РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Диэлектрики в наномасштабе: Незначительное препятствие

Ошибка при подготовке эксперимента привела к открытию нового наномасштабного физического феномена.
Популярная механика
Популярная механика редакция

В чрезвычайно малых масштабах физические процессы могут проходить неожиданным образом. Один из таких наноразмерных феноменов был обнаружен исследователями Мичиганского университета. Ожидается, что это открытие может привести к созданию быстрых и недорогих диагностических приборов, а также устранить барьеры к созданию микромеханических устройств и «лабораторий-на-чипе».

На макроуровне, с которым мы привыкли иметь дело, материалы подразделяются на проводники, хорошо проводящие электрический ток, диэлектрики, служащие для электричества практически непреодолимым препятствием, и занимающие промежуточное положение полупроводники. Впрочем, диэлектрические материалы (изоляторы) не всегда оказываются для электрического тока надежной преградой: при достаточно высоком напряжении может возникнуть явление электрического пробоя, при котором изолятор получит значительные повреждения. Так кровля дома может пострадать от удара молнии.

В наномасштабе дела обстоят по-другому, согласно открытию Алана Ханта (Alan Hunt), доцента кафедры биомедицинской инженерии в Мичиганском университете. Команде исследователей, возглавляемой Хантом, удалось заставить электрический ток проходить через стеклянную пластинку, не разрушая её, хотя стекло в обычных условиях не является проводником.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Этот физический феномен можно с уверенностью назвать наномасштабным», — говорит Хант. «С увеличением размеров установки эффект пропадает: стекло сильно нагревается и разрушается».

«Ключевую роль здесь играет то, насколько велико падение напряжения на диэлектрике. Если пластина изолятора очень тонка, пробой может наступить при напряжениях меньших, чем обеспечивает пальчиковая батарейка. И диэлектрик не будет поврежден, потому что в столь малых масштабах тепло рассеивается чрезвычайно быстро».

Наноразмерные диэлектрические пластинки, использованные в эксперименте, Хант называет «электродами из жидкого стекла». Они создаются с помощью фемтосекундного лазера в исследовательском центре CUOS (Center for Ultrafast Optical Science) при Мичиганском университете.

Стеклянные электроды идеальны для использования в «лабораториях-на-чипе», объединяющих несколько исследовательских и аналитических функций на одном чипе размерами в несколько миллиметров или сантиметров. Такие устройства смогут выполнять сложные медицинские тесты в домашних условиях, проверять пищу на наличие токсинов, а воздух — на содержание опасных газов. Но большинству из них требуется для работы источник энергии, и в данный момент передача энергии осуществляется по проводникам. Инженерам подчас нелегко реализовать такие «проводные» схемы в крошечных устройствах.

«Проблема энергоснабжения сдерживает темпы разработки микрофлюидальных устройств», — говорит Хант. «Но теперь мы можем встроить электроды прямиком в устройство».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Вместо того, чтобы передавать электроэнергию посредством проводников, команда Ханта предлагает использовать крошечные каналы, через которые поток ионов будет передавать заряд, создавая электрический ток. Эти каналы будут отделены от областей «лаборатории-на-чипе», в которых происходит анализ, тонкой стеклянной «переборкой». Это необходимо для того, чтобы избежать попадания примесей в исследуемое вещество. Но электрический ток сможет миновать эту переборку, не повреждая её.

Это открытие явилось результатом оплошности. Два канала в экспериментальном нанофлюидальном устройстве оказались перекрытыми, но ученые с удивлением обнаружили, что это не помешало электрическому току проходить через них. Дальнейшее изучение явления позволило объяснить его причины.

В данный момент необходимость в проводниках в немалой степени определяет размер интегральных схем. Использование открытого эффекта могло бы существенно изменить положение вещей, считает Хант. В данный момент Мичиганский университет занят патентной защитой интеллектуальной собственности и поиском партнеров для вывода технологии на рынок.

По пресс-релизу U-M News Service

Загрузка статьи...