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纳米级传感

作者:Jeanine Katzel2008.04.06阅读 9925

  采用了纳米技术传感器正在迅速发展,然而即使对于普通的应用,产品生产和商业化之间仍然存在一定的障碍。
  在Fox公司的著名医学剧“House”中,我们在人体中进行了一次短暂但是美妙的旅行,与病毒或细胞相伴CONTROL ENGINEERING China版权所有,最后被著名的医生和他的团队发现。我们缩小到了纳米等级,目睹了这些在宏观世界、甚至在微观世界也无法看到的景象。
  这也许是幻想,随着对纳米微粒的合并和操纵技术已经到了实际应用阶段,电影特效与实际仅仅一步之遥了。不久的将来控制工程网版权所有,大多数专家都会赞同,一个纳米等级的传感器能够穿过血流,感应、监控和诊断一系列健康参数。事实上,纳米等级的传感设备已经出现在很多领域,从安全和能源到化学和药品加工还有卫生保健。
  基于纳米技术的元件有改变材料、组件、设备和系统性能的能力和潜力。例如,一支粉笔和一个贝壳都是由碳酸钙组成,然而,粉笔跌落到地板上会断裂,而贝壳不会。他们由同一种材料组成,但是贝壳由大自然在纳米级别上构建,具有粉笔没有的高强度,这样的区别在结构上。
  这种结构的背后的原理在于采用纳米技术在原子和分子等级上进行结构构建。采用这种方法,科学家得到了具有很多特性的材料,包括强度、耐久度和耐温性能

。随着对这个令人兴奋和充满意外的领域的深入研究,成果已经超出了材料的范畴,步入了纳米设备和系统的阶段,例如具有不凡性能的传感器。在某些方面,至少有一位专家曾经提到,纳米技术和纳米传感已经不再只是探索基本物理定律了。  

热带Morpho蝴蝶翅膀鳞片对于不同蒸汽的敏锐感光性源于与不同蒸汽作用的鳞片拥有复杂的3D纳米结构
热带Morpho蝴蝶翅膀鳞片对于不同蒸汽的敏锐感光性,源于与不同蒸汽作用的鳞片拥有复杂的3D纳米结构。

  优势明显
  罗克韦尔自动化公司的工程、安全、传感和连通事务主管Suresh Nair说:“时下,纳米材料已经出现在元件封装工艺中。纳米涂层使食品和饮料工业面临的清洁维护问题迎刃而解。这种材料可以使产品表面达到无菌。未来,图像传感器也将会使用纳米材料,使得镜头不再受灰尘的影响,可以减少维护控制工程网版权所有,无须擦式和清洁,传感器可以有更好的性能和更长的使用时间。当然,这样的便利也是要付出代价的,好的性能不等于好的性价比。”
  纳米技术最初应用于安全、卫生保健和能量领域。根据GE Sensing公司的MEMS(微机电系统)和微结构纳米技术的全球产品经理Brian Wirth所述:“这些应用包括物质的分子级别检测,从气体检测到纳米污染物微粒的检测。任何释放的可测量分子都可以被检测到,例如塑胶炸弹或生物战中的空气传播污染物。大量的安全程序都转移到了纳米级别。”
  然而,他承认道:“目前还没有很多相关产品,但是很多正在研发阶段。如果宽泛地定义,那么很多产品也可以算作纳米产品。我们已经拥有了用于检测纳米尺寸物质的安全设备,用于机场安保。为了适用于测量一些特殊物质,而不得不采用其他结构的纳米材料/涂层技术从某种程度上说也应该归类为纳米传感技术。”
  为了减少卫生保健检测和诊断的可测目标量级,纳米技术上的投入很多。Wirth说:“这些技术免除了实验室检测的麻烦,使监控可以持续进行。采用正确型号的纳米传感器,测量可以持续不断,应用领域从糖尿病监控到痛感管理到血液科学。”
  另外,Wirth看到了纳米传感技术对传统设备巨大的潜在冲击作用,制药领域的确认设备就是一个例子。他说:“药品在流水线上传送会被有毒物质污染,因此流水线必须经常清洁,且清洁需细致到每十亿微粒这个量级。过去,此任务由取样、实验室检测和等待结果这个复杂的过程完成。现在,这个任务就像机场检查行李一样CONTROL ENGINEERING China版权所有,技术人员用一个类似嗅探器的药签来检测微粒或者污染物。检测实时完成,药签上采用了纳米材料和相应的纳米技术。它工作得更快更精确,而且是便携式的。”
  运输和能量工业也可以获得收益。GE全球研发中心(GRC)的发言人Todd Alhart说:GE的GRC有一个开发纳米陶瓷材料的项目,通过减少飞机引擎的重量来提高飞机的效率。“这对环境有好处www.cechina.cn,而且也可以提高飞机性能。我们还有一个研究纳米合金的项目,可以使引擎和涡轮运行于更高的温度下,同样,也可以提高效率。我们同时也寻找纳米材料用来改善替代能源,例如风能和太阳能。对于风能,更轻的刀片意味着更高的风能转化效率。对于太阳能,新材料可以吸收更多的太阳光,使太阳能更加实用。”

  广泛应用的可能
  不管纳米传感的优点有多少,产品必须能够商业化才行。Roger Grace Associates的主席Roger Grace说道:“至今为止,纳米技术仅停留在材料上。纳米技术传感器必须具有纳米尺度的尺寸(元件<100nm)或者能够在纳米尺度下进行测量精确测量作业。我不认为有很多产品能够满足以上条件。”
  Grace补充道:“大多数MEMS设备都需要17-20年的时间走向实际应用,纳米设备也不例外。”但是据某些人说,也许这个准备时间不会那么长。来自GE GRC的研究人员

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