Pamiary w świecie nano

Rozwój czujników wykorzystujących nanotechnologie jest stały, ale wciąż napotyka na przeszkody w drodze do masowej produkcji. Najważniejsze pytanie, na które naukowcy nie znaleźli jeszcze odpowiedzi, brzmi: jak tanio produkować mikroskopijne urządzenia pomiarowe na skalę przemysłową?

Zmiana właściwości optycznych łusek tropikalnych motyli Morpho na skutek oddziaływania różnych substancji (oparów) wynika z ich skomplikowanej przestrzennej nanostruktury.

Zdaniem większości ekspertów pewnego dnia nanoczujniki będą przemieszczać się razem z krwią dokonując pomiarów, monitorując i diagnozując stan zdrowia pacjenta. Już teraz intensywny rozwój nanoczujników wpływa na rozwój wielu dziedzin życia i przemysłu. Przede wszystkim dotyczy to szeroko pojętego bezpieczeństwa, energetyki, przemysłu chemicznego i farmaceutycznego oraz ochrony zdrowia.

Olbrzymią zaletą nanoelementów jest zdolność do zmiany właściwości materiałów, a także urządzeń. Dla przykładu porównajmy kawałek kredy oraz muszelkę. Oba te przedmioty zrobione są z węglanu wapnia, a więc tego samego materiału. Jeśli jednak upuścimy na ziemię kawałek kredy, ten zapewne pokruszy się. Tymczasem muszelka najpewniej nie ulegnie uszkodzeniu. Została stworzona po to, aby chronić swoją zawartość. Kreda takiej funkcji nie pełni. Reakcja na zderzenie z podłożem uwidacznia różnice w nanostrukturze materiałów. To właśnie zasady obowiązujące przy działaniach na poziomie atomów i cząsteczek stanowią podstawę nanotechnologii.

Wykorzystanie tych zasad pozwoliło naukowcom na stworzenie nowych materiałów o bardzo różnych właściwościach. Udało się uzyskać wyjątkową wytrzymałość, trwałość czy odporność na niskie bądź wysokie temperatury. W miarę jak uczeni poszerzają wiedzę na temat nanotechnologii, pojawiają się możliwości stworzenia produktów, które będą te zdobycze wykorzystywać. Dotyczy to oczywiście również pomiarów czujnikami o wyjątkowych, nieznanych dotychczas właściwościach.

Na(no) zdrowie

Według Briana Wirtha, głównego menedżera systemów mikroelektro-mechanicznych (MEMS) mikrostruktur i nanotechnologii GE Sensing większość istniejących już aplikacji służy do wykrywania pojedynczych molekuł danej substancji.

Można tu przytoczyć bardzo wiele przykładów, od detekcji gazów do wykrywania pojedynczych cząsteczek zanieczyszczeń – twierdzi Wirth. Wykrywane może być wszystko, co się ulatnia, na przykład materiały wybuchowe czy też środki używane do budowy broni biologicznej.

Przedstawiciel GE Sensing podkreśla, że olbrzymia liczba programów badawczych dotyczy możliwości oferowanych przez nanoczujniki. Przyznaje przy tym, że jak na razie nie ma jeszcze zbyt wielu gotowych produktów. Wiele z nich jest na etapie opracowywania.

Na razie oferujemy produkty wykorzystywane w dziedzinie bezpieczeństwa, które służą do wykrywania mikroskopijnych ilości materiałów. Część z nich stosowana jest w portach lotniczych – wylicza.

Brian Wirth dostrzega znaczący wzrost wysiłków w zakresie miniaturyzacji urządzeń do celów ochrony zdrowia. Jak wyjaśnia, nanotechnologia pozwala na ciągły monitoring zamiast cyklicznego wysyłania próbek do laboratoriów. Jego zdaniem właściwe zastosowanie nanoczujników pozwoli na prowadzenie ciągłych pomiarów w ramach kontroli diabetyków. Pomiary w skali mikro mogłyby być także pomocne w uśmierzaniu przewlekłego bólu. Nanotechnologia to również szansa na ulepszenie aparatury testującej w farmakologii.

W przemyśle farmaceutycznym linia produkcyjna musi być oczyszczana regularnie i bardzo dokładnie. W przeszłości proces czyszczenia wymagał pobrania próbek, przesłania ich do laboratoriów i oczekiwaniu na wyniki. Obecnie proces ten może być podobny do procedur bezpieczeństwa w portach lotniczych. Technik używa wacika, który pochłania wykrywane cząsteczki i zanieczyszczenia. Pomiar jest realizowany na bieżąco, z użyciem odpowiednio dobranej nanopowierzchni, materiału i technologii przeznaczonej do wykrycia określonej substancji. Dzięki temu czyszczenie odbywa się szybciej i dokładniej – tłumaczy Wirth.

Bakteria nie przejdzie

Nanotechnologia może być użyteczna również w transporcie i energetyce. Centrum rozwoju GE realizuje programy badawcze w celu znalezienia materiałów ceramicznych, które mogłyby zwiększyć sprawność samolotów poprzez zmniejszenie wagi silników.

Zwiększyłoby to wydajność, a jednocześnie byłoby korzystne dla środowiska – stwierdza Todd Alhart, rzecznik prasowy centrum. Prowadzimy również program w zakresie nanostopów metali, które pozwoliłyby turbinom i silnikom na pracę w wyższych temperaturach.

Alhart dodaje, że fachowcy GE poszukują również nanomateriałów pozwalających na wydajniejsze pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych, tj. wiatru czy energii słonecznej. W przypadku wiatru lżejsze łopaty wiatraka pozwoliłyby na bardziej efektywne wykorzystanie jego siły. W przypadku energii słonecznej nowe materiały pozwolą prawdopodobnie wytwarzać więcej energii, czyniąc te źródła bardziej rentownymi. Nanomateriały mogą już być wykorzystywane w elementach opakowań, dzięki czemu łatwiej utrzymać higienę w przemyśle spożywczym.

Utrzymują bakterie z dala od chronionej powierzchni – wyjaśnia Suresh Nair, dyrektor Rockwell Automation odpowiedzialny za bezpieczeństwo i pomiary. W przyszłości czujniki optyczne mogą wykorzystać nanomateriały do zapobiegania osiadania kurzu na soczewkach, co znacznie ograniczy potrzeby serwisowe. Nie będzie potrzebne żadne wycieranie ani czyszczenie.

Przedstawiciel Rockwella podkreśla przy tym, że wybór tej opcji będzie jednak droższy. A to może, przynajmniej na początku, postawić pod znakiem zapytania użyteczność nowej technologii dla przemysłu.

Co najmniej kilka lat

Pomimo mnóstwa projektów droga do komercyjnej produkcji nanoczujników jest jeszcze daleka.

Jak na razie konkretne osiągnięcia dotyczą jedynie materiałów – twierdzi Roger Grace, prezes Roger Grace Associates. Czujniki, które są godne miana nanoczujników, muszą spełniać dwa podstawowe warunki. Powinny mieć nanowymiary, a więc składać się z elementów mniejszych niż 100 nm. Po drugie powinny być w stanie dokonywać nanopomiarów. Nie wierzę, że obecnie istnieje zbyt wiele produktów spełniających oba kryteria.

Grace zwraca uwagę, że większość urządzeń MEMS potrzebowała na przejście od fazy projektu do fazy komercjalizacji od 17 do 20 lat. W jego opinii nanourządzenia będą potrzebowały na to równie dużo czasu. Jednak zdaniem wielu fachowców na pierwsze wdrożenia nie będziemy musieli czekać aż tak długo. Pracownicy Centrum Rozwoju GE po pomocne w badaniach wskazówki zwrócili się do natury.

Obecnie odkrywamy pewne, nieznane wcześniej, właściwości i zastanawiamy się, jak wykorzystać tę wiedzę w pracach nad nanoczujnikami – stwierdza dr Radislav Potyrailo, posiłkując się ostatnim odkryciem bazującym na nanostrukurze skrzydeł tropikalnego motyla. Te nanostruktury wykazują niezwykle ciekawe właściwości optyczne i chemiczne. Czas pokaże, czy uda nam się wykorzystać te odkrycia do budowy nowych, lepszych czujników. To, czego się do tej pory nauczyliśmy, to wykorzystanie tych zawiłych nanostruktur w selektywnej detekcji różnych gazów w powietrzu. Dotychczasowe rezultaty przewyższają rozwiązania konwencjonalne.

Według Jonathana Tuckera, inżyniera ds. sprzedaży w dziale nanotechnologii Keithley Instruments niemal wszyscy w branży starają się rozwijać biologiczne i chemiczne systemy detekcji.

Materiały w skali nano zachowują się odmiennie niż w skali makro czy nawet mikro, co pozwala zbudować bardziej wydajne urządzenia, takie jak: biosensory wykorzystywane w czujnikach chemicznych i biologicznych – twierdzi Tucker. Jeśli przygotuje się dany nanomateriał, dajmy na to nanorurki węglowe, aby był bardziej wrażliwy na pewne biologiczne lub chemiczne materiały i odpowiednio reagował na bezpośredni kontakt lub zbliżenie do tych materiałów, a przy tym użyje się tranzystora jako narzędzia detekcji, to komercjalizacja produktu będzie możliwa w bardzo krótkim czasie.

