Immaginate di dover misurare la temperatura delle singole cellule viventi. Considerando che una cellula ha una dimensione di circa 0,010 mm (0,00004"), i fili per termocoppie (se questo fosse il metodo scelto) dovrebbero avere un diametro inferiore a un micron. Questo è il regno dei nanosensori. Questo white paper di OMEGA Engineering definisce la nanotecnologia e spiega come essa stia rendendo possibili nuovi tipi di sensori. Affronta le nuove applicazioni di misurazione che questi sensori stanno aprendo e sottolinea le caratteristiche principali dell'utilizzo di sensori compatti. Particolare enfasi è posta sulla misurazione della temperatura con termocoppie compatte. Sebbene pochi ingegneri abbiano bisogno di lavorare su scala nanometrica, gli insegnamenti sono applicabili in molti campi.
This OMEGA Engineering White Paper defines nanotechnology and discusses how it is enabling new types of sensors. It addresses the new measurement applications these sensors are opening up and highlights the benefits of using compact sensors. Particular emphasis is placed on the measurement of temperature with compact thermocouples. While few engineers need to work at the nano scale, the lessons are applicable across many fields.
Nanotecnologia e nanosensori
Il termine "nano" si riferisce a oggetti misurati in nanometri, ovvero miliardesimi di metro. Per dare un'idea, un foglio di carta ha uno spessore di circa 100.000 nanometri e un capello biondo misura circa 30.000 nanometri. A questa scala, la superficie ha un effetto maggiore sul comportamento dei materiali rispetto agli oggetti più grandi. Di conseguenza, proprietà come la conduttività, la riflettività e il magnetismo cambiano rispetto ai corpi più grandi.
Sostegno federale alla ricerca
Lo sfruttamento di queste proprietà piuttosto speciali è considerato un grande potenziale per migliorare l'assistenza sanitaria e sviluppare materiali innovativi e ad alte prestazioni. Per catalizzare il lavoro in questi campi, il governo federale ha lanciato la National Nanotechnology Initiative (NNI). Questo programma finanzia la ricerca nel campo delle nanotecnologie.
Una parte di questo sforzo, la "Nanotechnology Signature Initiative" (NSI), è lo sviluppo di nanosensori. Questo non si riferisce alle dimensioni del sensore (anche se alcuni possono essere su scala nanometrica), ma significa piuttosto che il sensore può funzionare su scala nanometrica. Un esempio è il rilevamento di contaminanti atmosferici di dimensioni nanometriche.
L'aspettativa è che questi sensori forniranno "... nuove soluzioni nel campo del rilevamento fisico, chimico e biologico che consentiranno una maggiore sensibilità di rilevamento, specificità e capacità di multiplexing in dispositivi portatili per un'ampia gamma di valutazioni sanitarie, di sicurezza e ambientali". Come osserva un documento dell'NSI, "... i nuovi nanosensori ad alte prestazioni hanno già dimostrato una risposta rapida e una maggiore sensibilità a dimensioni ridotte".
Esempi di applicazioni di nanosensing
Camera bianca 
Ambiente di laboratorio I nanosensori trovano applicazioni nel settore della difesa, in ambito medico e sanitario e nei prodotti di consumo. Ecco alcuni esempi:
Rilevamento di sostanze chimiche presenti nell'aria: questi sensori sfruttano la variazione della conduttività elettrica che si verifica quando le molecole si legano a nanofili realizzati con materiali semiconduttori come l'ossido di zinco. Una delle applicazioni è il rilevamento di livelli eccessivi di monossido di carbonio.
Rilevamento di batteri e virus: anche questi sensori sfruttano le variazioni della conduttività elettrica, in questo caso quella dei nanotubi di carbonio a cui è legato un anticorpo. Quando un batterio o un virus corrispondente si lega all'anticorpo, è possibile misurare una variazione della conduttività.
Misurazione della temperatura delle cellule viventi: i ricercatori delle Università di Princeton e California-Berkeley hanno sviluppato dei "nanotermometri" che possono essere inseriti nelle singole cellule. Anziché utilizzare i tradizionali fili per termocoppie, la loro tecnica impiega cristalli semiconduttori che cambiano colore al variare della temperatura. Su scala più ampia, gli scienziati utilizzano regolarmente termocoppie di precisione per misurare la temperatura nei tessuti ex vivo, ad esempio in caso di studio degli effetti del riscaldamento degli ultrasuoni.
