Наносенсоры 'нишу в области нанотехнологий

В какой-то момент в будущем, наносенсоры, как правило, определяется как "устройства", способной зондирования и реагирования на физические стимулы с размерами порядка одна миллиардная часть метра, коренным обнаружения биологических и химических веществ, перемещение и движение, сила и массой, и акустические, тепловые и электромагнитные раздражители. В этом докладе будут освещены последние работы в наносенсорные развития, который был заметен в области наноматериалов, наночастиц и наноустройств (в частности, нанотрубок) для биотехнологических, химической и газовой приложений.

Трудно прогнозировать доходы наносенсорные технологии, поскольку коммерциализации продукции были неубедительны. Тем не менее, Фрост и Салливан (frost.com) проекты, которые на основе нанотехнологий детекторов, биосенсоров и преобразователей будет коммерчески доступна до 2007 года. Нанотехнологии, как ожидается, оказывают огромное влияние на химическую промышленность, но до сих пор, это влияние было относительно слабым в датчике арене. Отчасти это связано с большой раздробленности датчики промышленности, что делает принятие новых технологий сложной задачей. 1 приведены предполагаемые доходы от трех различных типов наносенсорные технологий в Северной Америке химической промышленности с 2002 по 2011 год.

По данным, наноразмерных датчиков температуры будет иметь самые проникновения в химической промышленности процесс, приносить прибыль 4,6 млн. долл. США к 2004 году он возрастет до $ 57 млн / год к 2008 году и $ 217 400 000 в год к 2011 году. Наноразмерных датчиков давления будет генерировать доход около 4,4 млн. долл. США в год в 2004 и последующие аналогичные темпы роста, как нано-датчиков температуры до 2011 года, достигнув выручки в размере 86,8 млн. / год. Наконец, наноразмерные химические сенсоры прогнозам, полностью проникнуть в химическом рынке к 2007 году, с доходов от $ 1,3 млн. в год, достигнув $ 35,5 млн. в 2011 году. Вождение этого роста является появление более умным, надежным и экономически эффективным датчиков, связанных со строительством новых, автоматизированных заводов, которые будут адаптированы современное состояние сенсорной техники.

Наноструктурированных материалов

С точки зрения структурной, наносенсоры могут состоять из наноструктурных частиц (т. е. частиц или материалов с наноразмерными функций, таких как НК или нанопористых материалов), наночастицы и наноустройства. Наносенсоры из наноструктурных частиц, таких как ПК, как правило, используются для разработки микроустройств, таких, как оптические биосенсоры, датчики обнаружения ДНК, этанол датчики и фотодетекторов. (Они отличаются от истинных датчики наночастиц в том, что последние функционализированных выполнять диагностические работы).

По данным исследования, опубликованного в Мерилл Линч (merilllynch.com) в сентябре 2001 года, рынок наноструктурированных материалов могут достичь $ 5.0-$ 20,0 млрд. в течение ближайших 3-5 год, возможно перемещение многих обычных материалов в приложениях, для которых они были разработаны .

В настоящее время, Есть более чем 50 американских компаний, активно участвующих в производстве наноструктурированных материалов, многие из которых находят применение в датчиках развития. Прикладных наук, Inc (apsci.com), например, специализируется на материалах с высокой теплопроводностью, такие, как пара выращенных углеродных волокон, алмазный основе тонких пленок и композиционных материалов на их основе. Чтобы использовать его различными способами производства, прикладных наук создали совместное предприятие с компанией GSI Creos корпорации (gsi.creos.jp) называется нанографит материалы для производства и сбыта Pyrograf-I, пара выросла из углеродного волокна, которые могут быть использованы для нано-температура датчиков.

