Enkelt molekyl lager en følsom trykk- og kraftsensor – Physics World

Forskere i Australia har oppdaget og kontrollert endringer i formen til et enkelt molekyl som svar på en påført mekanisk kraft. Bragden kan muliggjøre utvikling av miniatyriserte implanterbare trykksensorer og akselerometre for elektronikkindustrien.

Molekylet det gjelder, bullavene, er et hydrokarbon med den kjemiske formelen C₁₀H₁₀. Viktigere er at den er piezoresistiv, noe som betyr at dens elektriske motstand endres som respons på mekanisk belastning. I bullavenes tilfelle oppstår denne belastningen når molekylet endrer seg mellom dets forskjellige mulige former, eller isomerer, endrer forbindelsen mellom atomene og produserer en målbar variasjon i dens elektriske motstand.

Forskerne valgte å utforske piezoresistiv oppførsel i bullavene fordi den gjennomgår uvanlig store formendringer på grunn av prosesser kjent som konstitusjonell og konformasjonsisomerisme. "Den førstnevnte innebærer omorganisering av bindingstopologier, mens den siste involverer molekyler som ganske enkelt 'flopper rundt'," forklarer Jeffrey Reimers, en kjemiker ved University of Technology Sydney som ledet studiet sammen med Nadim Darwish of Curtin University, Daniel Kosov of James Cook University og Thomas Fallon av University of Newcastle.

For å måle bullavens skiftende motstand, brukte teamet kjemiske vedlegg kalt diaryler for å binde molekylet til gullkontakter 7 til 15 ångstrøm fra hverandre. Når disse gullkontaktene beveger seg, forblir molekylet bundet til dem, men den mekaniske belastningen det opplever får det til å danne en ny isomer med en annen form. Denne formendringen modifiserer strømmen av elektrisitet gjennom molekylet, og forskerne var i stand til å måle disse endringene ved hjelp av skanningstunnelmikroskopi.

Miniatyrsensorer og millisekunders tidsskalaer

Piezomotstander er allerede utbredt i en rekke applikasjoner, inkludert vibrasjonsdetektorer i elektroniske enheter, skrittellere i smarttelefoner, triggere for bilkollisjonsputer og implanterbare medisinske sensorer. Fordi bullavene-molekyler er så små, kan de brukes til å lage miniatyriserte versjoner av disse konvensjonelle enhetene. En bullavene-basert sensor kan også oppdage tilstedeværelsen av andre kjemikalier eller biomolekyler som proteiner eller enzymer – noe som kan være viktig for å oppdage sykdommer, sier Darwish.

Bærbare trykksensorer utvider rekkevidden

Forskerne, som beskriver arbeidet sitt i Nature Communications, sier de kan se for seg å lage enheter så små som 3 til 100 nm² som oppdager ytre krefter og trykk ganske enkelt ved å måle endringer i motstand. En annen nyttig funksjon, legger Kosov til, er at piezomotstandene kan fås til å oscillere ved 800 Hz, noe som betyr at de kan brukes til å overvåke prosesser som skjer på millisekunders tidsskalaer.

De neste stadiene i teamets arbeid vil innebære å overføre teknologien fra et kostbart mikroskopieksperiment til en billig sensingplattform. "Dette vil kreve at vi utvikler nano-elektrodesensorer hvis aktive elementer er våre formskiftende molekyler," forteller Darwish Fysikkens verden.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/single-molecule-makes-a-sensitive-pressure-and-force-sensor/