Według specjalisty Keithley Instruments aplikacje tego typu pojawią się na rynku w ciągu następnych kilku lat. Według niego w obszarze automatyki widać rozwój dużo bardziej czułych nanosensorów, które mogłyby być użyte w zakładach chemicznych do detekcji toksycznych chemikaliów.

Ponieważ wiele czujników powstaje na bazie struktury tranzystora, projektanci muszą określić „współpracę” takiego urządzenia z naniesionym na nim nanomateriałem – tłumaczy Tucker. Nie będą one zachowywać się tak, jak tradycyjne czujniki, ponieważ poszczególne materiały oddziałują na siebie na poziomie atomów. A tam obowiązują inne zasady. Potrzeba wielu testów w warunkach rzeczywistych, aby rozpoznać jak zmieni się sygnał elektryczny danego nanosensora. Kolejny krok to przetworzenie tego sygnału na użyteczną informację.

Keithley Instruments to jeden z ważniejszych podmiotów, który zajmuje się elektrycznymi właściwościami czujników. To kluczowa informacja dla osób pracujących nad rozwojem nanotechnologii. Niezbędne jest ustalenie, jak urządzenia zmieniają swoje właściwości elektryczne w sytuacjach rzeczywistej eksploatacji.

Nasze narzędzia pomagają badaczom zrozumieć elektryczne możliwości urządzenia. Nazywamy je „źródłowymi jednostkami pomiarowymi” (ang. source measure units, SMU). Są one źródłem bodźca lub źródłem (prądowym lub napięciowym) nastawiającym urządzenie. Następnie, po wprowadzeniu wykrywanego (chemicznego lub biologicznego) materiału, SMU dokonuje pomiaru ustalonego prądu lub napięcia i na tej podstawie określana jest odpowiedź czujnika. Pozwala to na udzielenie odpowiedzi na wiele różnych pytań. Jakie wartości prądów należy mierzyć, gdy sensor wejdzie w kontakt z wykrywanym elementem? Jak odróżnić wykrywany element od powietrza? W jaki sposób zmieniają się poszczególne sygnały elektryczne? – wyjaśnia Jonathan Tucker i dodaje, że przed badaczami jeszcze daleka droga do zrozumienia, jak uchronić się przed błędnymi pomiarami.

Masowo, czyli tanio

Chociaż potencjał, jaki drzemie w nanoczujnikach, jest oczywisty i niezaprzeczalny, wciąż pozostaje do pokonania wiele przeszkód, zanim zaczniemy wykorzystywać je w aplikacjach przemysłowych.

Owszem, trwają prace nad niezawodnymi i tanimi zastosowaniami przemysłowymi. Organizacje, takie jak IEEE, IEC i NEMA, opracowują odpowiednie standardy, a producenci testują urządzenia. Jednak prace nie zostały jeszcze zakończone i dopóki nie dobiegną końca, dopóty korzystanie z tych produktów w pełni będzie bardzo trudne – twierdzi Suresh Nair.

Zdaniem Rogera Grace’a obecnie mamy do czynienia z presją na proces wytwarzania czujników. Uważa on, że większość badaczy nie troszczy się o możliwość wyprodukowania urządzenia. Musimy nauczyć się masowej produkcji nanourządzeń. Jeśli nie nauczymy się produkować powtarzalnych produktów z dużą wydajnością i po niskich kosztach, nie będziemy w stanie ich sprzedać. Oczywiście wcześniej czy później nanoprodukty wejdą na rynek. Po prostu zbyt dużo wkłada się w to pracy, aby nie powstały – dodaje prezes Roger Grace Associates.

Tego samego zdania jest dr Harry E. Stephanou, dyrektor Automation & Robotics Research Institute i profesor elektrotechniki University of Texas. Od ponad dekady jest zaangażowany w prace nad nanoprojektami. Przyznaje, że kwestie masowej produkcji są w tej chwili najistotniejsze.

W laboratoriach możemy opracować wiele rzeczy, ale jeśli nie będziemy potrafili ich wyprodukować, nikt ich nie kupi – stwierdza dr Stephanou. Jednym z wąskich gardeł jest brak wiedzy, jak tanio produkować czujniki oraz urządzenia wykonawcze. Jeśli konkretne produkty nie zostaną wykorzystane w przemyśle, pozostaną jedynie ciekawostką.

Stephanou podkreśla, że potrzebny jest przełom w sposobie produkcji. Jak na razie ciągle w użytku są tradycyjne technologie oparte na druku, szablonach i litografii, ale nie odkryto nowych metod produkcji w skali nano.

Potrzebne nowe linie produkcyjne?

Specjaliści z GE są nieco bardziej optymistyczni. Ich zdaniem komercjalizacja nanotechnologii nastąpi za około pięć lat. Radislav Potyrailo opiera swój optymizm na wspomnianych już wynikach badań tropikalnego motyla.

Obserwując cechy skrzydeł owada nauczyliśmy się konstruowania nanomateriałów bazując na większych elementach. Dzięki temu tworzymy produkty, którymi możemy operować w łatwiejszy sposób – tłumaczy Potyrailo.

Jonathan Tucker z Keithley wierzy, że pierwsze etapy komercjalizacji nanoczujników mamy już za sobą.

Obecnie konstruktorzy używają istniejących architektur półprzewodników próbując nie wyważać otwartych drzwi. Modyfikują te architektury, przede wszystkim tranzystory, stosując w nich nanomateriały, na przykład nanorurki węglowe lub inne nanomateriały. W ten sposób powstają bardzo czułe sensory, które mogą być rozmieszczane wzdłuż linii procesu chemicznego. Czujniki są jednym z pierwszych komercyjnych produktów wykorzystujących nanotechnologię – podkreśla Tucker.

Rząd federalny oraz spółki kapitałowe inwestują dużo pieniędzy w nowe technologie i oczekują rezultatów – dodaje przedstawiciel Keithley.

Według dra Stephanou z komercyjnego punktu widzenia nanotechnologie są bardziej kojarzone z materiałami niż urządzeniami i systemami.

Jednak w pewnym momencie wejdziemy na poziom urządzenia. Kiedy byłem studentem, używałem pojedynczych tranzystorów. Dzisiejsi studenci nigdy nie widzieli tranzystora, który stał się częścią większych elementów. W tę samą stronę zmierzamy w rozwoju nanoczujników: od pojedynczego czujnika do sensorów zagnieżdżonych, tworzących układ – twierdzi pracownik University of Texas.

Problemy związane z masowym wykorzystaniem odkryć nanotechnologii chyba najtrafniej podsumowuje Radislav Potyrailo. Twierdzi, że należy znaleźć sposoby połączenia nanostruktur, które widzimy jedynie pod mikroskopem z większymi elementami wykorzystywanymi w czujnikach. Dużym problemem jest stworzenieczujnikaorozsądnejcenieiwystarczającejjakości.

Staramy się więc połączyć zdobycze nanotechnologii z tradycyjnymi elementami pomiarowymi, co pozwoli obniżyć koszty, jako że przenosimy świat mikro i makro do świata nano – podsumowuje Potaryilo.

Konieczna standaryzacja

Poza produkcją przemysłową przed naukowcami stają inne jeszcze problemy związane z nanoczujnikami. Większość związana jest z ochroną zdrowia i szeroko pojętym bezpieczeństwem. Nie rozwiano dotychczas wszystkich obaw dotyczących interakcji nanoproduktów z ludzkim ciałem. Badania prowadzone są zarówno w świecie akademickim, jak też na gruncie rządowym. Jak mówi Suresh Nair z Rockwella: nie wiemy, jaki wpływ na człowieka ma wdychanie nanoelementów. Nie wiemy również zbyt wiele na temat możliwych zagrożeń życia powodowanych przez te elementy. Jak pozbyć się ich z organizmu? To jedynie przykładowe problemy, na które nie znamy jeszcze odpowiedzi.

Innym problemem wymagającym rozwiązania jest standaryzacja. Jestem jej wielkim zwolennikiem – twierdzi Tucker. Współpracuję w tym celu ściśle z IEEE. Jestem współprzewodniczącym Nanoelectronics Standards Roadmap Initiative (NESR). Jednym z tematów, który poruszamy w naszych dyskusjach, są czujniki. Nanotechnolgia jako nauka nie ma standardów.

Pytania, na które trzeba odpowiedzieć, brzmią: kto powinien je napisać? W jaki sposób mamy się wszyscy z nimi zgodzić? Jeśli istnieją przeszkody w masowej produkcji, powtarzalności i weryfikacji, ich rozwiązanie, przynajmniej częściowe, leży w gestii standaryzacji.

Artykuł pod redakcją

Instytutu Automatyki Przemysłowej Politechniki Szczecińskiej