Et tilfeldig etanolsøl ga en ny metode for nanosensorer i 2023

Bob Ross omtalte «lykkelige uhell». Et slikt uhell førte i 2023 til en ny behandling av nanosensorer ved Macquarie University. Universitetet beskrev området som en global industri verdt omkring 1 000 milliarder dollar; dette er universitetets bransjebeskrivelse, ikke et uavhengig bekreftet mål på nanosensormarkedet. Studien Kapillærkrefter driver selvorganiserte mikroklynger for effektive UV-fotodetektorer undersøkte hvordan etanol forbedret kontakten mellom sinkoksid-nanopartikler.

Kort sagt viste forsøket en raskere behandling av de undersøkte sensorlagene, med potensial for lavere energibehov, kostnader og større materialutvalg.

Hva er Nanosensorer?

Nanosensorer utnytter materialer eller følerelementer på nanometerskala; én nanometer er en milliarddel av en meter. Hele sensoren trenger ikke være så liten. Nanostrukturen kan gi egenskaper og følsomhet som skiller seg fra større materialer.

Her er noen viktige egenskaper og bruksområder:

1. Følsomhet: På grunn av deres lille størrelse kan nanosensorer være utrolig følsomme. De kan oppdage endringer i temperatur, trykk, kjemiske konsentrasjoner eller andre miljøfaktorer på svært lave nivåer.
2. Hastighet: Nanosensorer kan ofte gi sanntids- eller nesten sanntidsovervåkning. Deres lille størrelse gjør at de kan reagere raskt på endringer i omgivelsene.
3. Medisinske anvendelser: Innen medisinsk felt kan nanosensorer brukes til å overvåke biologiske prosesser i menneskekroppen. De kan designes for å oppdage spesifikke molekyler eller tilstander, som glukosenivåer hos diabetikere eller tilstedeværelsen av spesifikke kreftmarkører.
4. Miljøovervåkning: Nanosensorer kan brukes til å oppdage forurensninger i luft, vann eller jord. De kan benyttes i overvåkning og kontroll av forurensning eller for å sikre overholdelse av miljøreguleringer.
5. Material- og strukturovervåkning: I industrien kan nanosensorer bygges inn i materialer og strukturer for å overvåke tilstanden. De kan registrere mekanisk spenning, tøyning og andre egenskaper som er viktige for sikkerheten i bygninger, broer og fly.
6. Energieffektivitet: Nanosensorer kan brukes i energiapplikasjoner for å forbedre effektiviteten i energiproduksjon, lagring og forbruk.
7. Integrasjon: Nanosensorer kan integreres i større systemer eller kombineres med andre nanoenheter for overvåking og styring.

På grunn av den enorme variasjonen i potensielle anvendelser spiller nanosensorer en undervurdert, men sentral rolle i moderne teknologi. Som sådan har forskning på nanosensorer som involverer disse små enhetene potensial til å revolusjonere mange aspekter av livene våre.

Den lille størrelsen gjør at de kan operere i miljøer og under forhold som ville vært umulige for større sensorer, og åpner nye muligheter innen alt fra medisin til miljøvitenskap. Mens de tilbyr utrolige muligheter, presenterer nanosensorer også utfordringer, som potensiell toksisitet (spesielt i biologiske anvendelser), pålitelighetsproblemer, standardisering og selvfølgelig – vanskeligheter med produksjon.

Hva er den nye prosessen?

Macquarie University rapporterte i august 2023 en metode som kunne gjøre behandlingen av bestemte nanopartikkelsensorer raskere, billigere og mindre energikrevende. Studenten Jayden (Xiaohu) Chen sølte etanol på en sensor mens han vasket en digel. Prøven fungerte bedre enn forventet uten den vanlige varmebehandlingen. Teamet undersøkte deretter mekanismen og riktig etanolmengde systematisk. Førsteamanuensis Noushin Nasiri forklarte:

For de undersøkte prøvene fant teamet at fem mikroliter etanol var passende, med aktivering på omtrent ett minutt. Mengden og resultatet gjelder forsøksbetingelsene, ikke alle nanosensorer.

Hvordan brukes varme i fremstilling og drift?

