Диэлектрики в наномасштабе: Незначительное препятствие
В чрезвычайно малых масштабах физические процессы могут проходить неожиданным образом. Один из таких наноразмерных феноменов был обнаружен исследователями Мичиганского университета. Ожидается, что это открытие может привести к созданию быстрых и недорогих диагностических приборов, а также устранить барьеры к созданию микромеханических устройств и «лабораторий-на-чипе».
На макроуровне, с которым мы привыкли иметь дело, материалы подразделяются на проводники, хорошо проводящие электрический ток, диэлектрики, служащие для электричества практически непреодолимым препятствием, и занимающие промежуточное положение полупроводники. Впрочем, диэлектрические материалы (изоляторы) не всегда оказываются для электрического тока надежной преградой: при достаточно высоком напряжении может возникнуть явление электрического пробоя, при котором изолятор получит значительные повреждения. Так кровля дома может пострадать от удара молнии.
В наномасштабе дела обстоят по-другому, согласно открытию Алана Ханта (Alan Hunt), доцента кафедры биомедицинской инженерии в Мичиганском университете. Команде исследователей, возглавляемой Хантом, удалось заставить электрический ток проходить через стеклянную пластинку, не разрушая её, хотя стекло в обычных условиях не является проводником.
«Этот физический феномен можно с уверенностью назвать наномасштабным», — говорит Хант. «С увеличением размеров установки эффект пропадает: стекло сильно нагревается и разрушается».
«Ключевую роль здесь играет то, насколько велико падение напряжения на диэлектрике. Если пластина изолятора очень тонка, пробой может наступить при напряжениях меньших, чем обеспечивает пальчиковая батарейка. И диэлектрик не будет поврежден, потому что в столь малых масштабах тепло рассеивается чрезвычайно быстро».
Наноразмерные диэлектрические пластинки, использованные в эксперименте, Хант называет «электродами из жидкого стекла». Они создаются с помощью фемтосекундного лазера в исследовательском центре CUOS (Center for Ultrafast Optical Science) при Мичиганском университете.
Стеклянные электроды идеальны для использования в «лабораториях-на-чипе», объединяющих несколько исследовательских и аналитических функций на одном чипе размерами в несколько миллиметров или сантиметров. Такие устройства смогут выполнять сложные медицинские тесты в домашних условиях, проверять пищу на наличие токсинов, а воздух — на содержание опасных газов. Но большинству из них требуется для работы источник энергии, и в данный момент передача энергии осуществляется по проводникам. Инженерам подчас нелегко реализовать такие «проводные» схемы в крошечных устройствах.
«Проблема энергоснабжения сдерживает темпы разработки микрофлюидальных устройств», — говорит Хант. «Но теперь мы можем встроить электроды прямиком в устройство».
Вместо того, чтобы передавать электроэнергию посредством проводников, команда Ханта предлагает использовать крошечные каналы, через которые поток ионов будет передавать заряд, создавая электрический ток. Эти каналы будут отделены от областей «лаборатории-на-чипе», в которых происходит анализ, тонкой стеклянной «переборкой». Это необходимо для того, чтобы избежать попадания примесей в исследуемое вещество. Но электрический ток сможет миновать эту переборку, не повреждая её.
Это открытие явилось результатом оплошности. Два канала в экспериментальном нанофлюидальном устройстве оказались перекрытыми, но ученые с удивлением обнаружили, что это не помешало электрическому току проходить через них. Дальнейшее изучение явления позволило объяснить его причины.
В данный момент необходимость в проводниках в немалой степени определяет размер интегральных схем. Использование открытого эффекта могло бы существенно изменить положение вещей, считает Хант. В данный момент Мичиганский университет занят патентной защитой интеллектуальной собственности и поиском партнеров для вывода технологии на рынок.
По пресс-релизу U-M News Service