Сегодня 02 июня 2024
18+
MWC 2018 2018 Computex IFA 2018
реклама
Аналитика

IT-байки: Наноструны – ключ к искусственному обонянию?

"Случаются и более невероятные вещи, попробуй представить себе нечто более невозможное, чем младенец"
Р. Хайнлайн, "Достаточно времени для любви, или жизни Лазаруса Лонга"
При всех успехах современной робототехники следует признать очевидный факт – разработка искусственного обоняния по сравнению с имитацией других ощущений человека пока что можно назвать наименее успешной. Зрение, слух, тактильные ощущения включая температурные, вибрационные, кинестетические (и даже в каком-то смысле боль), вестибулярный аппарат - воссоздание всех этих человеческих ощущений продвинулось учёными гораздо дальше чем воссоздание обоняния. Ну, может быть, только с воссозданием вкуса дела так же плохи, но об этом – как-нибудь в другой публикации. Газоанализатор, которым ежегодно газовщик "обнюхивает" вашу газовую плиту на предмет утечек; датчики задымлённости; определители CO/CO2 – вот, пожалуй, и все более-менее широко распространённые в быту случаи имитации обоняния, если их вообще можно назвать таковыми. А ведь спрос на "искусственное обоняние" в наше время мог бы быть очень высоким. Начиная от "обнюхивания" пассажиров в аэропортах и на железнодорожных вокзалах на предмет провоза взрывчатки, наркотиков и прочего терроризма; до создания чуткого носа у домашнего андроида – пусть "вынюхивает" сбежавшее молоко и самостоятельно принимает меры. Да мало ли где – только дай волю фантазии… Между тем в настоящее время учёные-химики уже вплотную приблизились к тому, чтобы отслеживать появление в воздухе или в жидкости даже единичной молекулы. Принцип, с помощью которого становится возможным создание столь чувствительных детекторов, основан на применении так называемых "нанострун" – крохотных полосок из специфических материалов со специфическим резонансом. Схематически это выглядит так: в случае взаимодействия той самой единичной молекулы с наноструной она становится, условно говоря, более "тяжёлой", в результате чего колебания наноструны становятся в определённой степени медленнее. Наноструны, публикаций о чудесных свойствах которых в настоящее время огромное множество, представляют собой подмножество нового быстро растущего вида наносистем под общим названием наноэлектромеханические системы - Nanoelectromechanical systems (NEMS). По сути своей элементы NEMS – ни что иное как хорошо всем известные микроэлектромеханические системы (Microelectromechanical systems, MEMS), только, соответственно гораздо меньших габаритов.
 IT-байки: Наноструны – ключ к искусственному обонянию?
В новостях и материалах 3DNews регулярно появляются сообщения об изобретении новых MEMS-устройств – это и датчики движения и давления, и гироскопы, и микрофоны, и генераторы, и пьезомембраны, и компоненты перспективных типов дисплеев, и биодатчики, и даже крохотные топливные элементы. Иными словами, Словом MEMS – это любые полупроводниковые чипы, также содержащие в своей конструкции механические или движущиеся элементы. MEMS-устройств нынче есть везде – и в акселерометрах автомобилей, и в датчиках ориентации экрана iPhone, и в датчиках движения Wii. NEMS-устройства, однако, при схожем принципе организации чипа, имеют некоторые отличия от MEMS. Хотя бы по причине того, что речь идёт об измерении, взаимодействиях с материей или силах молекулярного уровня. Словом, NEMS-устройства – весьма многообещающее направление развития современной IT-индустрии. Разве что до сих пор практических приложений с применением NEMS разработано очень мало, пока что чаще речь лишь о перспективах.
Итак, "вводные" на этом закончились, самое время перейти к сути сегодняшней заметки. А суть в том, что физикам из Мюнхенского университета Ludwig-Maximilians-Universität (LMU Munich) – Квирину Унтеррайтхмайеру (Quirin Unterreithmeier), доктору Еве Вайг (Eva Weig) и профессору Йоргу Коттхаусу (Jörg Kotthaus) из центра нанонаук (Center for NanoScience, CeNS) в рамках инициативы "Nanosystems Initiative Munich" (NIM) впервые удалось на практике сконструировать систему нанострун из непроводящего материала. Подробности об изобретении изложены в статье Universal transduction scheme for nanomechanical systems based on dielectric forces в одном из последних выпусков журнала Nature. При этом – что важно, электрическое возбуждение колебаний каждой струны может производиться отдельно, независимо друг от друга. В результате получается возможность детектирования самых разнообразных типов молекул в единой конструкции. Таким образом, тысячи таких струн, заключённые в единый микрочип, позволяют создать высокочувствительный "искусственный нос", настроенный на распознавание самых разных типов запахов, при этом каждый запах чем бы он ни был – ароматом, вонью или токсичным загрязнителем, быстро, точно и с минимальными затратами определяется независимо от других. Наноэлектромеханическая система, применяемая для этих целей, состоит из нанострун диаметром порядка 100 нанометров. Специфическое "покрытие" струн гарантирует взаимодействие только одного типа молекул с каждым типом струн. "В идеале… для построения чуткого искусственного носа вам понадобится несколько тысяч струн, расположенных в чипе габаритами с ноготь", рассказывает Квирин Унтеррайтхмайер (Quirin Unterreithmeier), один из авторов проекта. "Благодаря тому, что каждая струна точнейшим образом настроена на распознавание единственной молекулы и есть возможность точно измерить период колебаний, мы можем детектировать химические субстанции с молекулярной точностью". На рисунке ниже: a – Броуновское движение при комнатной температуре для Vd.c. = 1В без радиочастотного возбуждения. b – Колебания при Vd.c. + Vr.f. = 1В ±0,2мВ, соответствующие радиочастотному возбуждению -70 dBm. c, d – Отклик резонатора как функция частотных и токовых смещений тока
 IT-байки: Наноструны – ключ к искусственному обонянию?
До сих пор, однако, основной проблемой разработчиков являлась как раз генерация и измерение колебаний таких NEMS-устройств. Несмотря на широкий спектр способов возбуждения колебаний нанострун – магнитомеханический, пьезоэлектрический, электромеханический, всё это работает лишь в том случае, если струны выполнены из металла, или, в крайнем случае, из материала с металлическим покрытием. Которые, в свою очередь, значительно демпфируют колебания и попросту делают невозможными высокоточные измерения. Кроме того, что в таком случае не может идти речи ни о каком детектировании колебаний при воздействии одиночной молекулы, также становится почти невозможным разделение различных сигналов различных колеблющихся струн. Метод, разработанный физиками из Мюнхена, аннулирует все эти сложности. Сконструированный ими NEMS-чип содержит наноструны, колебания которых возбуждаются отдельно посредством диэлектрического взаимодействия. Аналогию этому феноменому учёные проводят с волосами, которые "встают дыбом" при сильном ветре. Именно этот физический принцип положен в основу эффекта когда наноструны, выполненные из электрически непроводящего материала – нитрида кремния, начинают резонировать при воздействии негомогенного электрического поля, и их колебания затем могут быть измерены. На рисунке ниже: характеристики отклика резонатора на внешнее возбуждение
 IT-байки: Наноструны – ключ к искусственному обонянию?
Источником переменного электрического поля, необходимого для возникновения этого эффекта, выступают два золотых электрода, расположенных в непосредственной близости от струны, а возникающие в результате колебания измеряются с помощью другой пары электродов. На рисунке ниже: a - Снимок элемента NEMS-чипа, сделанный электронным микроскопом. Зелёный - сильнонапряжённая плёнка из нитрида кремния; Жёлтый – четыре близко расположенных золотых электрода, подключенных к источникам постоянного и переменного тока (радиочастоты) для поляризации и резонансного возбуждения. b - измерение колебаний
 IT-байки: Наноструны – ключ к искусственному обонянию?
На словах всё это звучит достаточно сложно, однако на практике создаётся достаточно просто, с помощью отлично отработанной технологии "сухого травления" (гравировки – etching). И что самое важное, также просто процесс создания десятков тысяч нанострун с соответствующий обвязкой на чипе. Единственная тонкость в этом процессе – "адресовать" каждую струну в чипе, но и это для современной электроники не представляется сложным.
Словом, теперь, после публикации результатов исследований мюнхенских физиков, видимых технических ограничений для создания таких NEMS-устройств нет, однако прорыв в создании мощных современных химических газоанализаторов намечается мощнейший. И "искусственный нос" – лишь верхушка айсберга из всех возможностей применения этой технологии. Что интересно, подобным NEMS-резонаторам на базе нанострун уже предсказывают множество других, "побочных" сфер применения – например, в качестве импульсных генераторов для мобильных телефонов, или даже в качестве сверхточных фильтров электрических сигналов в метрологических системах. Мне же представляется более практичная перспектива, в которой в каждый мобильник наряду с плеерами, навигаторами датчиками ориентации экрана и прочими модными фишками, через некоторый – достаточно небольшой срок времени, начнут встраивать детекторы запахов, для начала – хотя бы вредных веществ без запаха, а там, глядишь, дойдёт дело и до распознавания поддельных французских духов. Думаете, фантастика? Да как сказать: первые MEMS-микрофоны, к примеру, появились всего лишь в 2003 году, а теперь их количество, применяемое только в одной в бытовой электронике, насчитывает сотни миллионов. И если NEMS-анализаторы химического состава воздуха будут действительно так просты в производстве, как об этом говорят учёные, вряд ли понадобится много времени чтобы продукт стал массовым. А дальше, при более-менее массовом производстве и при соответствующем падении цен до уровня единиц долларов, искусственный нос может стать неотъемлемым атрибутом не только андроидов-домохозяек, но и всего, что нас окружает: автомобилей, автоматически измеряющих состав своего выхлопа, газовых плит, предупреждающих о своей утечке, фотоаппаратов, щёлкающих затвором на хороший запах - как они сейчас научились щёлкать на улыбку. Словом, дело лишь за фантазией производителей и потребителей.
Ссылки по теме: Материалы для дополнительного чтения:
- Обсудить материал в конференции