Varmebehandling kan forbedre kontakten mellom nanopartikler, slik at elektriske ladninger lettere beveger seg gjennom sensorlaget. Dette var prosessen forskerne undersøkte et alternativ til. Oppvarming brukes også til andre formål i ulike sensorer, men fremstilling, kalibrering, funksjonalisering og regenerering er ikke én obligatorisk aktiveringssekvens for alle nanosensorer.

Termisk behandling og aktivering

Noen sensorer varmebehandles under fremstilling, mens andre drives ved en bestemt temperatur. Ovner, lasere eller elektrisk oppvarming brukes avhengig av konstruksjonen. Behandling av kontaktflatene mellom nanopartikler må skilles fra arbeidstemperaturen til en ferdig sensor.

Kalibrering

Ved kalibrering måles sensorens respons under kjente forhold. Kontrollert temperaturvariasjon kan kartlegge temperaturavhengigheten og gjøre det mulig å korrigere målingene. Det betyr ikke nødvendigvis at sensoren må varmeaktiveres før bruk.

Funksjonalisering

Funksjonalisering innebærer å feste bestemte molekyler eller kjemiske grupper til overflaten for å tilpasse følsomheten. Enkelte prosesser bruker varme for å skape passende kjemiske betingelser, mens andre ikke gjør det. Fremgangsmåten avhenger av materialene og kjemien.

Deaktivering eller tilbakestilling

I enkelte sensorer kan oppvarming fjerne bundne stoffer og regenerere overflaten for nye målinger. I andre kan varme skade eller deaktivere sensoren. Kontrollert oppvarming er derfor et konstruksjonsavhengig verktøy, ikke en generell garanti for gjenbruk.

Utfordringer med varmeprosessen

Selvfølgelig er bruken av varme ikke uten utfordringer. Prosessen må foregå under strenge parametere, hvor overdreven eller ujevn oppvarming kan føre til katastrofe, skade den delikate nanosensoren eller forvrenge målingene. Nanoteknologiens verden krever spesialisert utstyr og presise teknikker for å mestre denne kritiske fasen.

Varme kan altså ha flere roller i sensorteknologi, fra materialbehandling til drift og karakterisering. Etanolmetoden tar sikte på å forbedre kontakten i bestemte nanopartikkelnettverk uten langvarig ovnsbehandling. Den erstatter ikke automatisk alle andre bruksområder for varme.

Hvorfor er den nye metoden viktig?

Forsøket viste et mulig alternativ til energikrevende varmebehandling av de undersøkte sensorlagene. Universitetet rapporterte interesse fra produsenter i 2023, men dette dokumenterte ikke at hele bransjen allerede hadde tatt metoden i bruk. Mulige fordeler omfatter følgende:

Kortere behandlingstid

Teamet sammenlignet metoden med sin tidligere varmeprosess på tolv timer. En riktig dosert etanoldråpe aktiverte prøvene på omtrent ett minutt. Det er en stor tidsbesparelse for dette trinnet, ikke et mål på hele produksjonstiden eller alle nanosensorer.

Åpner dører til allsidighet

Den gamle oppvarmingsmetoden begrenset materialene som kunne brukes, da mange ikke tåler høye temperaturer. Med innføringen av denne etanolbaserte metoden kan et bredere spekter av materialer benyttes. Denne nyvunne allsidigheten åpner spennende muligheter for sensor­design og anvendelse, og muliggjør innovasjoner som tidligere var uoppnåelige.

Mulige kostnadsbesparelser

Kortere behandling og mindre oppvarming kan redusere energi- og prosesskostnadene. Det kan gjøre produksjonen mer tilgjengelig og på sikt gi lavere priser. Studien fastslår ikke de endelige kostnadene ved industriell masseproduksjon.

Lavere energibehov

Å unngå en langvarig ovnsprosess kan redusere energibruken og de tilhørende utslippene. Den samlede miljøvirkningen avhenger også av energikilden, etanolen og resten av produksjonen. Forsøket var ikke en fullstendig livsløpsanalyse.

Avsluttende ord

I august 2023 opplyste teamet at selskaper i Australia og andre land hadde vist interesse, og at patentsøknader var under behandling. Dette er opplysninger fra den gang, ikke en bekreftelse på dagens patentstatus eller kommersielle utbredelse.

