Alla scala del molto piccolo, la fisica può diventare peculiare. Un professore di ingegneria biomedica dell'Università del Michigan ha scoperto un nuovo caso di un tale fenomeno su scala nanometrica, che potrebbe portare a dispositivi diagnostici portatili meno costosi e spingono indietro le frontiere nella costruzione di dispositivi micromeccanici e "lab on a chip".
Nel nostro mondo su macroscala, i materiali chiamati conduttori trasmettono efficacemente elettricità e i materiali chiamati isolanti o dielettrici no, a meno che non vengano urtati da una tensione estremamente elevata. In tali circostanze di "rottura dielettrica", come quando un fulmine colpisce un tetto, il dielettrico (il tetto in questo esempio) subisce danni irreversibili.
Questo non è il caso su scala nanometrica, secondo una nuova scoperta di Alan Hunt, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica. Hunt e il suo gruppo di ricerca sono riusciti a far passare una corrente elettrica in modo non distruttivo attraverso una scheggia di vetro, che di solito non è un conduttore.
Un articolo sulla ricerca è stato appena pubblicato online in Nanotecnologia della natura .
"Questo è un nuovo, fenomeno fisico veramente su scala nanometrica, " Hunt ha detto. "Su scale più grandi, non funziona. Ottieni un riscaldamento estremo e danni.
"Ciò che conta è quanto sia ripida la caduta di tensione lungo la distanza del dielettrico. Quando si scende alla nanoscala e si rende il dielettrico estremamente sottile, è possibile ottenere il guasto con tensioni modeste che le batterie possono fornire. Non ottieni il danno perché sei su una scala così piccola che il calore si dissipa in modo straordinariamente rapido."
Questi frammenti dielettrici conduttivi su scala nanometrica sono ciò che Hunt chiama elettrodi di vetro liquido, fabbricato presso l'U-M Center for Ultrafast Optical Science con un laser a femtosecondi, che emette impulsi luminosi lunghi solo quadrilionesimi di secondo.
Gli elettrodi di vetro sono ideali per l'uso in dispositivi lab-on-a-chip che integrano più funzioni di laboratorio su un chip di soli millimetri o centimetri di dimensione. I dispositivi potrebbero portare a test domiciliari istantanei per malattie, contaminanti alimentari e gas tossici. Ma la maggior parte di loro ha bisogno di una fonte di energia per funzionare, e in questo momento si affidano ai cavi per instradare questo potere. Spesso è difficile per gli ingegneri inserire questi cavi nelle piccole macchine, ha detto la caccia.
"La progettazione dei dispositivi microfluidici è vincolata a causa del problema dell'alimentazione, "Ha detto Hunt. "Ma possiamo inserire gli elettrodi direttamente nel dispositivo."
Invece di usare i cavi per instradare l'elettricità, La squadra di Hunt incide i canali attraverso i quali il fluido ionico può trasmettere elettricità. Questi canali, 10mila volte più sottile del punto di questo "i, " vicolo cieco fisico alle loro intersezioni con i canali microfluidici o nanofluidici in cui viene condotta l'analisi sul lab-on a-chip (questo è importante per evitare la contaminazione). Ma l'elettricità nei canali ionici può sfrecciare attraverso il vetro sottile vicolo cieco senza danneggiare il dispositivo nel processo.
Questa scoperta è il risultato di un incidente. Due canali in un dispositivo nanofluidico sperimentale non si sono allineati correttamente, Hunt ha detto, ma i ricercatori hanno scoperto che l'elettricità passava attraverso il dispositivo.
"Siamo rimasti sorpresi da questo, poiché è in contrasto con il pensiero accettato sul comportamento dei materiali non conduttivi, " Hunt ha detto. "Dopo ulteriori studi siamo stati in grado di capire perché questo potrebbe accadere, ma solo su scala nanometrica."
Per quanto riguarda le applicazioni elettroniche, Hunt ha affermato che il cablaggio necessario nei circuiti integrati limita sostanzialmente le loro dimensioni.
"Se potessi utilizzare la rottura dielettrica reversibile per lavorare per te invece che contro di te, che potrebbe cambiare significativamente le cose, " disse Caccia.