Наноматериалов основе устройств и компонентов, таких как нанотрубки используются для химической зондирования и хранения водорода, также в работах. Nanomix (nanomix.com), ранее известный как ковалентных материалы, Inc, планирует запустить свой первый датчик в 2003 (нанотрубки чувствительных элементов на кремниевой микросхеме) для обнаружения летучих органических соединений, в сфере нефтедобычи, решение, которое будет дешевле и меньше , чем нынешние технологии, что позволит расширить их охват НПЗ. Компания использовала ту же платформу для разработки новой системы хранения водорода. Молекулярная Наносистемы также планируем начать нанотрубки основе газовых сенсоров в 2003 году. В области химии углеродных нанотрубок и одностенных нанотрубок (ОСНТ). Углеродные Solutions (carbonsolution.com) получила признание за свою современных материалов и производственных процессов.

"Подход" нанотехнологические

Есть две основные подходы к разработке функциональных наноструктурных материалов, которые иногда называют наноустройств: снизу вверх и сверху вниз. "Снизу вверх" предполагает манипулирования атомами и молекулами формирования наноструктур, таких, как нанопроводов, нанотрубок и nanodots (также называемых квантовых точек), а сверху вниз подход предполагает структурирование методов для создания наноструктур, постепенно меньших размеров.

Некоторых снизу-вверх "приобретают все большее признание. Технологии, обусловленной (lbl.gov Лоуренса в Беркли и Национальной лаборатории), в отделе науки материалов производит равномерное, слезоточивого или палочковидные из нанокристаллов селенида кадмия для использования в полупроводниковых чипов. Металл вводят порошкообразной форме в одном или нескольких горячих ПАВ, который вступает в реакцию с предшественником, чтобы остановить зарождения и, таким образом, причиной роста кристаллов в одном направлении, тем самым контроль кристалла размера и формы (КЭП, июль 2001, стр. 17) .

Самосборки методике, разработанной в Вирджинском политехническом институте (vt.edu) организует молекул в нанометрового размера зерна, которые являются строительным материалом для тонких пленок, используемых в производстве комплексных схем. Во время так называемого изменение электростатического самосборки (MESA), выбрали подложку погружают в альтернативных водных растворах, содержащих анионные и катионные материалов, таких как комплексы полимеров, металлов и оксидных кластеров; клетке структурированных молекул, таких как фуллерены, белки и других биомолекул. Процесс происходит при комнатной температуре и считается экологически безопасным.

NanoSonic (nanosonic.com) даже создал "библиотеку" самоорганизующихся материалов, многие из которых основаны на обработке MESA, и синтезированных пленок измерения десятков микрон толщиной с более чем 2000 отдельных слоев материала. Ультратонкие пленки имеют электрическое сопротивление, что в 100 раз лучше, чем у объемных материалов, таких как медь и алюминий, в зависимости от фирмы.

Синтетические полимеры называются дендримеров также используется для повышения производительности nanoengineered материалов для датчика приложений. Сферические структуры и многочисленных конечных групп на периферии дендримеров позволяет им распознавать анализируемых молекул через два различных механизма: endoreception (когда молекулы аналита проникнуть в промежутки между поверхностью группы и включены в полости дендримеров) и exoreception (при молекулярных видов взаимодействия с химическими группами в конце дендримера отраслей).

В настоящее время, армия США (army.mil) изучает использование дендримеров в печать (изготовление молекулярной формы) для изготовления датчиков для различных загрязняющих веществ и агентов химического оружия. В результате синтетической молекулярной оболочки связывает конкретно формы молекул (те, которые были использованы в качестве шаблона) и отказывается от всех других, так же, как природные антитела.

Строительство нанотрубок, которые могут быть по-разному на функционализированных внутри и снаружи открывает мир приложений для использования нанотрубок в качестве наносенсоров (для химических веществ) и наноустройства Univ. Флорида (ufl.edu) исследователей, работающих с группой в Финляндии, была разработана методика нанотехнологические нанотрубок из углерода и многие другие материалы, которые отделяют воду от органических растворителей, энантиомерной форм лекарственных средств, и выступать в качестве фильтрующего катализаторов. Наночастиц датчики

