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Un nano sensore di pressione
Torcere, piegare o schiacciare i materiali piezoelettrici e producono elettricità, un effetto che viene utilizzato nei microfoni e nei telefoni. Ora, sfruttando l'effetto piezoelettrico nei nanofili di ossido di zinco, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno realizzato minuscoli dispositivi in grado di misurare forze estremamente piccole, nell'intervallo da nano a piconewton. Si tratta della forza coinvolta nelle interazioni tra due molecole, dice Zhong Lin Wang , il professore di scienze dei materiali e ingegneria presso la Georgia Tech che ha guidato la ricerca.
Sento che? I nanofili di ossido di zinco sono estremamente sensibili a forze minuscole, nell'intervallo da nano a piconewton. Quando una piccola forza (freccia) piega un nanofilo, le cariche elettriche si accumulano sulla superficie del filo e diminuiscono la corrente che scorre attraverso il filo. Il principio potrebbe essere utilizzato per realizzare piccoli sensori di pressione che possono essere impiantati nel corpo e su aerei e navette spaziali.
Essere in grado di misurare forze così piccole potrebbe portare a dispositivi che potrebbero essere impiantati nel corpo per misurare continuamente i minimi cambiamenti della pressione sanguigna, afferma Wang. I sensori potrebbero anche essere installati sulle ali di aeroplani e veicoli spaziali per monitorare fluttuazioni di pressione molto piccole. E poiché il flusso di corrente attraverso il nanofilo risponde rapidamente, potrebbe essere utilizzato per attivare un trigger sensibile per gli airbag per auto. Se è soggetto a una forza esterna, si spegne entro un microsecondo, afferma Wang.
L'idea di utilizzare l'effetto piezoelettrico per realizzare sensori di pressione non è nuova, afferma Toh-Ming Lu , professore di fisica applicata al Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). La cosa interessante, davvero, è farlo su una scala così piccola, su scala nanometrica, dice.
Collegando le due estremità di un nanofilo di ossido di zinco agli elettrodi, il gruppo di Wang ha realizzato dispositivi simili ai transistor nei dispositivi elettronici. In un transistor elettronico, l'applicazione di una tensione all'elettrodo di gate controlla il flusso di corrente tra gli elettrodi di source e drain. Nel nuovo transistor di rilevamento della pressione, i due elettrodi a cui è collegato il nanofilo fungono da source e drain, ma non c'è il gate. Invece di applicare una tensione al gate, si piega semplicemente il filo.
Quando il nanofilo si piega, il lato esterno allungato del filo piegato si carica positivamente, mentre la superficie interna compressa si carica negativamente. La differenza di carica crea una tensione che sostituisce la tensione di gate.
L'ossido di zinco è biocompatibile, quindi si potrebbe impiantare il sensore di pressione a nanofili nel braccio per monitorare continuamente la pressione sanguigna, afferma Wang. Il sensore potrebbe trasmettere la lettura della pressione a un ricevitore sull'orologio che visualizza i dati.
Poiché il dispositivo si basa sulla deformazione in un singolo nanofilo, si potrebbe pensare che la sensibilità possa essere molto elevata, afferma Yi Cui , professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Stanford University.
Un vantaggio del sensore di pressione è che potrebbe essere trasformato in un dispositivo totalmente autoalimentato combinandolo con un nanogeneratore, come precedentemente dimostrato dal gruppo di Wang. (Vedi Elettricità gratuita dai nanogeneratori.) Il nanogeneratore sfrutterebbe l'energia meccanica dei vasi sanguigni pulsanti e genererebbe elettricità che alimenterebbe il sensore di pressione.
Il concetto potrebbe essere applicato anche ad altri tipi di rilevamento. Un uso per il dispositivo potrebbe essere come biosensore, dice Cui. Il principio è che le molecole che colpiscono o si attaccano ai nanofili deformano il filo e cambiano la corrente attraverso di esso. I ricercatori potrebbero anche sviluppare un sensore chimico, in cui la reazione chimica disturba il nanofilo, afferma Lu di RPI.
L'idea è in fase di laboratorio in questo momento e i ricercatori devono ancora elaborare un progetto per un dispositivo sensore di pressione autoalimentato. Questa sfida ingegneristica potrebbe non essere facile, dice Lu. L'idea di base è abbastanza buona, dice. Esattamente come lo faresti tu: inserirlo nel corpo e ottenere la risposta, capire qual è il segnale, qual è il rumore: è sempre una sfida.