 
 
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Вечерний 3DNews
Каждый будний вечер мы рассылаем сводку новостей без белиберды и рекламы. Две минуты на чтение — и вы в курсе главных событий.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
Власти Японии готовы стать поручителем по кредитам для Rapidus, строящей в Японии предприятие по выпуску 2-нм чипов 2 ч.
Проект STMicroelectronics по строительству предприятия в Италии получит 2 млрд евро субсидий 2 ч.
Привет из 2014-го: Asus выпустила обновлённую GeForce GT 710 EVO с 2 Гбайт GDDR5 11 ч.
Apple выбрала процессоры М2 Ultra и М4 для серверов, на которых будут работать ИИ-функции iPhone 15 ч.
Выставка Computex 2024 откроется 4 июня, но презентации AMD, Intel и Nvidia пройдут раньше 16 ч.
iPhone 5s официально устарел, а iPod touch 6 стал винтажным 16 ч.
Vivo оккупировала значительную часть майского рейтинга производительности AnTuTu 17 ч.
Игровой монитор Xiaomi G Pro 27i на панели Mini LED с 1152 зонами затенения выйдет на мировой рынок 17 ч.
Starlink хочет открыть для пользователей спутниковую сотовую связь уже осенью 19 ч.
Новые спутники Starlink могут уничтожить радиоастрономию на Земле, предупреждают учёные 21 ч.