Imaginez que vous deviez mesurer la température de cellules vivantes individuelles. Étant donné qu'une cellule mesure environ 0,010 mm (0,00004 pouce), les fils pour thermocouple (si cette méthode était choisie) devraient avoir un diamètre inférieur à un micron. C'est là qu'interviennent les nanosenseurs.
Ce livre blanc d'OMEGA Engineering définit la nanotechnologie et explique comment elle permet la création de nouveaux types de capteurs. Il aborde les nouvelles applications de mesure que ces capteurs ouvrent et souligne les avantages de l'utilisation de capteurs compacts. L'accent est particulièrement mis sur la mesure de la température à l'aide de thermocouples compacts. Si peu d'ingénieurs ont besoin de travailler à l'échelle nanométrique, les enseignements tirés sont applicables dans de nombreux domaines.
Nanotechnologie et nanosenseurs
Le terme « nano » désigne des objets mesurés en nanomètres, soit des milliardièmes de mètre. Pour mettre cela en perspective, une feuille de papier a une épaisseur d'environ 100 000 nanomètres et un cheveu blond mesure environ 30 000 nanomètres. À cette échelle, la surface a un effet plus important sur le comportement des matériaux que pour les objets plus grands. Par conséquent, des propriétés telles que la conductivité, la réflectivité et le magnétisme changent par rapport à des corps plus grands.
Soutien fédéral à la recherche
L'exploitation de ces propriétés plutôt spéciales est considérée comme un formidable potentiel pour améliorer les soins de santé et développer des matériaux novateurs et hautement performants. Afin de catalyser les travaux dans ces domaines, le gouvernement fédéral a lancé l'Initiative nationale pour les nanotechnologies (NNI). Ce programme finance les travaux de recherche dans le domaine des nanotechnologies.
Une partie de cet effort, la « Nanotechnology Signature Initiative » (NSI), consiste à développer des nanosenseurs. Cela ne fait pas référence à la taille du capteur (même si certains peuvent être à l'échelle nanométrique), mais signifie plutôt que le capteur peut fonctionner à l'échelle nanométrique. Un exemple est la détection de contaminants atmosphériques de taille nanométrique.
On espère que ces capteurs apporteront « ... de nouvelles solutions en matière de détection physique, chimique et biologique, permettant d'améliorer la sensibilité, la spécificité et la capacité de multiplexage des appareils portables pour une grande variété d'évaluations en matière de santé, de sécurité et d'environnement ». Comme le souligne un article du NSI, « ... les nouveaux nanosenseurs haute performance ont déjà démontré une réponse rapide et une sensibilité accrue pour une taille réduite ».
Exemples d'applications de la nanosensing
Salle blanche 
Laboratoire Les nanosenseurs ont des applications dans les domaines de la défense, de la médecine et de la santé, ainsi que dans les produits de consommation. En voici quelques exemples :
Détection de substances chimiques dans l'air : ces capteurs exploitent la variation de conductivité électrique qui se produit lorsque des molécules se lient à des nanofils fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs tels que l'oxyde de zinc. L'une de leurs applications consiste à détecter les niveaux excessifs de monoxyde de carbone.
Détection des bactéries et des virus : ces capteurs utilisent également les variations de Conductivité électrique, dans ce cas celles des nanotubes de carbone auxquels un anticorps est lié. Lorsqu'une bactérie ou un virus correspondant se fixe à l'anticorps, un changement de conductivité peut être mesuré.
Mesure de la température des cellules vivantes : des chercheurs des universités de Princeton et de Californie-Berkeley ont mis au point des « nanothermomètres » pouvant être insérés dans des cellules individuelles. Plutôt que d'utiliser des fils pour thermocouples conventionnels, leur technique utilise des cristaux semi-conducteurs qui changent de couleur lorsque la température varie. À plus grande échelle, les scientifiques utilisent régulièrement des thermocouples à jauge fine pour mesurer les températures dans les tissus ex vivo, par exemple lorsqu'ils étudient les effets thermiques des ultrasons.
Mesure de la température des nanofluides : La gestion de la chaleur est un enjeu de plus en plus important, en particulier dans le domaine de l'électronique, et des recherches sont en cours pour développer des nanofluides présentant des caractéristiques de conductivité thermique supérieures. Dans ce cas, des capteurs sont nécessaires pour mesurer ces effets « nano ».
