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3D打印纳米级传感器提高原子力显微镜的性能

关键词:3D打印 纳米级传感器 原子力显微镜

时间:2017-12-01 15:51:15      来源:网络

大家都知道纳米很小,小到看不见,但是具体多大倒是很少有人能够知道。头发丝我们都知道,很细,1纳米相当于1根头发丝直径的6万分之一。你能想象这么小的东西也能通过3D打印而成吗?



近日,瑞士洛桑理工学院(EPFL)的研究人员3D打印出了纳米级的传感器,据称这种传感器能够提高原子力显微镜的性能。

科学家们说,这种通过纳米3D打印技术制成的传感器可能成为下一代原子力显微镜的基础。据了解,这些纳米传感器可以提高显微镜的灵敏度和检测速度,而且能够检测到比以前的检测对象小100倍的部件。EPFL还在世界上首次将该传感器用于实际应用当中。这些成果都被发表在近期出版的《Nature Communications》杂志中。

为了便于读者们理解,这里稍微介绍一下原子力显微镜,它的基本原理是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定,另一端有一微小的针尖,针尖与样品表面轻轻接触,由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力,因此会造成微悬臂的细微运动,这种变化会被传感器检测到,从而可以确定样品的形貌。

据称,改进原子力显微镜的方法之一是小型化悬臂,因为这将减少惯性,提高灵敏度,并加快检测速度。EPFL生物和纳米仪器实验室的研究人员通过在悬臂上配备5个纳米厚的传感器达到了这一点。这个仅有5纳米厚的传感器就是用纳米3D打印技术打印的。“用我们的方法,悬臂可以缩小100倍。”该实验室主任Georg Fantner说。

纳米传感器的工作原理

据悉,原子力显微镜上纳米尖的升降运动可以通过放置在悬臂梁固定端的传感器的变形去测量。但由于研究人员需要处理的是一种极为细微的运动——甚至小于一个原子——他们不得不再变个戏法。

通过与歌德大学(Goethe Universit?t)Michael Huth教授的实验室进行合作,他们开发出了一种由被绝缘碳基体包围着的高导电铂纳米粒子组成的传感器。在正常情况下,碳会隔离电子。但在纳米尺度上,发挥作用的是量子效应:一些电子会跳过绝缘材料,从一个纳米颗粒旅行到下一个纳米颗粒上。“这有点像人们在路上遇到了一堵墙,只有勇敢的少数人才设法怕了过去。”Fantner说。

于是,当传感器的形状改变时,纳米粒子彼此的距离变远,电子在它们之间跳跃的次数就变少了。因此电流的变化就揭示了传感器的形变程度以及样品的组成。



如何3D打印纳米级传感器

不过,对于研究者们来说,真正重要的是他们找到了一种方法来制造这些纳米尺寸的传感器,同时又能够仔细地控制它们的结构,从而进一步控制了它们的属性。“我们会在真空中向基体撒布一种含有铂和碳原子的前驱气体,然后再施加电子束。这个时候,铂原子会聚集并形成纳米粒子,而碳原子会在它们旁边自然形成基体。”该论文的主要作者Maja Dukic解释说,“通过重复这个过程,我们可以建造出任何形状和厚度的传感器。现在我们已经造出了这样的传感器,它们就在我们现有的设备上工作。而且,我们的技术可以有更为广泛的应用,从生物传感器、汽车ABS传感器、到假肢或者人造皮肤上的触觉传感器等。”

依赖纳米技术,传感器变得越来越小,越来越复杂和节能,传感器已经遍布我们生活的周边,从而产生前所未有的庞大信息数据,因此需要对它们进行处理,用于改善交通拥堵和防止事故发生,或将统计数据用于调配警力资源,降低犯罪率。

纳米技术在这方面的应用,创造的是一种超密集记忆体,帮助储存极其庞大的数据,同时也可促进高度有效的运算法则发展,在确保可靠性的前提下处理、加密和传达数据。

3D打印进军半导体?

普林斯顿大学的研究者现在将该项技术的潜能又提升了一大步,他们开发了一种用半导体和其他材料打印出可发挥正常功能的电子电路的方法。此外,他们还优化了打印方法,可以将电子部件和生物相容性的材料甚至活体组织整合到一起,从而为将新材料植入生物体开辟了一条新途径。

该项目的负责人、普林斯顿大学助理教授迈克尔·麦凯派恩(Michael McAlpine)解释说,利用盛满半导体“墨水”的“墨盒”,应该可以打印出能发挥所有功能的电路。为了证明这一奇思妙想,研究者在一个隐形眼镜中打印出了一个发光二极管(LED)。

3D打印机可用来制作医疗器械或将医疗器械植入电子部件。麦凯派恩举例说,研究者可以打印一个用于培养神经组织的支架。如果他们还可以在支架中打印LED和电路,那么,光就能刺激神经组织,这样的电子部件就能应用于义肢。

2013年,麦凯派恩就利用3D打印技术制作出了一个“生物电子”仿生耳。这个仿生耳用活细胞制成,内有黏稠凝胶制作的支持性基层;此外,他们还用导电墨水——这种墨水用含有悬浮的银纳米粒子制成——打印了一个可接受无线电信号的通电线圈。

其后,麦凯派恩的研究团队一直在努力将3D打印技术扩展到半导体材料,这种材料可以让打印出的器械能处理传入的声音。半导体是信息处理电路的一种重要构成,同时也可用于探测光和发光。

 

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