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納米傳感器的研究進展

生活 更新时间:2024-12-25 01:59:58

當今科技的發展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存儲和超快傳輸等特性,為納米科技和納米材料的應用提供了廣闊的空間。

利用納米技術制作的傳感器,尺寸減小、精度提高、性能大大改善,納米傳感器是站在原子尺度上,從而極大地豐富了傳感器的理論,推動了傳感器的制作水平,拓寬了傳感器的應用領域。納米傳感器現已在生物、化學、機械、航空、軍事等領域獲得廣泛的發展。

納米傳感器的研究進展(一文讀懂納米傳感器)1

納米傳感器

納米是一個長度單位,1納米是1米的10億分之一,相當于一根頭發直徑的8萬分之一。納米科技是指在0.1~100納米尺度上研究物質的特性、相互作用以及利用這種特性開發相關産品的一門科學技術。

納米技術研究的是以控制單個原子、分子來實現設備特定的功能,是利用電子的波動性來工作的。研究和開發納米技術的目的,就是要實現對整個微觀世界的有效控制。

納米傳感器即是形狀大小或者靈敏度達到納米級,或者傳感器與待檢測物質或物體之間的相互作用距離是納米級的。

納米傳感器的種類

納米技術傳感器主要包括納米化學和生物傳感器、納米氣敏傳感器和其他類型的納米傳感器(壓力、溫度和流量等)

納米傳感器的研究進展(一文讀懂納米傳感器)2

納米氣敏傳感器

氣敏傳感器上和敏感氣體接觸的表面附着了一層納米塗層作為敏感材料,用于改善傳感器的靈敏度和性能。

用零維的金屬氧化物半導體納米顆粒、碳納米管及二維納米薄膜等都可以作為敏感材料構成氣敏傳感器。

納米氣敏傳感器的研究中,主要方向之一是在氣體環境中依靠敏感材料的電導發生變化來制作氣敏傳感器。在這些納米敏感材料中加入貴重金屬納米顆粒(例如Pt和Pd) ,大大增強了選擇性,提高了靈敏度,降低了工作溫度。

納米氣體傳感器另一個主要方向是用多壁碳納米管制作氣敏傳感器。碳納米管獨特的性質及制備工藝得到了廣泛的研究,而多壁碳納米管具有一定的吸附特性,由于吸附的氣體分子與碳納米管發生相互作用,改變其費米能級引起其宏觀電阻發生較大改變,通過檢測其電阻變化來檢測氣體成分,可用作氣敏傳感器。

納米化學和生物傳感器

納米技術引入化學和生物傳感器領域後,提高了化學和生物傳感器的檢測性能,并促發了新型的化學和生物傳感器。因為具有了亞微米的尺寸、換能器、探針或者納米微系統,該種傳感器的化學和物理性質和其對生物分子或者細胞的檢測靈敏度大幅提高,檢測的反應時間也得以縮短,并且可以實現高通量的實時檢測分析。

利用納米材料制成極為靈敏的生物和化學傳感器,可以對癌症、心血管疾病等進行早期診斷;利用碳納米管和其他納米微結構的化學傳感器能夠檢測氨、氧化氮、過氧化氫、碳氫化合物、揮發性有機化合物以及其他氣體,與具有相同功能的其他分析儀相比,它不僅尺寸要小而且價格也便宜。

在納米生物傳感器中,按照材料的不同結構,有納米顆粒、納米線、多孔納米結構和納米光纖及納米級微加工器件都獲得了成功的應用。

納米傳感器的研究進展(一文讀懂納米傳感器)3

納米制造——它真的是“完美的”嗎?

當談到制造過程時,納米制造似乎是革命性的,因為它具有操縱原子的能力,而原子是宇宙的基礎。納米技術的發展始于1981年,當時出現了第一台能夠“看到”單個原子的掃描隧道顯微鏡。但這也帶來了一些問題。

納米技術和它的創造帶來的三個主要問題是:

成本(太高)—到2025年,納米技術市場預計将達到223億美元。所有這些創新的成本是多少?納米技術将改變我們的未來。但是,這個世界上沒有什麼是免費的,尤其是革命性的技術進步。要逐個組裝一個原子或逐個除去一個原子,需要大量昂貴的材料、設備和技術,因為納米加工無法用手完成。

時間(太長)——創建納米特性(或納米技術)有很多步驟,這可以解釋它的複雜性。問題是,這些步驟并不容易,它們是複雜和耗時的。

複雜性(過于複雜)——分子或原子必須以高度精确的方式排列,以建立設計好的納米特征。機械手需要将單個原子置于設計的位置,以産生所需的結構。在制造過程中,需要基礎設施來對每個小特征進行成像、分析和操作。這不是一個容易的步驟,正如前面所解釋的,需要大量的時間和金錢。毫無疑問,納米制造是一個複雜的過程。

我們能從納米技術中得到什麼?

毫無疑問,納米技術是我們世界的未來。它已經影響并塑造了醫療、環境和安全行業,而且還将進一步影響。我們對納米的概念還很陌生,所以還有整個宇宙等着我們去發現。與納米技術一起,改變世界。

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