Stellen Sie sich vor, Sie müssten die Temperatur einzelner lebender Zellen messen. Da eine Zelle etwa 0,010 mm (0,00004") groß ist, müssten die Thermoelementdrähte (wenn diese Methode gewählt würde) einen Durchmesser von weniger als einem Mikrometer haben. Dies ist der Bereich der Nanosensoren.
Dieses Whitepaper von OMEGA Engineering definiert Nanotechnologie und erläutert, wie sie neue Arten von Sensoren ermöglicht. Es befasst sich mit den neuen Anwendungen, die diese Sensoren eröffnen, und hebt die Highlights der Verwendung kompakter Sensoren hervor. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Temperaturmessung mit kompakten Thermoelementen. Auch wenn nur wenige Ingenieure im Nanobereich arbeiten müssen, sind die Erkenntnisse in vielen Bereichen anwendbar.
Nanotechnology and Nanosensors
“Nano” refers to objects measured in nanometers, or billionths of a meter. To put that in perspective a sheet of paper is about 100,000 nanometers thick and a strand of blonde hair measures around 30,000 nanometers. At this scale surface area has a larger effect on material behavior than it does for larger objects. As a result, properties like conductivity, reflectivity and magnetism change when compared to larger bodies.
Nanotechnologie und Nanosensoren
„Nano” bezieht sich auf Objekte, die in Nanometern oder Milliardstel Metern gemessen werden. Zum Vergleich: Ein Blatt Papier ist etwa 100.000 Nanometer dick und ein blondes Haar misst etwa 30.000 Nanometer. In dieser Größenordnung hat die Oberfläche einen größeren Einfluss auf das Verhalten der Materialien als bei größeren Objekten. Infolgedessen ändern sich Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Reflektivität und Magnetismus im Vergleich zu größeren Körpern.
Ein Teilbereich dieser Bemühungen, die „Nanotechnology Signature Initiative” (NSI), ist die Entwicklung von Nanosensoren. Dabei geht es nicht um die Größe des Sensors (obwohl einige im Nanobereich liegen können), sondern darum, dass der Sensor im Nanobereich betrieben werden kann. Ein Beispiel hierfür ist der Nachweis von Nanopartikeln als Verunreinigungen in der Luft.
Es wird erwartet, dass diese Sensoren „... neue Lösungen für physikalische, chemische und biologische Messungen bieten, die eine höhere Empfindlichkeit, Spezifität und Multiplexing-Fähigkeit in tragbaren Geräten für eine Vielzahl von Bewertungen der Gesundheit, Sicherheit und Umwelt ermöglichen”. Wie in einem NSI-Papier festgestellt wird, „... haben neue Hochleistungs-Nanosensoren bereits eine schnelle Reaktion und erhöhte Empfindlichkeit bei reduzierter Größe gezeigt.“
Beispiele für Nanosensorik-Anwendungen
Reinraum 
Laborumgebung Nanosensoren haben Anwendungen in den Bereichen Verteidigung, Medizin und Gesundheitswesen sowie in Konsumgütern. Hier einige Beispiele:
Nachweis von Chemikalien in der Luft: Diese Sensoren nutzen die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit, die auftritt, wenn Moleküle an Nanodrähte aus halbleitenden Materialien wie Zinkoxid binden. Eine Anwendung ist die Erkennung von überhöhten Kohlenmonoxidwerten.
Erkennung von Bakterien und Viren: Auch hier wird die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit genutzt, in diesem Fall die von Kohlenstoffnanoröhren, an die ein Antikörper gebunden ist. Wenn sich ein passendes Bakterium oder Virus an den Antikörper bindet, kann eine Änderung der Leitfähigkeit gemessen werden.
Messung der Temperatur lebender Zellen: Forscher der Universitäten Princeton und California-Berkeley haben „Nano-Thermometer” entwickelt, die in einzelne Zellen eingeführt werden können. Anstelle herkömmlicher Thermoelementdrähte verwendet ihre Technik Halbleiterkristalle, die bei Temperaturänderungen ihre Farbe ändern. In größerem Maßstab verwenden Wissenschaftler regelmäßig feine Thermoelemente, um Temperaturen in Ex-vivo-Geweben zu messen, beispielsweise bei der Untersuchung der Erwärmungseffekte von Ultraschall.
Messung der Temperatur von Nanofluiden: Das Wärmemanagement ist ein zunehmend wichtiges Thema, insbesondere in der Elektronik, und es wird an der Entwicklung von Nanofluiden mit hervorragenden Wärmeleiteigenschaften geforscht. In diesem Fall werden Sensoren benötigt, um diese „Nano”-Effekte zu messen.
