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这种新型的纳米二极管,不怕被水淹没

无论科学家们是否在想办法解决“在人工皮肤中植入传感器”后的柔韧性问题,其中的电子电路都必须要接受我们汗水的考验,而硅质芯片显然并不能很好的与汗液和睦相处。

如今,一个国际科研小组已经开发出了一种能够完美适水的逻辑电路和传感器。更为惊奇的是,该系统完全不需要半导体的参与。研究人员选择将有机分子作为“外套”来包裹住里面的金质纳米粒子。他们为这个电路系统起了个名字——“chemoelectronic”电路。

这种新型的纳米二极管,不怕被水淹没

该团队由北京国家纳米科学中心、美国北卡罗来纳大学教堂山分校、美国NuMat Technologies公司、韩国UNIST公司的科学家组成,并在《自然纳米技术》期刊上发表了关于chemoelectronic的文章。

他们用四种有机分子随机组成的大量“配体”包裹住金质纳米粒子,创造出了独一无二的chemoelectronic。每个配体在入水或是潮湿的环境中都能产生一个不同的电荷相关(Charge-related)效果。例如某个配体溶解后就会释放出正离子,并留下纳米颗粒包裹住负离子。而相对的,也会存在某个配体会使纳米颗粒包裹正离子并释放负离子。

而后者结合两种类型的金属纳米颗粒与电荷相反的配体,就会创建出一种能够模拟出PN结的化学模型。

它们能够将带有正电纳米的复合物聚合到一边,把带负电荷的复合物聚集到另一侧。而离子将能够在它们之间自由移动,正离子与负离子互相吸引来到另一边,周而复始。

这种新型的纳米二极管,不怕被水淹没

这样就会导致设备中的电荷分布不均,形成界面电压。而界面电压则能够形成一种脱离设备的“偏好”——在电子的转移过程中偏向另一个方向,就像二极管那样。

“配体四周包围着自由运动的抗衡离子。关键在于要使这些移动中的抗衡离子能够在电场中得到应用,并以此建立离子梯度,最终使得电子流经纳米粒子。”——Unist Bartosz Grzybowski

这个系统有可能将会成为可穿戴传感器领域中最理想的应用技术之一。Chemoelectroinc电路中聚合物电子的转换速率变化,可以直接通过计算检测出每分钟在化学层面上的变化,而这些变化只需要很少的能量就能被转化为电子信号,并灵活的进行逻辑运算。

但这项技术中最吸引人的还是——chemoelectronic电路在湿咸环境下极强的适应性。

研究人员可以通过用四种不同的配体纳米颗粒作为外套,来制作出不同的传感器,用于测量湿度、气体和金属离子等。

为了让这些传感器和电路能够被广泛采用,他们还需要进一步提升转换速率以及耐用性。目前,当这种传感器在从潮湿的环境进入干燥环境之中时,就会出现脱水开裂。

“这些电路其实非常简易。人们需要做的只是把他们从水或醇中解放。然而如果真正想要在现实世界中使用的话,仍将需要一些更好的喷墨设备以及更专业的电气工程师来完成,我们只是一群化学家。”——Grzybowski

尽管存在着诸多挑战,这个神奇的电路看起来仍然是一种非常有潜力的解决方案。不仅仅是因为其逻辑电路能够在潮湿的环境中使用,对于如何构建纳米二极管和晶体管也是一种新的突破。

“由于反离子梯度存在于任何单一的纳米粒子之中,所以只需要基于单个纳米粒子就可以构成二极管或是晶体管。此外,由于纳米粒子也具有光反应的特性,所以我们正在探究把光控电路加入这一系统的可行性。”——Grzybowski

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