Углеродные нанотрубки для измерения давления
 Углеродная нанотрубка. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Нанотехнологии подарили человечеству новый взгляд на привычные материалы, основным из которых стал углерод. Одна из модификаций углерода, наиболее часто используемая для решения различных научных задач, - нанотрубки, длинные цилиндрические структуры из молекул углерода диаметром порядка нескольких нанометров. Благодаря удивительным электрическим и механическим свойствам нанотрубок для них предложены уже десятки разнообразных применений, от сверхпрочных нитей и материалов, до наноэлектроники. Есть проекты их применения в нейрокомпьютерных разработках, медицине и т.п.
Еще один интересный аспект применения нанотрубок – миниатюрные датчики с размерами порядка нескольких десятков или сотен нанометров. За счет необычных свойств углеродных нанотрубок существует возможность улучшить традиционные схемы датчиков, доведя их, практически, до совершенства. Хороший пример – датчики давления.
Измерение давления в электронных системах основано на принципах теплового обмена между проводящим проводом и окружающим газом. Электрический ток под воздействием внешнего напряжения нагревает провод, одновременно окружающий газ его остужает. Скорость охлаждения зависит от теплопроводности (т.е. химического состава) и давления внешней среды. Таким образом, для измерения давления или контроля химического состава окружающего газа (в зависимости от требований эксперимента) можно просто контролировать текущее состояние провода. Эта методика может по праву считаться классической, однако, она обладает целым рядом недостатков. Во-первых такой датчик требует определенной энергии, во-вторых время его реакции на изменение внешних условий достаточно велико.
Группа исследователей из США развила идею такого датчика дальше. Они доказали, что устройства, построенные по этому же принципу, но на базе углеродных нанотрубок, могут работать при крайне низкой мощности (порядка нВт – мкВт) и имеют очень широкий диапазон измерения (760 – 10-6 Тор). Используемые для оценки давления классические устройства Пирани (именно так называется описанная выше «классическая» схема) по сравнению с нанообразцами имеют слишком громоздкие физические размеры, а также достаточно большое время отклика. Повышенная чувствительность нанодатчиков основана на особенностях транспорта электрического заряда в углеродных трубках, а именно, на одномерном поведении зарядов как в самих трубках, так и на их концах, в месте контакта с металлом. За счет этого плотность тока в нанотрубке может в 100 раз превышать плотность тока в обычном проводнике, делая измерения более эффективными.
Дополнительное преимущество датчиков, состоящих из углеродных нанотрубок, - в легкости их интеграции в микроэлектронные вакуумные системы (по сравнению с другими существующими вариантами, например устройствами на основе термопары) или MEMS-устройства за счет компактного размера.
Источники: