3D打印納米級(jí)傳感器提高原子力顯微鏡的性能

大家都知道納米很小，小到看不見，但是具體多大倒是很少有人能夠知道。頭發(fā)絲我們都知道，很細(xì)，1納米相當(dāng)于1根頭發(fā)絲直徑的6萬(wàn)分之一。你能想象這么小的東西也能通過(guò)3D打印而成嗎？

近日，瑞士洛桑理工學(xué)院（EPFL）的研究人員3D打印出了納米級(jí)的傳感器，據(jù)稱這種傳感器能夠提高原子力顯微鏡的性能。

科學(xué)家們說(shuō)，這種通過(guò)納米3D打印技術(shù)制成的傳感器可能成為下一代原子力顯微鏡的基礎(chǔ)。據(jù)e鍵打印了解，這些納米傳感器可以提高顯微鏡的靈敏度和檢測(cè)速度，而且能夠檢測(cè)到比以前的檢測(cè)對(duì)象小100倍的部件。EPFL還在世界上首次將該傳感器用于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。這些成果都被發(fā)表在近期出版的《Nature Communications》雜志中。

為了便于讀者們理解，這里稍微介紹一下原子力顯微鏡，它的基本原理是將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，因此會(huì)造成微懸臂的細(xì)微運(yùn)動(dòng)，這種變化會(huì)被傳感器檢測(cè)到，從而可以確定樣品的形貌。（見下面的視頻）

據(jù)稱，改進(jìn)原子力顯微鏡的方法之一是小型化懸臂，因?yàn)檫@將減少慣性，提高靈敏度，并加快檢測(cè)速度。EPFL生物和納米儀器實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過(guò)在懸臂上配備5個(gè)納米厚的傳感器達(dá)到了這一點(diǎn)。這個(gè)僅有5納米厚的傳感器就是用納米3D打印技術(shù)打印的。“用我們的方法，懸臂可以縮小100倍。”該實(shí)驗(yàn)室主任Georg Fantner說(shuō)。

納米傳感器的工作原理

據(jù)悉，原子力顯微鏡上納米尖的升降運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)放置在懸臂梁固定端的傳感器的變形去測(cè)量。但由于研究人員需要處理的是一種極為細(xì)微的運(yùn)動(dòng)——甚至小于一個(gè)原子——他們不得不再變個(gè)戲法。

通過(guò)與歌德大學(xué)（Goethe Universit?t）Michael Huth教授的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作，他們開發(fā)出了一種由被絕緣碳基體包圍著的高導(dǎo)電鉑納米粒子組成的傳感器。在正常情況下，碳會(huì)隔離電子。但在納米尺度上，發(fā)揮作用的是量子效應(yīng)：一些電子會(huì)跳過(guò)絕緣材料，從一個(gè)納米顆粒旅行到下一個(gè)納米顆粒上。“這有點(diǎn)像人們?cè)诼飞嫌龅搅艘欢聣Γ挥杏赂业纳贁?shù)人才設(shè)法怕了過(guò)去。”Fantner說(shuō)。

于是，當(dāng)傳感器的形狀改變時(shí)，納米粒子彼此的距離變遠(yuǎn)，電子在它們之間跳躍的次數(shù)就變少了。因此電流的變化就揭示了傳感器的形變程度以及樣品的組成。

如何3D打印納米級(jí)傳感器

不過(guò)，對(duì)于研究者們來(lái)說(shuō)，真正重要的是他們找到了一種方法來(lái)制造這些納米尺寸的傳感器，同時(shí)又能夠仔細(xì)地控制它們的結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步控制了它們的屬性。“我們會(huì)在真空中向基體撒布一種含有鉑和碳原子的前驅(qū)氣體，然后再施加電子束。這個(gè)時(shí)候，鉑原子會(huì)聚集并形成納米粒子，而碳原子會(huì)在它們旁邊自然形成基體。”該論文的主要作者M(jìn)aja Dukic解釋說(shuō)，“通過(guò)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，我們可以建造出任何形狀和厚度的傳感器。現(xiàn)在我們已經(jīng)造出了這樣的傳感器，它們就在我們現(xiàn)有的設(shè)備上工作。而且，我們的技術(shù)可以有更為廣泛的應(yīng)用，從生物傳感器、汽車ABS傳感器、到假肢或者人造皮膚上的觸覺傳感器等。”

依賴納米技術(shù)，傳感器變得越來(lái)越小，越來(lái)越復(fù)雜和節(jié)能，傳感器已經(jīng)遍布我們生活的周邊，從而產(chǎn)生前所未有的龐大信息數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)它們進(jìn)行處理，用于改善交通擁堵和防止事故發(fā)生，或?qū)⒔y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用于調(diào)配警力資源，降低犯罪率。納米技術(shù)在這方面的應(yīng)用，創(chuàng)造的是一種超密集記憶體，幫助儲(chǔ)存極其龐大的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可促進(jìn)高度有效的運(yùn)算法則發(fā)展，在確保可靠性的前提下處理、加密和傳達(dá)數(shù)據(jù)。

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