Большинство наносенсоров на основе наночастиц были сфабрикованы в мезо-(10-100 нм) на макроуровне (более 100 нм), диапазон размеров наночастиц и выступать в качестве биохимических сенсоров с флуоресценции является основным методом обнаружения. Наночастиц датчики способны измерять рН, кальций, натрий, калий, хлор, кислород, глюкоза, глютамат, магния и присутствие боевых биологических агентов, как сибирская язва, обнаружение ДНК. Наночастицы были также разработаны оптико-bioreceptor, оптико-химических и пространственных датчики изображения. Кроме того, играет стратегическую роль в развитии рынка наночастиц наноматериалов, Inc (nanmatinc.com), компания, созданная с целью коммерциализации нетоксичных окислов металлов называется NanoActive материалы, обладающие полезными химическая активность

Биомедицинских приложений являются движущей силой для развития наночастицы сенсорных технологий, особенно в естественных условиях и внутриклеточных наносенсоров используется для диагностики заболеваний, сотовые ремонта и доставки лекарств. В самом деле, Nanospectra Bioscience (nanospectra.com) была создана в сентябре 2001 года исключительно для коммерциализации жизни научно-приложений частиц Nanoshell, неинвазивные наркотиков средство доставки. Nanoshells может быть настроен на поглощать или рассеивать свет на нужной длины волн, в том числе области, где человеческие ткани относительно прозрачны.

Наноматериалы Research LLC (nrcorp.com) продемонстрировала ряд микросенсора компоненты - в том числе оксидов металлов датчики для обнаружения крытый загрязнителей воздуха и низкое энергопотребление, миниатюрные каталитические датчики - на основе наноструктурированных анодного оксида алюминия. Если использование алюминия анодированного в растворе кислоты, оксидной пленки создается, который состоит из равномерно размера наноразмерные поры, диаметры которых можно настраивать от нескольких нанометров до 100 нанометров. Результат представляет собой шаблон, в который другие материалы могут быть сданы на хранение или мокрой или газовой фазы процессов.

Между тем, Synkera Technologies, Inc (synkera.com), ранее датчики группы на наноматериалов исследований, проводил исследования газовых сенсоров состоит из керамических порошков (размер зерна менее 100 нм), в сочетании с полимерами и металлических катализаторов. Эти датчики обладают примерно в 10 раз более чувствительны и более оперативно реагировать (как правило, 1 мкм). В настоящее время компания предлагает три различных толстопленочных, прототип устройства. Один датчик обнаруживает водорода при низких концентрациях (10-1,000 стр / мин), другой определяет водорода при высоких концентрациях (> 1%), а третий определяет NO ^ х ^ к югу вплоть до 0,5 мг / кг.

Наноустройства

Может быть, самый сложный из всех наносенсоры, что в состав которого входят nanodevice, различных компонентов, которые могут быть изготовлены из наноструктурных материалов или наночастицы, или обоих. К этому следует добавить сложность различных типов наноустройств в существовании. Например, наноустройств, таких как резонансное консольной системы, поглощают массы и менять резонансную частоту в зависимости от количества биологических или химических веществ обнаружено. Эти устройства по прогнозам, выступать в качестве датчиков, которые обнаруживают опухоли, а затем отпустите наркотиков атаковать опухоли, активно гибки, чтобы открыть ворота, чтобы выпустить лекарство (например, сайт-специфические доставки лекарств).

Наноустройства также продемонстрировали возможность отслеживать в режиме реального времени, движение ионов металлов в и из клеток - процесс, который имеет важнейшее значение для основных функций, как мышцы. В совместных усилий исследований в Univ. из Мичигана (UM; um.edu), ученые с помощью синтетических наносенсоров (или нанозонды) размером 20 нм, и усеяна молекул, которые связываются с цинка, кальция и других ионов, выявить основные закономерности ионного обмена в клетках. Эти модели используются для определения того, когда и как отдельных молекул триггера ячейки действовать определенным образом. Нанозонды вводятся в клетку и испускают свет, когда ион связывается со специфическим сайте в течение датчика (см. обложку). Компьютерные модели используются для интерпретации этих сигналов.

