. «Мы видим, какова активность в химической и биологической областях сегодня, и мы видим приложения, которые потребуют ещё несколько лет работы – говорит он. – В области управления это разработка нанодатчиков для обнаружения токсичных химикатов, которые могут быть использованы на химических заводах или в других процессах, поскольку они будут гораздо более чувствительными. Интересно было бы получить вольтамперные характеристики этих датчиков». «Поскольку многие датчики строятся на базе транзисторов, проектировщики должны охарактеризовать отклик устройства с нано-материалом. Они не будут вести себя как традиционные датчики, так как нано-материалы подчиняются квантовым законам, которые отличны от классических. Необходимо проводить больше число тестов в реальных условиях для понимания того, какой электрический отклик будут иметь нано-датчики, и как нужно будет обрабатывать эти электрические сигналы для получения полезной информации».

Нано-измерения в действии

Создание инструментов является критическим при создании нано-изделий, Одной из используемых сейчас является измерительная система Zephyr, разработанная Nanomix (nano.com) для тестирования и снятия характеристик приборов на полевых транзисторах на основе нанотрубок (CNTFET – carbon nanotube field effect transistor), создаваемых для различных приложений. Измерительная система состоит из изготавливаемых по заказу пассивных зажимных приспособлений для различных типов упаковочного и измерительного оборудования и скриптового программного обеспечения.

Язык скриптов описывает конфигурацию прибора и операции измерения. Операции выстраиваются в последовательности, которые могут наследоваться или выполнятся одновременно. Результаты измерения посылаются на узлы вывода, которые сохраняют данные в файл и отображают их в графическом интерфейсе пользователя, могут быть вызваны при необходимости через меню приборов и могут определяться пользователем. Каждый скрипт имеет свой собственный набор свойств и набор общий с другими скриптами (например, адреса приборов на шине).

Приборы организованы в тестовые группы; в планировании экспериментов такой подход известен как блокирование. Обычно все устройства в группе тестируются и хранятся в одинаковых условиях. Информация отдельных устройств вводится только один раз, после этого, для проведения эксперимента, необходимо ввести только идентификационных номер группы.

Сейчас система поддерживает около 20 приборов от различных производителей, включая Agilent Technologies, Keithley Instruments, Nanomix, Omega Engineering, Sensirion, Teledyne Technologies и Vaisala. Более того, поддерживает специализированные виртуальные приборы; один из них проводит измерения характеристики I-V (ток напряжение) полевого транзистора на основе нанотрубки, специальные узлы вывода сохраняют и отображают данные I-V, в то время как скрипт управляет временем включения и операциями измерения.

Данные могут быть загружены в базу данных, просмотренны в Nanoscope, приложении Nanomix, проанализированны в Matlab или другом программном обеспечении. Система, используемая уже около 2-х лет, подтвердила высокую гибкость и масштабируемость. Вскоре на сайте zephyr.sourceforge.net. будет выпущена версия с открытым программным кодом с лицензией под BSD. Эти сведения основываются на работах поддерживаемых National Science Foundation под грантом No. 0450648. Для дополнительной информации, посетите Nanomix Website или пишите Cергею Шкарупо sskarupo@nano.com.

Компания Keithley предоставляет оборудование для изучения электрических характеристик этих проводящих нано-устройств. Эта задача широко распространена в полупроводниковой отрасли, поскольку необходимо чётко знать, как поведёт себя электрическое устройство в реальной ситуации. Такер поясняет: «Наши приборы помогают исследователям понять электрические характеристики устройства. Мы называем их “устройства изме рения истока”. Они имеют источник возбуждения (тока или напряжения) для смещения устройства. Затем, после контакта с интересующим химическим или биологическим элементом, устройство измерения истока регистрирует результирующее напряжение или ток, что даёт возможность рассчитать отклик датчика. Это помогает ответить на несколько вопросов. Какого типа токи должны быть измерены, когда датчик соприкасается с искомым элементом? Как различать просто воздух и детектируемое вещество? Какие электрические сигналы могут быть получены, и чем они отличаются? Эти вопросы также помогают понять, как избежать ложного срабатывания датчика».

 

Нужна техническая реализация

Схожесть технологий микроэлектромеханических систем и нано-технологий позволяет ускорить развитие нано-сферы. Миниатюрные ИК-Фурье микроспектрометр (а) может широко использоваться в биотехнологиях, фармакологии и других отраслях. Он состоит из микроэлектромеханических структур для перемещения и позиционирования измерительных и оптических компонентов, таких как линзы, зеркала и детекторы. Микрочасти располагаются и фиксируются на силиконовой подложке высокоточным роботизированным модулем. Боле того, микросборка может использоваться для создания многокоординатных механизмов, например вертикальнособранного сканирующего микрозеркала (b). Тепловые микроэлектромеханические приводы вращают 500-?m базу.