Macquarie-forsøket viste hvordan et tilfeldig funn fulgt av systematiske forsøk kunne forbedre sensorlag. Resultatene pekte mot bedre ytelse, større materialutvalg og lavere prosesskostnader. Industriell betydning krever også reproduserbarhet, oppskalering og faktisk bruk.

Nanoteknologispesialister

Følgende børsnoterte selskaper arbeider på beslektede områder. Det er ikke dokumentert at de bruker etanolmetoden eller får en konkret økonomisk fordel av den. Selskapstallene og analytikervurderingene nedenfor stammer fra den opprinnelige artikkelen fra 2023.

1. International Business Machines (NYSE: IBM)

IBM har spilt en sentral rolle i nanoteknologi siden deres forskere oppfant skanningstunnelmikroskopet for å undersøke atomstrukturer. I 2021 presenterte IBM en forskningsbrikke med 2-nanometer-nanosheet-teknologi. Dette var et forskningsresultat, ikke en kunngjøring om masseproduksjon. Selskapet så muligheter for fremtidige anvendelser fra autonome kjøretøy til tingenes internett og beskrev følgende visjon:

IBM beskrev en fremtid med milliarder av transistorer i blant annet biler, apparater og målesystemer, der nanoteknologi kunne bidra til mindre, smartere og mer energieffektive brikker.

Selskapet sammenlignet nanoteknologiske prosessers betydning for transistorer og mikroprosessorer med cellenes rolle som kroppens byggesteiner. Visjonen gjaldt hvordan avansert produksjon kunne støtte stadig mindre elektroniske komponenter.

Denne evnen til å skalere og nærme seg nanoteknologi har gjort at IBM kan posisjonere seg som en leder i feltet.

Markedsverdi oppgitt i 2023-artikkelen: 130,11 mrd. USD

Historisk P/E-forhold: 66,15

Historisk resultat per aksje: 2,16 USD

Den opprinnelige 2023-artikkelen oppga disse tallene for International Business Machines (IBM ) (IBM) og beskrev analytikervurderingen som «kjøp». Dette er historiske opplysninger fra artikkelen, ikke en aktuell anbefaling eller en verifisert opptelling av investeringsselskapenes vurderinger.

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

Thermo Fisher Scientific (TMO ) leverer vitenskapelige instrumenter, reagenser og forbruksmateriell til blant annet helsevesen, legemiddelutvikling og materialforskning. Elektronmikroskopene og analyseverktøyene brukes til å karakterisere nanopartikler. Det dokumenterer ikke bruk av den nye etanolbehandlingen.

Artikkelen knyttet også selskapet til biofotonikk og viste til en ekstern markedsprognose som anslo et marked på over 100 milliarder dollar i 2027. Dette var en prognose, ikke en oppnådd markedsverdi eller dokumentasjon på selskapets inntjening.

Markedsverdi oppgitt i 2023-artikkelen: 211,98 mrd. USD

Historisk P/E-forhold: 37,64

Historisk resultat per aksje: 14,63 USD

Den opprinnelige 2023-artikkelen oppga disse tallene for Thermo Fisher Scientific (TMO) og beskrev analytikervurderingen som «sterkt kjøp». Dette er historiske opplysninger, ikke en aktuell investeringsanbefaling.

3. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (NYSE: TSM)

Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company (TSMC) produserer avanserte halvledere. Selskapet rapporterte i 2019 kvalifisering av støperibransjens første innebygde 22-nanometer-MRAM-teknologi, der magnetiske tilstander lagrer data. Det er ikke det samme som å ha oppfunnet all MRAM. TSMC startet serieproduksjon på 7-nanometer-noden i 2018; en direkte sammenligning med Intel (INTC ) må skille mellom forskningsbrikker, produksjonsstart og forskjellige prosessnavn. TSMC markerte starten på 3-nanometer-serieproduksjon i desember 2022. Teknologiene brukes blant annet i mobiltelefoner og høyytelsesdatabehandling, ikke bare 5G-enheter.

Markedsverdi oppgitt i 2023-artikkelen: 486,48 mrd. USD

Historisk P/E-forhold: 16,24

Historisk resultat per aksje: 6,06 USD

Den opprinnelige 2023-artikkelen oppga disse tallene for TSMC og beskrev analytikervurderingen som «sterkt kjøp». Dette er historiske opplysninger, ikke en aktuell investeringsanbefaling.