211service.com
Een nano-druksensor
Draai, buig of knijp piëzo-elektrische materialen en ze produceren elektriciteit - een effect dat wordt gebruikt in microfoons en telefoons. Nu, gebruikmakend van het piëzo-elektrische effect in zinkoxide nanodraden, hebben onderzoekers van het Georgia Institute of Technology kleine apparaten gemaakt die extreem kleine krachten kunnen meten - in het nano-tot-piconewton-bereik. Dat is ongeveer de kracht die betrokken is bij interacties tussen twee moleculen, zegt Zhong Lin Wang , de professor materiaalwetenschappen en techniek aan Georgia Tech die het onderzoek leidde.
Voel dat? Zinkoxide nanodraden zijn extreem gevoelig voor kleine krachten, in het nano- tot piconewton-bereik. Wanneer een kleine kracht (pijl) een nanodraad buigt, hopen elektrische ladingen zich op op het oppervlak van de draad en verminderen de stroom die door de draad vloeit. Het principe zou kunnen worden gebruikt om kleine druksensoren te maken die in het lichaam en in vliegtuigen en spaceshuttles kunnen worden geïmplanteerd.
Het kunnen meten van zulke kleine krachten kan leiden tot apparaten die in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd om continu minieme bloeddrukveranderingen te meten, zegt Wang. De sensoren kunnen ook op de vleugels van vliegtuigen en ruimtevaartuigen worden geïnstalleerd om zeer kleine drukschommelingen te volgen. En omdat de stroom die door de nanodraad loopt snel reageert, zou het kunnen worden gebruikt om een gevoelige trigger voor auto-airbags te maken. Als het onderhevig is aan een externe kracht, wordt het binnen een microseconde uitgeschakeld, zegt Wang.
Het idee om het piëzo-elektrische effect te gebruiken om druksensoren te maken is niet nieuw, zegt Toh-Ming Lu , hoogleraar toegepaste fysica aan het Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). Wat echt interessant is, is om het op zo'n kleine schaal te doen - op nanoschaal, zegt hij.
Door de twee uiteinden van een zinkoxide-nanodraad met elektroden te verbinden, heeft de groep van Wang apparaten gemaakt die lijken op de transistors in elektronische apparaten. In een elektronische transistor regelt het aanbrengen van een spanning op de poortelektrode de stroomstroom tussen de bron- en afvoerelektroden. In de nieuwe drukgevoelige transistor fungeren de twee elektroden waarmee de nanodraad is verbonden als bron en afvoer, maar er is geen poort. In plaats van een spanning op de poort aan te leggen, buigt men eenvoudig de draad.
Wanneer de nanodraad buigt, wordt de uitgerekte buitenzijde van de gebogen draad positief geladen, terwijl het samengedrukte binnenoppervlak negatief wordt geladen. Het verschil in ladingen creëert een spanning die de poortspanning vervangt.
Zinkoxide is biocompatibel, dus je zou de nanodraaddruksensor in de arm kunnen implanteren om de bloeddruk continu te controleren, zegt Wang. De sensor zou de drukmeting kunnen verzenden naar een ontvanger op het horloge die de gegevens weergeeft.
Omdat het apparaat is gebaseerd op de vervorming in een enkele nanodraad, zou je kunnen denken dat de gevoeligheid erg hoog kan zijn, zegt Yi Cui , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Stanford University.
Een voordeel van de druksensor is dat er een volledig zelfaangedreven apparaat van kan worden gemaakt door het te combineren met een nanogenerator, wat de groep van Wang eerder heeft aangetoond. (Zie Gratis elektriciteit van nanogeneratoren.) De nanogenerator zou de mechanische energie van pulserende bloedvaten benutten en elektriciteit opwekken die de druksensor van stroom zou voorzien.
Het concept kan ook worden toegepast op andere soorten waarneming. Een gebruik voor het apparaat zou als een biosensor kunnen zijn, zegt Cui. Het principe is dat moleculen die op de nanodraden botsen of eraan kleven, de draad zouden vervormen en de stroom erdoorheen zouden veranderen. Onderzoekers zouden ook een chemische sensor kunnen ontwikkelen, waarbij de chemische reactie de nanodraad verstoort, zegt Lu van RPI.
Het idee bevindt zich momenteel in een laboratoriumfase en de onderzoekers moeten nog komen met een ontwerp voor een zelfaangedreven druksensorapparaat. Deze technische uitdaging is misschien niet gemakkelijk, zegt Lu. Het basisidee is best goed, zegt hij. Precies hoe je het zou doen - het in het lichaam plaatsen en de respons krijgen, uitzoeken wat het signaal is, wat het geluid is - dat is altijd een uitdaging.