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.

         
 
Caeac?eeo web aecaeia e i?ia?aiie?iaaiey - eaoaeia naeoia, iaci? aecaei nooaee