Na pomolu – pametna prašina

E, kad je već prašina postala pametna tko će nas stare više da sluša! No šalu na stranu. Opametiti teško možeš i čovjeka, a kamo li prašinu. Riječ je ovdje, dakako, o nečemu sasvim drugom, o pridjevu „pametan“ (smart) koji danas sve češće koristimo hoćemo li za nešto reći da je napravljeno tako da može samostalno, autonomno raditi ili funkcionirati. Dakle, o čemu je riječ?

Riječ je o znanstvenom radu međunarodne skupine znanstvenika, iz Kine i Amerike (iz poznatog Massachussets Institute of Technology, MIT, u Cambridgeu) objavljenom u rujnu prošle godine. Članak se nalazi u časopisu Nature Nanotechnology, a nosi naslov „Colloidal nanoelectronic state machines based on 2D materials for aerosolizable electronics“, što će reći „Nanoelektronski strojevi u koloidnom stanju za aerosolnu elektroniku temeljeni na dvodimenzijskim materijalima“. Je li vam što jasnije? Moram priznati da ni meni nije bilo sve jasno kada sam pročitao naslov. No iza tih kompliciranih riječi krije se posve jednostavna priča.

A priča počinje od pitanja: kako napraviti elektronički uređaj ne veći od desetinke milimetra, dakle elektroničku česticu prašine? Drugim riječima, kako napraviti elektronički uređaj koji se može raspršivati u obliku aerosolnih, dakle koloidnih čestica (colloid state machine, CSM), i to čestica koje mogu autonomno prikupljati, obrađivati i pohranjivati podatke. Za to su se autori spomnutog rada poslužili dvodimenzijskim (2D) materijalima, takvim materijalima koji funkcioniraju i onda kada nisu deblji od jednog sloja atoma.

Prvi takav materijal je grafen, šesterokutna mreža (nalik na onu što je vidite na nogometnim vratnicama) ugljikovih atoma ili, ako vam je bliže, jedan sloj grafita. I drugi 2D-materijali imaju istu strukturu, strukturu šesterokutne (heksagonske) mreže. Još su tri  takva materijala: heksagonska modifikacija  borova nitrida (hBN), molibdenov disulfid (MoS2) i volframov diselenid (WSe2). Grafen je vodič, borov nitrid je izolator, dok su druga dva spomenuta 2D-materijala, MoS2 i WSe2, poluvodiči koji u međusobnom kontaktu grade spoj tipa p-n. Od tih su elememenata kineski i američki znanstvenici napravili elektronički sklop koji se sastoji od tri komponente. Prva je komponenta izvor električne struje, fotodioda temeljena na spoju MoS2-WSe2. Druga je komponenta sklopka u vidu kemijskog otpornika, kemirezistora, sloja MoS2 koji mijenja otpor kada nešto adsorbira. Treća je komponenta memorija (memorijski otpornik, memristor) koji se sastoji od sloja MoS2 umetnutog između elektroda dvaju metala, srebra i zlata (Au-MoS2-Ag). Tome treba dodati još i podlogu od tankog, mikrometar debelog polimernog sloja (SU-8). On reflektira lasersku zraku kako bi se čestice lakše uočile  – i naša je pametna prašina gotova!

Pametna baš i nije, jer se – ruku na srce – čitav njezin „kompjutorski program“ sastoji od samo dvije IF te  jedne AND naredbe, a dijagram toka od dva elementa. Kada se osvijetli laserskom zrakom koja ima gustoću snage od 7 W/m2  na čestici se stvara struja napona 0,27 V i jakosti 0,15 μA. Primjena?

Kako je riječ o česticama ne većima od desetinke milimetra (100 μm) lako ih je raspršiti u otopini ili plinu (aerosol). Tako raspršene adsorbiraju iz svoje okoline različite tvari pri čemu kemirezistor (MoS2) mijenja električni otpor. Kakve tvari? Pokusi su s trietilaminom (TEA) pokazali da njegovom adsorpcijom vodljivost kemijskog otpornika raste od 20,5 na 35 nS. Daleko je pak veća promjena vodljivosti zabilježena prilikom adsorpcije čađe (na čestici malo drugačije konstrukcije): od 7 pS na čak 0,8 μS – dakle 100.000 puta! Kada se potom čestica osvijetli, vidi se iz dijagrama toka, stanje se njezine memorije promijeni iz  off u on, ili iz 0 u 1, ako vam je draži binarni zapis.

Prvo što su  znanstvenici imali na umu bilo je napraviti uređaj za otkrivanje amonijaka (inače vrlo otrovnog plina) u plinovodima. No pametna bi se prašina (CSM) mogla upotrebljavati za otkrivanje bilo čega u zraku, u vodi,  pa i na krutim površinama: hlapljivih organskih spojeva, bakterija, spora, alergena, čestica prašine. Stoga bi CSM mogla poslužiti za nadzor kvalitete vode i zraka, no i za praćenje tehnoloških procesa u kemijskoj industriji. Još se zanimljive, primamljivije i dalekosežnije mogućnosti primjene vide u medicini, jer bi se elektroničke čestice mogle rabiti za mjerenje želučane kiseline i drugih parametara probavnog ali ne samo probavnog trakta.  Zbog svoje sićušnosti bile bi upravo idealni biosenzori koji bi mogli prodirati u praktički sva tkiva.   

 Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je doktor prirodnih znanosti iz područja kemije, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Do umirovljenja radio je u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI)  baveći se bioanorganskom i teorijskom (računalnom) kemijom. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti surađujući u mnogim časopisima i revijama (Priroda, ABC tehnike, Čovjek i svemir, Modra lasta, Smib, Fokus). Napisao je više od dvije tisuće znanstveno-popularnih članaka, 13 znanstveno-popularnih knjiga te u koautorstvu dva sveučilišna udžbenika iz područja dizajniranja lijekova. Sada piše za mrežne stranice  Zg-magazina te za časopis Čovjek i svemir te, naravno, za BUG online. U časopisu Kemija u industriji je stalni komentator te  urednik rubrike „Kemija u nastavi“. Godine 2003. dodijeljena mu je Državna godišnja nagrada za promidžbu i popularizaciju znanosti.

Please follow and like us:

Odgovori

Ova web-stranica koristi Akismet za zaštitu protiv spama. Saznajte kako se obrađuju podaci komentara.