Dielektrika im Nanomaßstab: Kleines Hindernis

Dielektrika im Nanomaßstab: Kleines Hindernis
Dielektrika im Nanomaßstab: Kleines Hindernis
Anonim

Ein Fehler bei der Vorbereitung des Experiments führte zur Entdeckung eines neuen physikalischen Phänomens im Nanomaßstab.

Mit einem Femtosekundenlaser erzeugter Nanokanal
Mit einem Femtosekundenlaser erzeugter Nanokanal
Elektroosmotischer Druck initiiert den Zusammenbruch einer dielektrischen Glastrennwand
Elektroosmotischer Druck initiiert den Zusammenbruch einer dielektrischen Glastrennwand

Mit einem Femtosekundenlaser erzeugter Nanokanal

Auf extrem kleinen Skalen können physikalische Prozesse auf unerwartete Weise ablaufen. Ein solches Nanophänomen wurde von Forschern der University of Michigan entdeckt. Es wird erwartet, dass diese Entdeckung zur Entwicklung schneller und kostengünstiger Diagnosegeräte führen und Hindernisse für die Entwicklung mikromechanischer Geräte und „Laboratories-on-a-Chip“beseitigen könnte.

Auf der Makroebene, mit der wir es gewohnt sind, werden Materialien eingeteilt in Leiter, die elektrischen Strom gut leiten, Dielektrika, die ein fast unüberwindbares Hindernis für Elektrizität darstellen, und Halbleiter, die eine Zwischenstellung einnehmen. Dielektrische Materialien (Isolatoren) sind jedoch nicht immer eine zuverlässige Barriere gegen elektrischen Strom: Bei einer ausreichend hohen Spannung kann es zu einem elektrischen Durchschlag kommen, bei dem der Isolator erheblich beschädigt wird. So kann das Dach des Hauses unter einem Blitzeinschlag leiden.

Im Nanomaßstab liegen die Dinge anders, sagt Alan Hunt, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der University of Michigan. Einem Forscherteam unter der Leitung von Hunt gelang es, einen elektrischen Strom durch eine Glasplatte fließen zu lassen, ohne sie zu zerstören, obwohl Glas normalerweise kein Leiter ist.

" Dieses physikalische Phänomen ist definitiv nanoskalig", sagt Hunt. „Mit zunehmender Größe der Installation verschwindet der Effekt: Das Glas wird heiß und zerbricht.“

“Entscheidend ist hier, wie groß der Spannungsabfall über dem Dielektrikum ist. Wenn die Isolatorplatte sehr dünn ist, kann es bei niedrigeren Spannungen als denen einer Fingerbatterie zu einem Durchschlag kommen. Und das Dielektrikum wird nicht beschädigt, denn auf so kleinem Raum entweicht Wärme extrem schnell.“

Dielektrische Platten im Nanomaßstab, die im Experiment verwendet wurden, nennt Hunt "Wasserglaselektroden". Sie werden mit einem Femtosekundenlaser im Forschungszentrum CUOS (Center for Ultrafast Optical Science) der University of Michigan erzeugt.

Glaselektroden sind ideal für den Einsatz in Labs-on-a-Chip und vereinen mehrere Forschungs- und Analysefunktionen auf einem einzigen Chip, der nur wenige Millimeter oder Zentimeter misst. Solche Geräte werden in der Lage sein, komplexe medizinische Tests zu Hause durchzuführen, Lebensmittel auf Giftstoffe und die Luft auf gefährliche Gase zu untersuchen. Die meisten von ihnen benötigen jedoch eine Energiequelle, um zu funktionieren, und im Moment wird die Energie über Leiter übertragen. Für Ingenieure ist es manchmal schwierig, solche „Verdrahtungs“-Sch altungen in winzigen Geräten zu implementieren.

" Das Stromversorgungsproblem bremst die Entwicklung mikrofluidischer Geräte", sagt Hunt. „Aber jetzt können wir Elektroden direkt in das Gerät einbetten.“

Anstatt Elektrizität durch Leiter zu übertragen, schlägt Hunts Team vor, winzige Kanäle zu verwenden, durch die ein Ionenstrom Ladung überträgt und einen elektrischen Strom erzeugt. Diese Kanäle werden von den Lab-on-a-Chip-Bereichen, in denen die Analyse stattfindet, durch eine dünne gläserne „Schottwand“getrennt. Dies ist notwendig, um das Eindringen von Verunreinigungen in die Prüfsubstanz zu vermeiden. Aber der elektrische Strom wird dieses Schott umgehen können, ohne es zu beschädigen.

Diese Entdeckung war das Ergebnis eines Versehens. Es stellte sich heraus, dass zwei Kanäle in der experimentellen nanofluidischen Vorrichtung blockiert waren, aber die Wissenschaftler stellten überrascht fest, dass dies den elektrischen Strom nicht daran hinderte, durch sie zu fließen. Weitere Untersuchungen des Phänomens ermöglichten es, seine Ursachen zu erklären.

Momentan bestimmt der Bedarf an Leiterbahnen weitgehend die Größe integrierter Sch altkreise. Die Verwendung eines offenen Effekts könnte einen großen Unterschied machen, sagte Hunt. Derzeit ist die University of Michigan damit beschäftigt, geistiges Eigentum zu patentieren und nach Partnern zu suchen, um die Technologie auf den Markt zu bringen.

Pressemitteilung des U-M-Nachrichtendienstes

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