Gør plads til mini flyvende maskiner

Små flydende robotter kan være nyttige på alle mulige måder, for eksempel, at undersøge den menneskelige tarm for sygdom eller at søge miljøet for forurenende stoffer. I et skridt mod sådanne enheder, forskere beskriver et nyt ægteskab af materialer, kombinerer ultratynd 2-D elektronik med miniaturepartikler til at skabe mikroskopiske maskiner.

Forskerne vil præsentere deres arbejde i dag ved det 255. nationale møde og udstilling i American Chemical Society (ACS).

"Du kan lave elektroniske kredsløb, der er et enkelt atom tykt, som bare er sindssygt tynd, "Michael Strano, Ph.D., siger. "En kreativ anvendelse, som ingen har tænkt på indtil nu, er at tage denne elektronik og pode dem på en kolloid partikel. Partiklen, som kan svæve i luften som et støvkorn, har simple computerfunktioner. Du kan bringe denne nye elektronik til miljøer, de ellers ikke kunne få adgang til."

Som et første skridt, forskerne skulle udvikle et kompatibelt sæt elektroniske komponenter til partiklernes belægning for at danne et lukket autonomt kredsløb. "Det var svært at gøre, " siger Volodymyr Koman, Ph.D., en forsker i Stranos gruppe ved Massachusetts Institute of Technology. "Vi gik gennem en række forskellige enheder for at opfylde visse strøm- og energikrav."

Til sidst, Stranos team valgte et biokompatibelt materiale, SU-8, for partiklerne i mikrometerstørrelse og litografisk ætset for at skabe et lukket kredsløb bestående af en strømkilde, en detektor og en hukommelsesenhed. Strømkilden var en p-n heterojunction af MoS2 og WSe2, der kan omdanne lys til elektrisk strøm. Både MoS2 og WSe2 er 2-D halvledere. Detektoren var en kemimodstand, et tydeligt enkelt lag af MoS2, designet til at ændre dens elektriske modstand som reaktion på en miljøagens. Det elektriske output er lagret i en hukommelsesenhed, der består af et separat lag af MoS2-flager, der er klemt mellem guld- og sølvelektroder.

Da partikelmobilitet og stabilitet ville være en vigtig del af de foreslåede applikationer, forskerne undersøgte først, om og hvor langt de elektroniske partikler kunne rejse. Vigtigt, 2-D materialer har højere belastningsgrænser sammenlignet med lignende materialer. Forskerne aerosoliserede dem og drev dem mod et mål; de små partikler fløj et par meter.

Forskerne forestiller sig en række anvendelsesmuligheder for disse miniature flyvemaskiner. Overvågning af store områder for bakterier, sporer, røg, støv eller giftige dampe kræver i øjeblikket enorme ressourcer, Siger Koman. Satellitter eller en flåde af flyvende droner kan udføre disse opgaver, men de er dyre, mens jordsensorer kræver arbejdskrævende installation, som ofte er langsom i forhold til aerosolens spredningshastighed. "Som et alternativ, vi introducerer konceptet for en aerosoliserbar elektronisk enhed, " siger han. Som et eksempel, forskerne testede de små enheder i en simuleret gasrørledning. De flyvende maskiner sejlede med succes gennem testkammeret og opdagede tilstedeværelsen af ​​kulstofpartikler eller flygtige organiske forbindelser undervejs og lagrede denne information i hukommelsen.

"Vi sætter små retroreflektorer på partiklerne - som du har på dine cykler - så de reflekterer lyset og giver os mulighed for hurtigt at finde partiklerne, " siger Koman. Efter fangst, forskerne downloadede informationen fra partiklerne. "Til oplæsning, partiklerne har udpegede metalliske forbindelser, som en fatning:Når du først indsætter to sonder, du kan udlæse enhedens tilstand." Hukommelsen kan derefter slettes, så miniaturemaskinerne kan genbruges.

Forskernes næste skridt er at udvikle partikler til yderligere anvendelser, herunder som monitorer af det menneskelige fordøjelsessystem. "Dette er den rigtige idé og det rigtige tidspunkt, " siger Strano. "Tænk på disse som proto-robotter."