En nanotrycksensor

Vrid, böj eller kläm piezoelektriska material och de producerar elektricitet – en effekt som används i mikrofoner och telefoner. Nu, genom att dra fördel av den piezoelektriska effekten i zinkoxidnanotrådar, har forskare vid Georgia Institute of Technology gjort små enheter som kan mäta extremt små krafter - i nano-till-piconewton-området. Det handlar om kraften som är involverad i interaktioner mellan två molekyler, säger Zhong Lin Wang , materialvetenskaps- och ingenjörsprofessorn vid Georgia Tech som ledde forskningen.

Känn det? Zinkoxid nanotrådar är extremt känsliga för små krafter, i nano- till piconewton-området. När en liten kraft (pil) böjer en nanotråd, samlas elektriska laddningar på trådens yta och minskar strömmen som flyter genom tråden. Principen skulle kunna användas för att göra små trycksensorer som kan implanteras i kroppen och på flygplan och rymdfärjor.

Att kunna mäta så små krafter kan leda till enheter som kan implanteras i kroppen för att kontinuerligt mäta små blodtrycksförändringar, säger Wang. Sensorerna kan också installeras på vingarna på flygplan och rymdfarkoster för att övervaka mycket små tryckfluktuationer. Och eftersom strömflödet genom nanotråden reagerar snabbt, kan den användas för att göra en känslig trigger för bilkrockkuddar. Om den utsätts för en extern kraft stängs den av inom en mikrosekund, säger Wang.

Tanken på att använda den piezoelektriska effekten för att göra trycksensorer är inte ny, säger man Toh-Ming Lu , professor i tillämpad fysik vid Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). Det som egentligen är intressant är att göra det i så liten skala – i nanoskala, säger han.

Genom att ansluta de två ändarna av en zinkoxid-nanotråd till elektroder har Wangs grupp gjort enheter som liknar transistorerna i elektroniska enheter. I en elektronisk transistor styr påläggandet av en spänning till gate-elektroden strömflödet mellan source- och drain-elektroderna. I den nya tryckavkännande transistorn fungerar de två elektroderna som nanotråden är ansluten till som källa och drain, men det finns ingen grind. Istället för att lägga på en spänning vid grinden, böjer man helt enkelt tråden.

När nanotråden böjs blir den utsträckta utsidan av den böjda tråden positivt laddad, medan den komprimerade inre ytan blir negativt laddad. Skillnaden i laddningar skapar en spänning som ersätter grindspänningen.

Zinkoxid är biokompatibelt, så man kan implantera nanotrådstrycksensorn i armen för att övervaka blodtrycket kontinuerligt, säger Wang. Sensorn kan överföra tryckavläsningen till en mottagare på ens klocka som visar data.

Eftersom enheten är baserad på deformationen i en enda nanotråd skulle man kunna tro att känsligheten kan vara mycket hög, säger Yi Cui , professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University.

En fördel med trycksensorn är att den kan göras till en helt självförsörjande enhet genom att kombinera den med en nanogenerator, vilket Wangs grupp tidigare har demonstrerat. (Se Gratis elektricitet från nanogeneratorer.) Nanogeneratorn skulle utnyttja den mekaniska energin från pulserande blodkärl och generera elektricitet som skulle driva trycksensorn.

Konceptet skulle också kunna tillämpas på andra typer av avkänning. En användning för enheten kan vara som en biosensor, säger Cui. Principen är att molekyler som träffar eller fastnar på nanotrådarna skulle deformera tråden och ändra strömmen genom den. Forskare kan också utveckla en kemisk sensor, där den kemiska reaktionen stör nanotråden, säger RPI:s Lu.

Idén är på ett laboratoriestadium just nu, och forskarna behöver fortfarande komma med en design för en självdriven trycksensorenhet. Den här ingenjörsutmaningen kanske inte är lätt, säger Lu. Grundtanken är ganska bra, säger han. Exakt hur du skulle göra det – att stoppa in det i kroppen och få responsen, ta reda på vad som är signalen, vad är bruset – det är alltid utmanande.

Dölj