Центр UM для биологической нанотехнологий (<a target="_blank" href="http://nano.med.umich.edu" rel="nofollow"> http://nano.med.umich.edu </>) начал междисциплинарного проекта по разработке новых терапии рака CCEP, октябрь 2002, стр. 22). Новая библиотека биологически активных Нанокомпоненты будет служить в качестве строительных блоков для сложных наноустройств называется "tectodendrimers" (рис. 2), которые проходят через клеточные мембраны в белые кровяные клетки, где они могут обнаружить первые признаки биохимические изменения. Tectodendrimer на самом деле очень сложная молекула состоит из пяти отдельных молекулярных частей, или сфер, каждая с диаметром менее 5 нм и весьма специфические функции, которые включают: связывание рецепторов молекул конкретной цели (например, раковые клетки , вирусов и т.д.); содержащий маркер, который флуоресцирует при обнаружении белка, связанные с болезнью; содержащие атомов металла, которые можно обнаружить с помощью рентгеновских лучей или магнитно-резонансной томографии, позволяя локализации клеток, проведение наркотиков, которые могут быть освобожден, когда это необходимо, и содержащие сигнальной молекулы, которая активизируется только тогда, когда происходит гибель клеток ..

Дендримеров также перспективны в качестве химических или биохимических датчиков. Исследователи изучают возможность использования дендримеров в серебряный щит, который является токсичным для бактерий и тканей человека, в организме человека до дендримера попадает бактериями и серебро освобождены. Dow Chemical ° (dow.com) и Neogen корпорации (neogen.com) показали, коммерческий интерес в проекте Мичиган Институт молекулярной (mmi.org) на дендримера основе биосенсоров для обнаружения бактерии или токсины, которые могут быть Настоящий в пищевых продуктах.

Нанотрубки 'нишу в газочувствительных

Нанотрубки для газа зондирования горячей области научно-исследовательской деятельности, главным образом, потому что они могут улучшить газовых сенсоров на основе новейших технологий сегодняшнего дня. Одна из проблем, часто встречается в современных газовых сенсоров является то, что они становятся отравили, либо они испытывают газа или других газов в атмосфере. Водорода зондирования нанотрубок из титана разработан штата Пенсильвания, Univ. (Engr.psu.edu) материалы ученых решить эту проблему путем диссоциации молекул водорода на поверхности титана и дают им возможность диффундировать в решетке диоксида титана, где они выступают в качестве доноров электронов (ионов водорода обеспечивают электроны проводимости). Изменения проводимости металлов показывает, что водород, выше уровня фона, присутствует. Эти датчики сказал контроля водорода уровней от 1 части на миллион (ppm) до 4%, при минимальном вмешательстве двуокись углерода, окись углерода, аммиака и кислорода.

Нанотрубки из углерода также проявляют задатки для сепарации газа мембран на основе совместных исследований, проводимых в Univ. Питтсбурга (pitt.edu), Карнеги-дыни Univ. (Cmu.edu) и Департамент США по национальной энергетической энергетики техническая лаборатория (netl.doe.gov). Скорости диффузии газов внутри одностенных углеродных нанотрубок с атома до атома диам. от 1,36 нм и 0,81 нм, на несколько порядков выше, чем в микропористых цеолитов или полимеров с аналогичными размерами пор, в связи с быстрым распространением поглощенного газа в нанотрубке.

Будущее наносенсорные устройства должны опираться на нанотехнологии, что в настоящее время в стадии разработки, включая нанотрубки, нано-электро-механических систем (НСМОС), транзисторы одного электрона, биомолекулярных двигателей, молекулярных переключателей, нанотрубок и нанопроволок. Каждая из этих технологий будут играть важную роль в развитии истинной наносенсорные устройства, которые не требуют макромасштабе обнаружения оборудования.

Подтверждение

Автор признает, Cientifica в качестве ресурса для этого отчета.

Daniela Л. Каррильо, Мороза

DANIELA Л. КАРРИЛЬО раньше старших научных исследований и промышленности аналитик группы датчиков на Мороза