دانشمندان به کمک نانوحفره‌ها دماسنج بسیار حساس ساختند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان موسسه تحقیقات علمی و صنعتی SANKEN در دانشگاه اوزاکا با استفاده از یک ترموکوپل، اثرات حرارتی جریان یونی را با استفاده از یک نانوحفره اندازه‌گیری کردند. آن‌ها دریافتند که در بیشتر مواقع، هم جریان و هم توان گرمایشی با ولتاژ اعمالی تغییر می‌کنند. این کار ممکن است منجر به ساخت حسگر‌های پیشرفته‌تر در مقیاس نانو شود.

نانوحفره‌ها، به‌قدری کوچک هستند که تنها یک رشته DNA یا ذره ویروس می‌تواند از آن عبور کند. به تازگی از نانوحفره‌ها برای ارائه یک پلت فرم جدید به منظور ساخت حسگر استفاده شده است. در این نوع فناوری‌های تشخیصی مبتنی بر نانوحفره، اغلب یک ولتاژ الکتریکی بین دو طرف غشا اعمال می‌شود تا ماده مورد نظر از طریق نانوحفره قابل تجزیه و تحلیل باشد.

"آن‌ها دریافتند که در بیشتر مواقع، هم جریان و هم توان گرمایشی با ولتاژ اعمالی تغییر می‌کنند"در چنین ساختاری، یون‌های باردار در محلول جابه‌جا می‌شوند، اما تاثیر اعمال ولتاژ بر دما به طور گسترده مورد مطالعه قرار نگرفته است. اندازه‌گیری مستقیم اثرات حرارتی ناشی از این یون‌ها می‌تواند به کاربردی‌تر کردن نانوحفره‌ها به‌عنوان حسگر کمک کند.

به تازگی تیمی از محققان دانشگاه اوزاکا یک ترموکوپل ساخته شده از نانوسیم‌های طلا و پلاتین با نقطه تماسی به اندازه ۱۰۰ نانومتر ساخته‌اند که به‌عنوان دماسنج عمل می‌کند. محققان از آن برای اندازه‌گیری دما استفاده کردند، که در آن یک نانوحفره روی فیلم با ضخامت ۴۰ نانومتر که روی یک ویفر سیلیکونی معلق است، برای سنجش دما به کار گرفته شده است.

گرمایش ژول زمانی اتفاق می‌افتد که انرژی الکتریکی توسط مقاومت سیم به گرما تبدیل می‌شود. این اثر در توستر‌ها و اجاق‌های برقی رخ می‌دهد و می‌توان آن را به‌عنوان پراکندگی غیرالاستیک توسط الکترون‌ها در برخورد با هسته‌های سیم در نظر گرفت. در مورد نانوحفره، دانشمندان دریافتند که انرژی حرارتی متناسب با تکانه جریان یونی تلف می‌شود که مطابق با پیش‌بینی‌های قانون اهم است.

هنگام مطالعه یک نانوحفره با اندازه ۳۰۰ نانومتر، محققان جریان یونی یک نمک بافر فسفات را به عنوان تابعی از ولتاژ اعمال شده ثبت کردند. ماکوسا سوتسوی نویسنده اول این مقاله، می‌گوید: «ما رفتار تقریبا اهمی را در طیف گسترده‌ای از شرایط تجربی نشان دادیم.»

با نانوحفره‌های کوچک‌تر، اثر گرمایش بارزتر شد، زیرا مایع کمتری از سمت خنک‌تر می‌توانست برای یکسان کردن دما از آن عبور کند. در نتیجه، گرمایش می‌تواند یک اثر غیر قابل چشم پوشی ایجاد کند، به طوری‌که نانوحفره‌ها تحت شرایط استاندارد عملیاتی چند درجه افزایش دما را تجربه می‌کنند. توموجی کاوای، نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید: ما انتظار داریم که حسگر‌های نانوحفره‌ای جدیدی ایجاد شود که نه تنها می‌توانند ویروس‌ها را شناسایی کنند، بلکه می‌توانند همزمان آن‌ها را نیز غیرفعال کنند.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان Ionic heat dissipation in solid-state pores در Science Advances منتشر شده است.