Рис. Схожесть технологий микроэлектромеханических систем и нано-технологий позволяет ускорить развитие наносферы. Миниатюрные ИК-Фурье микроспектрометр (а) может широко использоваться в биотехнологиях, фармакологии и других отраслях. Он состоит из микроэлектромеханических структур для перемещения и позиционирования измерительных и оптических компонентов, таких как линзы, зеркала и детекторы. Микрочасти располагаются и фиксируются на силиконовой подложке высокоточным роботизированным модулем. Боле того, микросборка может использоваться для создания многокоординатных механизмов, например вертикальнособранного сканирующего микрозеркала (b). Тепловые микроэлектромеханические приводы вращают базу размером 500 мкм

Хотя потенциал продуктов нано-детектирования очевиден и не подвергается сомнению, все участники также согласны, что перед реальным использованием предстоит решить множество проблем. Суреш Нэир из Rockwell утверждает, что «все ещё существуют большие препятствия для развития этой технологии. Надёжные коммерческие процессы, позволяющие создать рентабельное производство, а также соответствующие стандарты и сопутствующие инструменты, и метрология только начинают развиваться.Такиеорганизации как IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), IEC (International Electrotechnical Commission) и NEMA (National Electrical Manufacturers Association) начинают рассматривать вопросы стандартизации, а поставщики оборудования начинают разрабатывать инструментарий. Но нам ещё предстоит долгий путь, и до того, как мы преодолеем все эти препятствия, создавать работающие продукты будет сложно». «Основные трудности приходятся на процесс производства – говорит Грейс. – Большинство исследователей, по его мнению, разрабатывают именно технологию, а не занимаются практической реализацией. «Им надо начать оглядываться на проблемы производства. Мы должны научиться запускать массовое производство нано-продукции» – утверждает он. «Мы не сможем извлекать из них доход, если не сможем производить эти продукты с высокой надёжностью, высокой производительностью, высокой повторяемостью и низкой стоимостью». Тем не менее, Грейс уверен, что эти продукты появятся – «слишком много средств и сил вложено в исследования». Эту точку зрения разделяет доктор Гарри И. Стефаноу, директор института Automation & Robotics Research Institute и профессор электротехники в University of Texas, расположенного в городе Арлингтон. Он занимается исследованиями микроэлектромеханических и нано-систем более чем десять лет и соглашается, что проблемы производства имеют первостепенное значение. «Мы можем создать много вещей в лаборатории, но если у нас не получится их производить, никто их не сможет купить – говорит Стефаноу. – Основная трудность заключается в нашей неспособности создать рентабельное производство датчиков и приводов. Если продукция не может быть передана в промышленность, то она может служить только для удовлетворения любопытства ученых».

На рынке начинают появляться услуги производства для более быстрого запуска продукции. Стефаноу утверждает, что «потребуется смена парадигмы производства для запуска нано-продукции. Невозможно самому собирать эти вещи. Я не видел никакого существенного прорыва в этой области, какого-либо полностью отличного способа производства на нано-уровне. Мы все ещё пытаемся уменьшить масштабы других парадигм. Различные методы печати, шаблоны и литография были испробованы, но мы всё равно не пришли к новому видению нано-производства. Я полагаю, что мы найдём способ достичь этого, но до тех пор, пока не появится какая-нибудь пробивная идея, мы будем некоторое время топтаться на одном и том же месте».

 

От материалов к устройствам

Учёные из исследовательского центра GE придерживаются более оптимистичных взглядов и предрекают коммерциализацию нано-продукции через пять лет. Потирайло в качестве причины такого оптимизма приводит пример бабочки: «Нано-особенности крыльев бабочки дают нам информацию о том, как собирать нано-материалы на базе более крупных блоков для создания массивов, с которыми легче работать». Джонатан Такер полагает, что первые стадии процесса коммерциализации нанодатчиков уже идут. «Прямо сейчас разработчики используют существующие полупроводниковые архитектуры в попытке избежать повторного изобретения колеса. Они изменяют эти архитектуры – в основном полевые транзисторы – с помощью материалов нано-уровня типа углеродных нанотрубок или других материалов с целью создания высокочувствительных датчиков. Подобные датчики могут быть размещены по всему химическому заводу для создания более быстрой системы генерации предупреждений. Датчики являются одними из первых действительно коммерциализируемых компонент на базе нанотехнологий». Однако Такер соглашается, что высокая стоимость является проблемой. «Частично проблема проистекает из того, что приходится работать с элементами, которые невидимы невооруженному глазу. Потребуются ли производственные инструменты новых типов? Вполне вероятно. На данный момент прикладываются усилия, чтобы использовать инструментарий полупроводникового производства. В то же время исследователи ищут абсолютно другие приспособления или абсолютно новую точку зрения на этот вопрос. Федеральное правительство США и венчурные капиталисты инвестируют большое количество средств в эти технологии, и они ожидают получить результат». «Рентабельность является определяющим фактором – говорит Вирс из GE Sensing. – Эти технологии сегодня дороги, но по мере их развития, они станут дешевле. Есть схожие моменты в исследуемых и используемых процессах для микроэлектромеханических и нано-систем. Каждый раз, когда можно использовать известные подходы в разработке продуктов нано-уровня, вы делаете большой шаг вперёд, к выводу продукта на рынок.» Гарри Стефаноу добавляет, что «с коммерческой точки зрения нанотехнологии всё ещё больше ассоциируются с материалами, чем с устройствами или системами. Но в какой-то момент мы достигнем уровня нано-устройств. Когда я был студентом, я работал напрямую с транзисторами. Сегодня студенты никогда не видят транзисторы. Они внедрены в более крупные вещи. Мы идём в том же направлении с нанодетектированием – от отдельных датчиков к встроенным. Это позволит нам выйти на уровень систем». Проблемы, связанные с представлением открытий нанотехнологий в виде продуктов, лучше всего суммировал Потирайло: «Нам надо найти способы подключить нано-структуры, которые мы видим под микроскопом к компонентам датчика из реального мира – говорит он. – Основной вопрос – это как сделать датчики за приемлемую сумму и в достаточном количестве? Мы пытаемся совместить успехи нанотехнологий с традиционным оборудованием, чтобы уменьшить стоимость и свести микро-, макр-о и нано- мир воедино».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *