3D打印納米級傳感器提高原子力顯微鏡的性能

大家都知道納米很小，小到看不見，但是具體多大倒是很少有人能夠知道。頭發絲我們都知道，很細，1納米相當于1根頭發絲直徑的6萬分之一。你能想象這么小的東西也能通過3D打印而成嗎？

近日，瑞士洛桑理工學院（EPFL）的研究人員3D打印出了納米級的傳感器，據稱這種傳感器能夠提高原子力顯微鏡的性能。

科學家們說，這種通過納米3D打印技術制成的傳感器可能成為下一代原子力顯微鏡的基礎。據e鍵打印了解，這些納米傳感器可以提高顯微鏡的靈敏度和檢測速度，而且能夠檢測到比以前的檢測對象小100倍的部件。EPFL還在世界上首次將該傳感器用于實際應用當中。這些成果都被發表在近期出版的《Nature Communications》雜志中。

為了便于讀者們理解，這里稍微介紹一下原子力顯微鏡，它的基本原理是將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，因此會造成微懸臂的細微運動，這種變化會被傳感器檢測到，從而可以確定樣品的形貌。（見下面的視頻）

據稱，改進原子力顯微鏡的方法之一是小型化懸臂，因為這將減少慣性，提高靈敏度，并加快檢測速度。EPFL生物和納米儀器實驗室的研究人員通過在懸臂上配備5個納米厚的傳感器達到了這一點。這個僅有5納米厚的傳感器就是用納米3D打印技術打印的。“用我們的方法，懸臂可以縮小100倍。”該實驗室主任Georg Fantner說。

納米傳感器的工作原理

據悉，原子力顯微鏡上納米尖的升降運動可以通過放置在懸臂梁固定端的傳感器的變形去測量。但由于研究人員需要處理的是一種極為細微的運動——甚至小于一個原子——他們不得不再變個戲法。

通過與歌德大學（Goethe Universit?t）Michael Huth教授的實驗室進行合作，他們開發出了一種由被絕緣碳基體包圍著的高導電鉑納米粒子組成的傳感器。在正常情況下，碳會隔離電子。但在納米尺度上，發揮作用的是量子效應：一些電子會跳過絕緣材料，從一個納米顆粒旅行到下一個納米顆粒上。“這有點像人們在路上遇到了一堵墻，只有勇敢的少數人才設法怕了過去。”Fantner說。

于是，當傳感器的形狀改變時，納米粒子彼此的距離變遠，電子在它們之間跳躍的次數就變少了。因此電流的變化就揭示了傳感器的形變程度以及樣品的組成。

如何3D打印納米級傳感器

不過，對于研究者們來說，真正重要的是他們找到了一種方法來制造這些納米尺寸的傳感器，同時又能夠仔細地控制它們的結構，從而進一步控制了它們的屬性。“我們會在真空中向基體撒布一種含有鉑和碳原子的前驅氣體，然后再施加電子束。這個時候，鉑原子會聚集并形成納米粒子，而碳原子會在它們旁邊自然形成基體。”該論文的主要作者Maja Dukic解釋說，“通過重復這個過程，我們可以建造出任何形狀和厚度的傳感器。現在我們已經造出了這樣的傳感器，它們就在我們現有的設備上工作。而且，我們的技術可以有更為廣泛的應用，從生物傳感器、汽車ABS傳感器、到假肢或者人造皮膚上的觸覺傳感器等。”

依賴納米技術，傳感器變得越來越小，越來越復雜和節能，傳感器已經遍布我們生活的周邊，從而產生前所未有的龐大信息數據，因此需要對它們進行處理，用于改善交通擁堵和防止事故發生，或將統計數據用于調配警力資源，降低犯罪率。納米技術在這方面的應用，創造的是一種超密集記憶體，幫助儲存極其龐大的數據，同時也可促進高度有效的運算法則發展，在確保可靠性的前提下處理、加密和傳達數據。

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