Et tilfældigt ethanolspild gav en ny metode til nanosensorer i 2023

Bob Ross talte om «heldige uheld». Et sådant uheld førte i 2023 til en ny behandling af nanosensorer ved Macquarie University. Universitetet beskrev området som en global industri med en værdi på omkring 1.000 milliarder dollar; det er universitetets branchebeskrivelse, ikke en selvstændigt bekræftet markedsmåling. Studiet Kapillærkræfter driver selvsamlede mikroklynger til effektive UV-fotodetektorer undersøgte, hvordan ethanol forbedrede forbindelserne mellem zinkoxid-nanopartikler. Metoden kunne gøre det undersøgte aktiveringstrin hurtigere og mindre energikrævende.

Hvad er nanosensorer?

Nanosensorer udnytter strukturer eller materialer på nanometerskalaen; en nanometer er en milliardtedel af en meter. Hele sensoren behøver ikke være så lille. Nanostrukturer kan give egenskaber og følsomhed, som adskiller sig fra større materialer.

Her er nogle nøglekarakteristika og anvendelser af nanosensorer:

1. Følsomhed: På grund af deres lille størrelse kan nanosensorer være utroligt følsomme. De kan opdage ændringer i temperatur, tryk, kemiske koncentrationer eller andre miljøfaktorer på meget lave niveauer.
2. Hastighed: Nanosensorer kan ofte levere realtids- eller næsten realtidsmonitorering. Deres lille størrelse gør, at de kan reagere hurtigt på ændringer i deres miljø.
3. Medicinske anvendelser: Inden for medicin kan nanosensorer bruges til at overvåge biologiske processer i den menneskelige krop. De kan designes til at opdage specifikke molekyler eller tilstande, såsom glukoseniveauer hos diabetikere eller tilstedeværelsen af specifikke kræftmarkører.
4. Miljøovervågning: Nanosensorer kan bruges til at opdage forurening i luft, vand eller jord. De kan anvendes i overvågning og kontrol af forurening eller for at sikre overholdelse af miljøregler.
5. Materiale- og strukturovervågning: I den industrielle sektor kan nanosensorer indlejres i materialer og strukturer for at overvåge deres integritet. De kan opdage belastning, deformation eller andre mekaniske egenskaber, som kan være afgørende for sikkerheden i bygninger, broer, fly osv.
6. Energieffektivitet: Nanosensorer kan anvendes i energianvendelser for at forbedre effektiviteten af energiproduktion, -lagring og -forbrug.
7. Integration: Nanosensorer kan integreres i større systemer eller kombineres med andre nanoenheder til komplekse overvågnings- og styringssystemer.

De mange mulige anvendelser giver nanosensorer en væsentlig rolle i moderne teknologi. Forskning i deres følsomhed, integration og fremstilling kan forbedre en række anvendelser.

Små følerelementer kan åbne muligheder fra medicin til miljøvidenskab, hvor større målesystemer er upraktiske. Udfordringerne omfatter potentiel toksicitet, især ved biologisk brug, samt pålidelighed, standardisering og fremstilling. Egenskaberne afhænger af den konkrete sensor og dens materialer.

Hvad går den nye proces ud på?

Macquarie University rapporterede i august 2023 en metode, der kunne gøre behandlingen af bestemte nanopartikelsensorer billigere, mere effektiv og mindre energikrævende. Den studerende Jayden (Xiaohu) Chen spildte ved et uheld ethanol på en sensor, mens han vaskede en digel. Prøven fungerede bedre end forventet uden den sædvanlige varmebehandling. Holdet undersøgte derefter systematisk mekanismen og den nødvendige mængde ethanol. Lektor Noushin Nasiri forklarede:

For de undersøgte prøver fandt holdet, at fem mikroliter ethanol var passende, med aktivering på omkring ét minut. Mængden og resultatet er forsøgsbetingelser, ikke en universel opskrift til alle nanosensorer.

Hvordan bruges varme ved fremstilling og drift?

Varmebehandling kan forbedre kontakten mellem nanopartikler, så elektriske ladninger lettere bevæger sig gennem et sensorlag. Det var netop denne proces, forskerne søgte et alternativ til. Opvarmning bruges også til andre formål i forskellige sensordesign, men fremstillingsbehandling, kalibrering, funktionalisering og nulstilling er ikke én obligatorisk aktiveringssekvens for alle nanosensorer.

Termisk aktivering og behandling

Nogle sensorer kræver varme under fremstilling, mens andre drives ved en bestemt temperatur. Ovne, lasere eller elektrisk opvarmning kan bruges afhængigt af designet. Varmebehandling af nanopartiklers kontaktflader skal skelnes fra den temperatur, en færdig sensor arbejder ved.

Kalibrering

Ved kalibrering måles sensorens respons under kendte forhold. Temperaturen kan varieres kontrolleret for at bestemme temperaturafhængigheden og korrigere målingerne. Det betyder ikke nødvendigvis, at sensoren skal varmeaktiveres før brug.

Funktionalisering

Ved funktionalisering bindes bestemte molekyler eller kemiske grupper til en overflade for at tilpasse følsomheden. Nogle processer bruger varme til at skabe de nødvendige kemiske betingelser, mens andre ikke gør. Det afhænger af materialerne og den valgte kemi.

Deaktivering eller nulstilling

I nogle sensortyper kan opvarmning fjerne bundne stoffer og regenerere overfladen til nye målinger. I andre kan varme beskadige eller deaktivere sensoren. Kontrolleret opvarmning er derfor et designspecifikt værktøj, ikke en generel garanti for genbrug.

Udfordringer ved opvarmning

For høj eller ujævn temperatur kan beskadige sensorlaget, elektroderne eller underlaget og ændre måleresultaterne. Derfor kræver varmeprocesser passende udstyr og kontrollerede betingelser.

Varme kan således have flere roller i sensorteknologi, fra materialebehandling til drift og karakterisering. Ethanolmetoden retter sig mod at forbedre kontakten i bestemte nanopartikelnetværk uden den langvarige ovnbehandling. Den erstatter ikke automatisk alle andre anvendelser af varme.

Hvorfor er metoden interessant?

Forsøget viste et muligt alternativ til energikrævende varmebehandling af de undersøgte sensorlag. Universitetet rapporterede interesse fra producenter i 2023, men det var ikke dokumentation for, at hele nanosensorindustrien allerede havde indført teknikken. Mulige fordele omfatter følgende:

Kortere behandlingstid

Holdet sammenlignede behandlingen med sin tidligere varmeproces på 12 timer. En korrekt doseret ethanoldråbe aktiverede prøverne på omkring ét minut. Det er en stor tidsbesparelse for dette trin, ikke et mål for hele fremstillingstiden eller alle nanosensorer.

Flere mulige materialer

Høje temperaturer kan ødelægge polymerunderlag eller små elektroder. Når den langvarige ovnbehandling undgås, kan flere materialer blive anvendelige. Det åbner muligheder for nye sensordesign, som fortsat skal afprøves for den enkelte kombination af materialer.

Mulige omkostningsbesparelser

Mindre opvarmning og kortere behandling kan sænke energi- og procesomkostningerne. Det kan gøre fremstillingen mere tilgængelig og på sigt reducere priserne. Studiet fastslår dog ikke de endelige omkostninger ved industriel masseproduktion.

Lavere energibehov

At undgå en langvarig ovnproces kan reducere energiforbruget og de tilknyttede udledninger. Den samlede miljøeffekt afhænger også af energikilden, ethanol og resten af fremstillingen; forsøget dokumenterer ikke en komplet livscyklusvurdering.

Perspektiv

I august 2023 oplyste holdet, at virksomheder i Australien og andre lande havde vist interesse, og at patentansøgninger var under behandling. Det er oplysninger fra dengang, ikke en bekræftelse af den nuværende patentstatus eller kommercielle udbredelse.

Macquarie-forsøget viste, hvordan et tilfældigt fund efterfulgt af systematiske forsøg kunne forbedre sensorlag. Resultaterne pegede på potentiale for højere ydeevne, flere materialevalg og lavere procesomkostninger. Industriel betydning kræver også reproducerbarhed, opskalering og faktisk anvendelse.

Virksomheder med aktiviteter inden for nanoteknologi

Følgende børsnoterede selskaber arbejder inden for beslægtede områder. Det er ikke dokumenteret, at de bruger ethanolmetoden eller får en konkret økonomisk fordel af den. Selskabstallene og analytikervurderingerne nedenfor stammer fra den oprindelige artikel fra 2023.

1. International Business Machines (NYSE: IBM)

IBM har bidraget til nanoteknologi, blandt andet gennem forskernes udvikling af scanningtunnelmikroskopet til at undersøge atomare strukturer. I 2021 præsenterede IBM en forskningschip med 2-nanometer-nanosheet-teknologi. Det var et forskningsresultat, ikke en meddelelse om masseproduktion. Virksomheden så potentiale for fremtidige anvendelser fra autonome køretøjer til Internet of Things og beskrev sin vision således:

IBM beskrev en fremtid med milliarder af transistorer i blandt andet biler, apparater og målesystemer, hvor nanoteknologi kunne bidrage til mindre, mere intelligente og mere energieffektive chips.

Virksomheden sammenlignede nanoteknologiske processers betydning for transistorer og mikroprocessorer med cellernes rolle som kroppens byggesten. Visionen handlede om, hvordan avanceret fremstilling kunne understøtte stadig mindre elektroniske komponenter.

Denne forskning og evnen til at udvikle stadig mindre strukturer har givet IBM en vigtig rolle inden for halvlederteknologi.

Markedsværdi i den oprindelige 2023-artikel: 130,11 mia. USD

Historisk P/E-forhold: 66,15

Historisk indtjening pr. aktie (EPS): 2,16 USD

Den oprindelige artikel fra 2023 angav disse nøgletal for International Business Machines (IBM ) (IBM) og beskrev analytikernes vurdering som »køb«. Det er historiske oplysninger fra artiklen, ikke en aktuel anbefaling eller en verificeret optælling af investeringsfirmaernes vurderinger.

2. Thermo Fisher Scientific Inc. (NYSE: TMO)

Thermo Fisher Scientific (TMO ) leverer videnskabelige instrumenter, reagenser og forbrugsvarer til blandt andet sundhed, lægemiddeludvikling og materialeforskning. Selskabets elektronmikroskoper og analyseværktøjer bruges til at karakterisere nanopartikler. Det dokumenterer ikke i sig selv anvendelse af den nye ethanolbehandling.

Artiklen knyttede også selskabet til biofotonik og henviste til en ekstern markedsprognose, som anslog et marked på over 100 mia. USD i 2027. Det var en prognose, ikke en realiseret markedsværdi eller dokumentation for selskabets indtjening.

Markedsværdi i den oprindelige 2023-artikel: 211,98 mia. USD

Historisk P/E-forhold: 37,64

Historisk indtjening pr. aktie (EPS): 14,63 USD

Den oprindelige artikel fra 2023 angav disse nøgletal for Thermo Fisher Scientific (TMO) og beskrev analytikernes vurdering som »stærkt køb«. Det er historiske oplysninger fra artiklen, ikke en aktuel investeringsanbefaling.

3. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (NYSE: TSM)

Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company (TSMC) fremstiller avancerede halvledere. Selskabet rapporterede i 2019 kvalificering af støberibranchens første indlejrede 22-nanometer-MRAM-teknologi, hvor magnetiske tilstande lagrer data. Det er ikke det samme som at have opfundet al MRAM. TSMC begyndte serieproduktion på 7-nanometer-noden i 2018; en direkte sammenligning med Intel (INTC ) skal skelne mellem forskningschips, produktionsstart og forskellige procesnavne. TSMC markerede starten på 3-nanometer-serieproduktion i december 2022. Teknologierne bruges til blandt andet mobiltelefoner og højtydende databehandling, ikke kun 5G-enheder.

Markedsværdi i den oprindelige 2023-artikel: 486,48 mia. USD

Historisk P/E-forhold: 16,24

Historisk indtjening pr. aktie (EPS): 6,06 USD

Den oprindelige artikel fra 2023 angav disse nøgletal for TSMC og beskrev analytikernes vurdering som »stærkt køb«. Det er historiske oplysninger fra artiklen, ikke en aktuel investeringsanbefaling.