Нано: от атом до вещество
Наносензорът е направен от наноматериали, усеща промени в нанообластта или работи с обекти на нанометрово разстояние. Наномащабът е от 0,2 nm (атом) до 100 nm.
| Състояние | Размер | Брой атоми |
|---|---|---|
| атом | 0,1–0,3 nm | 1–10 |
| клъстер | 0,3–10 nm | 10–10⁶ |
| наночастица | 10–100 nm | 10⁶–10⁹ |
| вещество | > 100 nm | > 10⁹ |
Защо наното е различно? В кубче с ръб 10 nm има около 60 000 атома, а около 15 % от тях са на повърхността. В кубче от един сантиметър повърхностните атоми са под една милионна. Газът, влагата и молекулите действат само на повърхността. Затова наноматериалът усеща и съвсем малко.
Кубчето тук е с ръб 1, т.е. 10 nm (наночастица). В него има 59300 атома, а на повърхността са 14,6 %.
Делът на повърхностните атоми
атоми на повърхността сега
Под ~1 nm почти всички атоми са на повърхността. При 10 nm са 15 %, при 100 nm – около 1,5 %, при микрометър – десети от процента. Оттам надолу кривата пада 10 пъти на всеки 10 пъти по-голям размер, защото S/V = 6/L.
Наножичката: само повърхност
Наножичка от калаен оксид е MOX сензор (тема 7), но тънка колкото няколко десетки атома. Кислородът от въздуха изтегля електрони от повърхностен слой с дебелина няколко nm, т.е. обеднен слой, който не провежда. Ток тече само по ядрото в средата. Редуциращият газ връща електроните и слоят изтънява от 6 на 3 nm.
При дебел проводник това е нищо: ядрото е почти целият проводник. При наножичка обеднените слоеве от двете страни почти се допират и ядрото е тънко като конец. Малка промяна в слоя променя проводимостта многократно.
Жичката е с диаметър 1,5, т.е. 31,6 nm. При газ проводимостта ѝ расте 1,71 пъти.
Колко пъти расте проводимостта при газ
отговор при газ сега
Жичка от 1 μm почти не реагира: ядрото е 988 nm във въздух и 994 nm при газ, т.е. 1 % разлика. Под 100 nm отговорът тръгва нагоре, а при 15 nm скача 9 пъти. Близо до 2δ = 12 nm жичката във въздух е почти изцяло обеднена, а газът я „отваря“.
Какво още е различно под 10 nm
Под около 10 nm важат квантовите ефекти:
- зарядът е квантуван (единични електрони);
- тунелен ефект – електронът минава през бариера, която класически не може;
- интерференция на електронните вълни;
- спин-поляризиран ток и гигантско магнитосъпротивление (GMR, тема 10);
- ефект на Казимир – две близки пластини под 10 nm се привличат от самия вакуум.
Материалите са:
- графен – лист въглерод с дебелина един атом;
- въглеродни нанотръби (CNT) – провеждат като метал, с до 10 пъти по-голяма плътност на тока;
- наножички – от проводници (Ni, Pt, Au), полупроводници (Si, InP, GaN) и изолатори (SiO₂, TiO₂ – с квантувана проводимост);
- фулерени – въглеродни сфери, акцептори в соларните клетки;
- метални наночастици (катализатори), йонни, молекулни и фрактални клъстери.
Видовете наносензори са:
- механични – кварцови микровезни, нанокантилевъри;
- температурни – нанотермодвойки, резистивни с CNT;
- нанобиосензори – ДНК, холестерол, полеви транзистор с CNT (CNTFET), с наножички, с кантилевъри;
- химични – MOX и CNT газови, pH, влажност;
- оптични и магнитни.
Химичните често мерят с волтаметрия: ток при променливо напрежение в клетка с три електрода (работен, референтен, спомагателен). Работният е модифициран с CNT или с ензим. Цикличната волтаметрия (CV) се ползва например за хербициди, а квадратно-вълновата (SWV) – за прецизни мерения в почва и храни.
Самопроверка
1. Защо наноматериалите са толкова чувствителни?
Огромна част от атомите им са на повърхността (S/V = 6/L), а газовете и молекулите действат само там.
2. Колко атома има в кубче 10 nm и колко от тях са на повърхността?
Около 60 000; ~15 % са на повърхността.
3. Защо тънката наножичка реагира много по-силно от дебел проводник?
Ток тече само по ядрото под обеднения повърхностен слой; при тънката жичка слоят е голяма част от сечението и малката му промяна мени проводимостта многократно.
4. Кои квантови ефекти важат под 10 nm?
Квантуван заряд, тунелен ефект, интерференция на електронни вълни, спин-поляризиран ток, ефект на Казимир.
5. Какво е волтаметрията?
Мерене на тока при променливо напрежение в клетка с 3 електрода; работният е модифициран (CNT, реагент, ензим) – ползва се в химичните нано- и биосензори.