IT-байки: Наноструны – ключ к искусственному обонянию? / Аналитика

"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

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

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

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: