Исследователи из технологического института Technion, Израиль, используя золотые наночастицы, нанесённые на гибкую подложку из ПВХ, создали новый тип дешевого, гибкого датчика, который одновременно измеряет давление, влажность и температуру с удивительной точностью. Датчик можно, конечно, использовать для обнаружения трещин в мостах. Но у этого датчика есть куда более интересные применения – он позволяет создать лучшую искусственную кожу для роботизированных конечностей, или даже придать роботам чувство осязания, “человеческого прикосновения”.
Предыдущие датчики могли почувствовать давление почти так же точно как человеческий палец. Другие датчики привлекательны тем, что потребляют очень мало электроэнергии. Но, в отличие от человеческой кожи, они могли только чувствовать давление.
Разработанный на основе наночастиц из золота датчик может делать намного больше. По словам профессора Хоссэму Хэйку, устройство "по крайней мере, в 10 раз более чувствительно к давлению, чем существующие образцы электронные кожи" и может измерять температуру (с погрешностью менее, чем 1°C) и влажность (с 9-процентной погрешностью).
Гибкий датчик потребляет очень мало электроэнергии, дешев в изготовлении и сохраняет свою работоспособность после большого количества циклов “сгибание-разгибание”. На рисунке ниже схематически показано устройство датчика.
Основным элементом датчика является монослой из золотых наночастиц (Nanoparticles), размерами в пять – восемь миллимикронов в диаметре. Наночастицы окружены защитными молекулами связки, называемыми лигандами (показаны черным цветом на рисунке выше). Основание структуры (sudstrate) состоит из полиэтилена – недорогой обычной пластмассы, используемой для изготовления пластмассовых бутылок. К расположенному под слоем наночастиц гибкому металлическому электроду (Metallic Electrode) подключена электрическая батарея и, последовательно с ней, прибор для измерения силы тока (микро или наноамперметр)
Когда электрическая цепь замкнута, и датчик согнут, геометрия датчика изменяется и происходит некоторое перемещение наночастиц друг относительно друга. Это приводит к изменению скорости, с которой электроны могут проходить через устройство. Датчик чувствует эти изменения и может регистрировать большой спектр величин давлений от миллиграммов до десятков граммов.
Исследователи также нашли, что, изменяя толщину материал подложки, можно регулировать насколько чувствителен датчик. Это означает, что датчик можно использовать в большем количестве приложений, таких как контроль механических напряжений в конструкции мостов и обнаружение трещин, например, в двигателях.
А как такой датчик может измерять температуру и влажность? Скорее всего, здесь используются два физических эффекта. При увеличении/уменьшении температуры окружающей среды происходит линейное расширение/сжатие подложки, что приводит к увеличению/уменьшению расстояния между наночастицами и, соответственно, к увеличению/уменьшению электрического сопротивления цепи. А, если сделать верхнюю часть подложки (например, показанную на рисунке голубым цветом) гигроскопичной, то она может увеличивать свой объём при увеличении влажности окружающей среды. Соответственно, это приведёт к увеличению расстояния между наночастицами и, соответственно, к увеличению электрического сопротивления цепи.