Сенсоры
Развиваясь, человечество все
больше стремится понять и освоить природные механизмы,
тысячелетиями функционирующие в биологических организмах, в том числе и
человеческом. Иногда результатом таких попыток становится создание электронной техники, имитирующей работу органов чувств человека
или животных.
В основе работы таких устройств
лежат сенсоры, или датчики-технические элементы, чув-ствительные к внешним воздействиям (от англ. “sense”–
“чувствовать”).
Собственно говоря, сегодня
подобные устройства вряд ли могут кого_нибудь поразить: уже
давно сенсоры встраиваются в автомобили, музыкальные центры,
холодильники и другие бытовые приборы. Датчики широко используются в охранных системах, системах контроля над глобальными катаклизмами (например, сейсмодатчики, способные
заблаговременно преду-предить людей о надвигающемся
землетрясении по малейшим колебаниям), системах противо-пожарной безопасности, медицине.
Большой популярностью сегодня
пользуются ультразвуковые сенсоры. По принципу
работы они напоминают маленький локатор. Волны, исходящие от них, проникают в любой затаенный
уголок помещения, и малейшее изменение геометрии комнаты (например, появление неждан-ных гостей с мешком для денег) приводит к срабатыванию сигнализации. Похожий принцип действия и у инфракрасных датчиков, срабатывающих в момент попадания
движущегося объекта, излучающего тепло (например, человека или собаки), в зону чувствительности датчика.
Пьезоэлектрический
сенсор предназначен для обнаружения механических
воздействий на отдельные предметы и используется при охране сейфов, музейных
экспонатов и т.д. Такой сен-сор представляет собой
МЭМС_устройство, способное обнаружить смещение вплоть до 1 микрона. В основе
работы сенсора лежит пьезоэлектрический эффект,
суть которого подробно излагалась в первой главе при описании
пьезомеханического манипулятора, обеспечивающего перемещение зонда сканирующего
микроскопа. Весьма популярны также газовые сенсоры, суть работы которых заключается в анализе воздуха, попадающего
в сенсор через полупроницаемую мембрану. Молекулы газа вступают в реакцию с
электролитом у измерительного электрода. В результате реакции генерируется
электрический ток, по измерению которого можно судить о наличии тех или иных
веществ в атмосфере. Такие устройства позволяют определять утечку газов и проверять состояние атмосферы на предмет наличия токсичных
веществ, взрыво-опасного водорода и т.п.
Наносенсоры
– это чувствительные элементы, действие которых
основано на нано-масштабных эффектах. Сегодня наносенсоры находят широкое
применение в контроле над состоянием сложных систем, бытовой технике и в
биомедицине.
Рассмотрим, как с помощью
НЭМС_систем построить нанорецептор, который смог бы отделять молекулы только
одного типа. И как сделать перепрограммируемый рецептор, который отбирал бы
только те молекулы, описание которых в данный момент передает центральный
компьютер. Можно ли гарантировать чистоту
отбора? На все эти вопросы можно ответить с помощью математического
моделирования нанорецепторов и наноструктур. Классический нанорецептор,
названный Молекулярным Сортирующим Ротором (далее МСР), предложен Эриком Дрекслером.
Каждый ротор имеет “гнезда” по
окружности, конфигурированные под определенные моле-кулы. Находясь в окружении молекул, “гнезда” селективно захватывают только заданные моле-кулы и удерживают их до тех пор,
пока молекула не окажется внутри устройства. От “гнезда” ее отсоединяет
стержень,расположенный внутри ротора. Такие роторы могут быть спроектированы из
105 атомов и иметь размеры порядка (7х14х14 нм)
при массе 2х10_21 кг. Они смогут сортиро-вать молекулы, состоящие из 20 и менее атомов, со скоростью 106
молекул/сек при энерго-затратах в 10_22 Дж на 1 молекулу. МСР позволяет создавать
давление в 30 000 атмосфер, потребляя 10_19 Дж.
Рис 118 Молекулярный сортирующий ротор
Роторы полностью обратимы и поэтому могут быть использованы как
для нагнетания, так и для выгрузки молекул газов,воды и глюкозы. Каждый ротор
имеет 12 “гнезд” для присоединения молекул, расположенных по длине окружности
ротора. МСР позволят нагнетать в
резервуары химически чистые вещества, в которых не будет ни одной чужеродной
молекулы. Присоединительные “гнезда” роторов
имеют специфическую структуру и будут произво-диться путем конструирования их
атом-за-атомом по примеру строения активных центров не-которых ферментов. Так, фермент гексокиназа имеет
присоединительные “гнезда” для глюкозы.
Ральф Меркле, исследователь из компании Xerox и коллега Эрика Дрекслера, предполагает,
что для
большинства “присоединительных гнезд” для молекул, вытянутых в длину
и имеющих линейную структуру, можно использовать нанотрубки. Ральф рассчитал, какого диаметра должны быть нанотрубки для различных молекул. Выглядеть такой рецептор
может так, как
показано
на рисунке 119.
Рис 119. Нанотрубка
в качестве „гнезда”
А Роберт Фрайтас предлагает ряд “механических” рецепторов для сортировки
молекул. Они имеют разное исполнение,но смысл один и тот же: рецептор, по сигналу
с компьютера, автома-тически принимает форму искомой молекулы.
|
|
Рис 120 Сортирующие рецепторы Фрайтаса
Интеграция в одном устройстве МЭМС, электроники и чувствительных наноэлементов породило огромное многообразие интереснейших
научных проектов, многие из которых уже воплощаются
в жизнь, а часть пока что находится в стадии разработки.
Рассмотрим некоторые из них.