Mod forsvindende elektronik og frigørelse af nanomaterialers kraftpotentiale

Hjernesensorer og elektroniske tags, der opløses. Forøgelse af potentialet for vedvarende energikilder. Dette er eksempler på den seneste forskning fra to banebrydende videnskabsmænd udvalgt som dette års Kavli-forelæsere ved det 247. National Meeting &Exposition of the American Chemical Society (ACS).

Mødet byder på mere end 10, 000 præsentationer fra grænserne for kemisk forskning, og afholdes her til og med torsdag. To af disse foredrag er støttet af Kavli Fonden, en filantropisk organisation, der tilskynder til grundlæggende videnskabelig innovation. Disse foredrag, som er et højdepunkt på konferencen, sætte fokus på både unge og etablerede forskeres arbejde, der rykker videnskabens grænser for at løse nogle af verdens mest presserende problemer.

Håndtering af sundheds- og bæredygtighedsspørgsmål på samme tid, John Rogers, Ph.D., udvikler en enorm værktøjskasse af materialer - fra magnesium og silicium til silke og endda rispapir - for at lave biologisk nedbrydelig elektronik, der potentielt kan bruges i en række applikationer. Han vil levere "The Fred Kavli Innovations in Chemistry Lecture."

"Det, vi finder, er, at der er en robust og forskelligartet palet af materialemuligheder på alle niveauer, " sagde Rogers, der er fra University of Illinois, Urbana-Champaign. "For dirigenten, for halvlederen, for det isolerende lag og emballagen og underlaget, man kan vælge og vrage materialer afhængigt af applikationens krav."

Rogers' team arbejder på at inkorporere nogle af disse elementer i sensorer, der kan, for eksempel, opdage den tidlige indtræden af ​​hævelse og temperaturændringer i hjernen efter hovedskader og derefter forsvinde, når de ikke længere er nødvendige. I dag, enheder, der er designet til disse formål, er tilsluttet – de skal implanteres og senere fjernes helt, når de ikke længere er nødvendige. Rogers' sensor kunne implanteres, men fungerer trådløst og, efter brug, "bare forsvinder." Det eliminerer risikoen for infektion og andre komplikationer forbundet med at skulle fjerne enheder kirurgisk. Rogers har med succes testet tidlige prototyper af sensorer i laboratoriedyr og forestiller sig, at sådanne enheder kan bruges en dag i menneskelige patienter.

Hans gruppe arbejder også på bionedbrydelige radiofrekvensidentifikationsmærker, eller RFID-tags. I øjeblikket, RFID'er produceres i milliarder og bruges i alt fra jeans til nøjagtig sporing af lagerbeholdning til smartkort og sprøjtes ind i kæledyr. De findes også i produktemballage, der ender på lossepladser. Ved at bruge cellulose, zink og silicium, Rogers har med succes lavet opløselige RFID-tags i laboratoriet. Det næste skridt ville være at finde ud af, hvordan man skalere produktionen op og kommercialisere den.

"Vi er ret optimistiske, " sagde Rogers. "Vi ser vejen frem og er omtrent halvvejs der."

Emily Weiss, der leverer "The Kavli Foundation Emerging Leader in Chemistry Lecture" Ph.D., fra Northwestern University. Hendes laboratorium er fokuseret på at få mest mulig kraft ud af blandede og matchede nanomaterialer, der udvikles for at maksimere vedvarende energikilder. Forskere kan nu konstruere disse materialer med hidtil uset præcision for at opfange store mængder energi - f.eks. fra sol og varmekilder. Men at få al den energi fra disse materialer og skubbe den ud i verden for at opstarte hjem og gadgets har været store forhindringer.

"Elektrisk strøm stammer fra elektronernes bevægelse gennem et materiale, " Forklarede Weiss. "Men når de bevæger sig gennem et materiale eller en enhed, de støder på steder, hvor de skal springe fra en type materiale til en anden ved det, der kaldes en grænseflade. Ved hjælp af grænseflader, Jeg mener steder, hvor dele af materialet, der ikke er helt ens, mødes. Problemet er, når en elektron skal krydse fra et materiale til et andet, det mister energi."

Efterhånden som strukturer i materialer bliver mindre, grænsefladeproblemet bliver forstærket, fordi nanomaterialer har mere overfladeareal sammenlignet med deres volumen. Så elektroner i disse avancerede enheder skal rejse på tværs af flere og flere grænseflader, og de mister energi som varme hver gang.

Men takket være de seneste fremskridt inden for analytiske instrumenter og computerkraft, Weiss' gruppe er klar til at vende denne ulempe til et plus. "I stedet for at se alle disse grænseflader som negative, nu behøver vi ikke betragte det som en ulempe, " sagde hun. "Vi kan designe en grænseflade, så vi kan slippe af med defekter og slippe af med denne afmatning. Vi kan faktisk bruge omhyggeligt designede grænseflader til at forbedre din enheds egenskaber. Den slags filosofi begynder at tage fat."