«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 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».
Селективная оптическая реакция чешуек крыльев тропической бабочки Морфо на различные газы возникает вследствие сложной трехмерной нано-структурычешуек, взаимодействующей с этими газами.
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.
«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».
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».
Источник