Avantages des capteurs compacts
La réduction de la taille d'un capteur présente de nombreux avantages :
- Réponse plus rapide
- Meilleur rapport signal/bruit
- Données plus précises
- Densité de données accrue
- Impact moindre sur le phénomène mesuré
Mesure de température à petite échelle
Le temps de réponse est corrélé au calibre du fil. Par exemple, les schémas d'OMEGA montrent qu'un thermocouple utilisant un fil de 0,75 mm (0,03") de diamètre a besoin de 40 secondes pour réagir à un changement donné de la température de l'air, tandis qu'un thermocouple de 0,025 mm (0,0010") n'a besoin que de 0,05 seconde.
| Temps de réponse | |||
|---|---|---|---|
| Dimension du fil mm (pouces) | Air calme 427 °C/38 °C (800 °F/100 °F) | Air à 60 pi/sec 427 « °C »/38 « °C » (800 « °C »/100 « °C ») | H2O immobile 93 « °C »/38 « °C » (200 « °C »/100 « °C ») |
| 0,025 (0,001) | 0,05 sec | 0,004 sec | 0,002 sec |
| 0,125 (0,005) | 1,0 sec | 0,08 sec | 0,04 sec |
| 0,381 (0,015) | 10,0 sec | 0,80 sec | 0,40 sec |
| 0,75 (0,032) | 40,0 sec | 3,2 sec | 1,6 sec |
L'utilisation de fils nus de calibre fin permet donc d'améliorer considérablement la résolution temporelle. Cela permet des réponses de contrôle plus rapides, améliorant éventuellement la qualité des processus où la température est critique, et produit une densité de données plus élevée, ce qui est précieux lorsqu'on tente de capturer des effets transitoires.
Essayer de mesurer un petit phénomène avec un outil relativement grand donne un mauvais rapport signal/bruit [imaginez mesurer le diamètre d'un fil fin avec une règle de 30,5 cm (12 pouces)]. L'adaptation du capteur à la caractéristique mesurée améliore la qualité des données.
La qualité des données est également améliorée grâce à un placement plus précis du capteur. Dans le cas d'un thermocouple, un thermocouple fabriqué à partir d'un fil de calibre fin peut souvent être placé plus près de la source de chaleur ou de l'emplacement souhaité.
La réduction de la taille du capteur de mesure (dans ce cas, un thermocouple) signifie qu'il est possible d'en utiliser davantage dans une zone donnée. Cela augmente la densité spatiale des données acquises, ce qui permet un suivi plus précis des effets tels que le flux thermique.
Dans de nombreuses situations, en particulier lorsque des quantités très faibles sont mesurées ou que des mesures précises sont effectuées, l'influence du capteur sur le phénomène devient un problème. Un accéléromètre ajoute de la masse à un système en mouvement, ce qui peut modifier les résultats, et un thermocouple peut faire de même en dissipant la chaleur loin du lieu de mesure. Il en va de même lors de la mesure de la température d'un fluide en mouvement : un thermocouple plus grand crée une perturbation plus importante dans le flux. Ces exemples illustrent tous les avantages de la réduction de la taille et de la masse des capteurs.
Penser petit
Laboratoire La nanotechnologie est un domaine de recherche très actif, qui a des implications particulières pour la technologie des capteurs. Les nanomatériaux, solides ou liquides, permettent le développement de nouveaux produits, notamment des capteurs compacts pouvant être intégrés à une grande variété d'appareils. Cependant, cela nécessite également la capacité de détecter à l'échelle nanométrique, comme lors de la mesure des changements de température.
Les appareils de mesure compacts, tels que les thermocouples à fil nu de précision, permettent d'améliorer à la fois la densité et la qualité des données collectées. La réduction de la taille du thermocouple offre une réponse plus rapide, réduit l'impact sur le phénomène étudié et permet d'intégrer un plus grand nombre d'appareils de ce type dans une zone donnée. Grâce au financement fédéral qui soutient les travaux dans le domaine des nanotechnologies, la croissance continue des applications de mesure à l'échelle nanométrique est assurée.
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