Misurazione della temperatura dei nanofluidi: la gestione del calore è una questione sempre più importante, soprattutto nell'Elettronica, e sono in corso ricerche per sviluppare nanofluidi con caratteristiche di conduttività termica superiori. In questo caso sono necessari sensori per misurare questi effetti "nano".
Vantaggi dei sensori compatti
La riduzione delle dimensioni del sensore offre molti vantaggi:
- Risposta più veloce
- Migliore rapporto segnale/rumore
- Dati più accurati
- Maggiore densità dei dati
- Minore impatto sul fenomeno misurato
Misurazione della temperatura su piccola scala
Il tempo di risposta è correlato al calibro del filo. Ad esempio, i dati OMEGA mostrano che mentre una termocoppia che utilizza un filo di 0,75 mm (0,03") di diametro impiega 40 secondi per rispondere a una data variazione della temperatura dell'aria, una di 0,025 mm (0,0010") impiega solo 0,05 secondi.
| Tempo di risposta | |||
|---|---|---|---|
| Dimensione filo mm (pollici) | Aria ferma 427 °C/38 °C (800 °F/100 °F) | 60 ft./sec Aria 427 °C/38 °C (800 °F/100 °F) | H2O ferma 93 °C/38 °C (200 °F/100 °F) |
| 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 |
Pertanto, l'uso di fili nudi di calibro fine porta a un notevole miglioramento della risoluzione temporale. Ciò consente risposte di controllo più veloci, migliorando potenzialmente la qualità nei processi critici dal punto di vista della temperatura, e produce una maggiore densità dei dati, preziosa quando si cerca di catturare effetti transitori.
Cercare di misurare un fenomeno di piccole dimensioni con uno strumento relativamente grande comporta un rapporto segnale/rumore scadente [immaginate di misurare il diametro di un filo sottile con un righello da 30,5 cm (12")]. Il ridimensionamento del sensore in base alla caratteristica da misurare migliora la qualità dei dati.
La qualità dei dati viene migliorata anche grazie a un posizionamento più preciso del sensore. Nel caso di una termocoppia, quella realizzata con filo di calibro fine può spesso essere posizionata più vicino alla fonte di calore o al punto desiderato.
Ridurre le dimensioni del sensore di misurazione (in questo caso, una termocoppia) significa che è possibile utilizzarne un numero maggiore in una determinata area. Ciò aumenta la densità spaziale dei dati acquisiti, consentendo un monitoraggio più preciso di effetti quali il flusso di calore.
In molte situazioni, specialmente quando si misurano quantità molto piccole o si effettuano misurazioni precise, l'influenza del sensore sul fenomeno diventa un problema. Un accelerometro aggiunge massa a un sistema di movimento, modificando potenzialmente i risultati, e una termocoppia può fare lo stesso conducendo il calore lontano dal punto di misurazione. Lo stesso vale quando si misura la temperatura di un fluido in movimento: una termocoppia più grande crea un disturbo maggiore nel flusso. Questi esempi illustrano tutti i vantaggi di ridurre al minimo le dimensioni e la massa dei sensori.
Pensare in piccolo
Ambiente di laboratorio La nanotecnologia è un campo di ricerca molto attivo, con particolari implicazioni per la tecnologia dei sensori. I nanomateriali, sia solidi che liquidi, stanno consentendo lo sviluppo di nuovi prodotti, tra cui sensori compatti che possono essere incorporati in un'ampia varietà di dispositivi. Tuttavia, ciò richiede anche la capacità di rilevare su scala nanometrica, come nel caso della misurazione delle variazioni di temperatura.
I dispositivi di misurazione compatti, come le termocoppie a filo nudo di precisione, offrono la possibilità di migliorare sia la densità che la qualità dei dati raccolti. La riduzione delle dimensioni della termocoppia garantisce una risposta più veloce, riduce l'impatto sul fenomeno studiato e consente di incorporare un numero maggiore di dispositivi in una determinata area. Grazie ai fondi federali a sostegno del lavoro nel campo delle nanotecnologie, è assicurata la crescita continua delle applicazioni di misurazione su scala nanometrica.
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