Vorteile kompakter Sensoren
Die Verkleinerung eines Sensors hat viele Vorteile:
- Schnellere Reaktion
- Besseres Signal-Rausch-Verhältnis
- Genauere Daten
- Erhöhte Datendichte
- Geringere Auswirkungen auf das zu messende Phänomen
Temperaturmessung im kleinen Maßstab
Die Ansprechzeit hängt mit dem Drahtdurchmesser zusammen. Beispielsweise zeigen Abbildungen von OMEGA, dass ein Thermoelement mit einem Drahtdurchmesser von 0,75 mm (0,03") 40 Sekunden benötigt, um auf eine bestimmte Änderung der Lufttemperatur zu reagieren, während ein Thermoelement mit einem Durchmesser von 0,025 mm (0,0010") nur 0,05 Sekunden benötigt.
| Ansprechzeit | |||
|---|---|---|---|
| Drahtgröße mm (in) | Ruhende Luft 427 °C/38 °C (800 °F/100 °F) | 60 ft./sec Luft 427 °C/38 °C (800 °F/100 °F) | Ruhiges H2O 93 °C/38 °C (200 °F/100 °F) |
| 0,025 (0,001) | 0,05 Sek. | 0,004 Sek. | 0,002 Sek. |
| 0,125 (0,005) | 1,0 Sek. | 0,08 Sek. | 0,04 Sek. |
| 0,381 (0,015) | 10,0 Sek. | 0,80 Sek. | 0,40 Sek. |
| 0,75 (0,032) | 40,0 Sek. | 3,2 Sek. | 1,6 Sek. |
Die Verwendung von feinen blanken Drähten führt somit zu einer deutlich verbesserten zeitbasierten Auflösung. Dies ermöglicht schnellere Steuerungsreaktionen, wodurch sich die Qualität in temperaturkritischen Prozessen verbessern kann, und erzeugt eine höhere Datendichte, die bei der Erfassung transienter Effekte von Vorteil ist.
Der Versuch, ein kleines Phänomen mit einem relativ großen Werkzeug zu messen, führt zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis [stellen Sie sich vor, Sie messen den Durchmesser eines feinen Drahtes mit einem 30,5 cm (12") Lineal]. Die Anpassung des Sensors an das zu messende Merkmal verbessert die Datenqualität.
Die Datenqualität wird auch durch eine höhere Präzision bei der Platzierung des Sensors verbessert. Im Falle eines Thermoelements kann eines aus feinem Draht oft näher an der Wärmequelle oder der gewünschten Stelle angebracht werden.
Durch die Verkleinerung des Messsensors (in diesem Fall eines Thermoelements) können mehr davon in einem bestimmten Bereich eingesetzt werden. Dadurch erhöht sich die räumliche Dichte der erfassten Daten, was eine höhere Präzision bei der Verfolgung von Effekten wie dem Wärmefluss ermöglicht.
In vielen Situationen, insbesondere wenn sehr kleine Mengen gemessen werden oder präzise Messungen durchgeführt werden, wird der Einfluss des Sensors auf das Phänomen zu einem Problem. Ein Beschleunigungsmesser erhöht die Masse eines Bewegungssystems und kann dadurch die Ergebnisse verändern, und ein Thermoelement kann dasselbe bewirken, indem es Wärme vom Messort ableitet. Das Gleiche gilt für die Messung der Temperatur einer sich bewegenden Flüssigkeit: Ein größeres Thermoelement verursacht eine größere Störung im Fluss. Diese Beispiele veranschaulichen die Vorteile einer Minimierung der Sensorgröße und -masse.
Klein denken
Laborumgebung Die Nanotechnologie ist ein sehr aktives Forschungsgebiet, das insbesondere für die Sensortechnologie von Bedeutung ist. Nanomaterialien, sowohl Feststoffe als auch Flüssigkeiten, ermöglichen die Entwicklung neuer Produkte, darunter kompakte Sensoren, die in eine Vielzahl von Geräten integriert werden können. Dies erfordert jedoch auch die Fähigkeit, im Nanobereich zu messen, beispielsweise bei der Messung von Temperaturänderungen.
Kompakte Messgeräte, wie z. B. feine Drahtthermoelemente, bieten die Möglichkeit, sowohl die Dichte als auch die Qualität der erfassten Daten zu verbessern. Durch die Verkleinerung des Thermoelements wird eine schnellere Reaktion erzielt, die Auswirkungen auf das untersuchte Phänomen werden reduziert und es können mehr solcher Geräte in einem bestimmten Bereich eingebaut werden. Mit Bundesmitteln zur Unterstützung der Nanotechnologie ist ein kontinuierliches Wachstum der nanoskaligen Anwendungen gewährleistet.
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