3D-nanoprintning til turboladningsmikroskoper

EPFL-forskere har trykt sensorer i nanometrisk skala, der er i stand til at forbedre ydelsen af ​​atomkraftmikroskoper.

Små sensorer fremstillet ved 3D-print i nanoskala kan være grundlaget for den næste generation af atomkraftmikroskoper. Disse nanosensorer kan forbedre mikroskopernes følsomhed og detektionshastighed ved at minimere deres detektionskomponent op til 100 gange. Sensorerne blev brugt i en virkelig applikation for første gang på EPFL, og resultaterne offentliggøres i Naturkommunikation .

En lille pladespiller, der 'lytter' til atomer

Atomic force microscopy er baseret på kraftfuld teknologi, der fungerer lidt som en miniaturetallerken. En lille cantilever med en nanometrisk spids passerer en prøve og sporer dens lettelse, atom for atom. Spidsens uendelige små op-og-ned-bevægelser opsamles af en sensor, så prøvens topografi kan bestemmes.

En måde at forbedre atomkraftmikroskoper på er at miniaturisere udliggeren, da dette vil reducere inerti, øge følsomheden, og fremskynde opdagelsen. Forskere ved EPFLs laboratorium for bio- og nano-instrumentering opnåede dette ved at udstyre udliggeren med en 5-nanometer tyk sensor lavet med en nanoskala 3-D-udskrivningsteknik. "Ved hjælp af vores metode, cantilever kan være 100 gange mindre, "siger Georg Fantner, laboratoriets direktør.

Elektroner, der hopper over forhindringer

Den nanometriske spidses op-og-ned-bevægelser kan måles gennem deformationen af ​​sensoren placeret i den faste ende af cantilever. Men fordi forskerne havde at gøre med små bevægelser - mindre end et atom - måtte de trække et trick ud af hatten.

Sammen med Michael Huths laboratorium på Goethe Universität i Frankfurt am Main, de udviklede en sensor bestående af stærkt ledende platin -nanopartikler omgivet af en isolerende kulstofmatrix. Under normale forhold, kulstoffet isolerer elektronerne. Men på nanoskala, en kvanteeffekt spiller ind:nogle elektroner hopper gennem det isolerende materiale og bevæger sig fra den ene nanopartikel til den næste. "Det er lidt som om folk, der gik på en sti, kom op mod en mur, og kun de få modige formåede at klatre over den, sagde Fantner.

Når sensorens form ændres, nanopartiklerne bevæger sig længere væk fra hinanden, og elektronerne hopper sjældnere mellem dem. Ændringer i strømmen afslører således sensorens deformation og prøvens sammensætning.

Skræddersyede sensorer

Forskernes virkelige bedrift var at finde en måde at producere disse sensorer i nanoskala dimensioner, mens de omhyggeligt kontrollerer deres struktur og, i forlængelse, deres ejendomme. "I et vakuum, vi fordeler en forstadie gas indeholdende platin og carbonatomer over et substrat. Derefter anvender vi en elektronstråle. Platinatomerne samles og danner nanopartikler, og carbonatomerne danner naturligt en matrix omkring dem, "sagde Maja Dukic, artiklens hovedforfatter. "Ved at gentage denne proces, vi kan bygge sensorer med enhver tykkelse og form, vi ønsker. Vi har bevist, at vi kunne bygge disse sensorer, og at de fungerer på eksisterende infrastrukturer. Vores teknik kan nu bruges til bredere applikationer, lige fra biosensorer, ABS sensorer til biler, at røre sensorer på fleksible membraner i proteser og kunstig hud. "