Op de schaal van het zeer kleine, natuurkunde kan eigenaardig worden. Een professor biomedische technologie aan de Universiteit van Michigan heeft een nieuw exemplaar van zo'n fenomeen op nanoschaal ontdekt - een fenomeen dat zou kunnen leiden tot snellere, goedkopere draagbare diagnostische apparaten en grenzen verleggen bij het bouwen van micromechanische en "lab-on-a-chip"-apparaten.

In onze wereld op macroschaal, materialen die geleiders worden genoemd, zenden effectief elektriciteit uit en materialen die isolatoren of diëlektrica worden genoemd, doen dat niet, tenzij ze worden geschud met een extreem hoge spanning. Onder dergelijke "diëlektrische doorslag" omstandigheden, zoals wanneer een bliksemschicht een dak raakt, het diëlektricum (het dak in dit voorbeeld) lijdt onherstelbare schade.

Dit is niet het geval op nanoschaal, volgens een nieuwe ontdekking door Alan Hunt, een universitair hoofddocent bij de afdeling Biomedische Technologie. Hunt en zijn onderzoeksteam waren in staat om een ​​elektrische stroom op niet-destructieve wijze door een strook glas te laten gaan, wat meestal geen dirigent is.

Een paper over het onderzoek is onlangs online gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Dit is een nieuwe echt fysiek fenomeen op nanoschaal, "Zei Hunt. "Op grotere schaal, het werkt niet. Je krijgt extreme verhitting en schade.

"Het gaat erom hoe steil de spanningsval is over de afstand van het diëlektricum. Als je op nanoschaal komt en je diëlektricum extreem dun maakt, je kunt de storing bereiken met bescheiden spanningen die batterijen kunnen leveren. Je krijgt de schade niet omdat je zo klein bent dat warmte buitengewoon snel verdwijnt."

Deze geleidende diëlektrische splinters op nanoschaal zijn wat Hunt vloeibare glaselektroden noemt, gefabriceerd in het U-M Center for Ultrafast Optical Science met een femtoseconde laser, die lichtpulsen uitzendt die slechts quadriljoensten van een seconde lang zijn.

De glaselektroden zijn ideaal voor gebruik in lab-on-a-chip-apparaten die meerdere laboratoriumfuncties integreren op één chip van slechts millimeters of centimeters groot. De apparaten kunnen leiden tot onmiddellijke thuistests voor ziekten, voedselverontreinigingen en giftige gassen. Maar de meeste hebben een stroombron nodig om te werken, en op dit moment vertrouwen ze op draden om deze stroom te leiden. Het is vaak moeilijk voor ingenieurs om deze draden in de kleine machines te steken, zei Hunt.

"Het ontwerp van microfluïdische apparaten is beperkt vanwege het stroomprobleem, "Zei Hunt. "Maar we kunnen elektroden rechtstreeks in het apparaat machinaal bewerken."

In plaats van draden te gebruiken om elektriciteit te geleiden, Hunt's team etst kanalen waardoor ionische vloeistof elektriciteit kan overbrengen. Deze kanalen, 10 duizend keer dunner dan de punt van deze "i, " fysiek doodlopend op hun kruispunten met de microfluïdische of nanofluïdische kanalen waarin analyse wordt uitgevoerd op de lab-on a-chip (dit is belangrijk om besmetting te voorkomen). Maar de elektriciteit in de ionische kanalen kan door het dunne glas ritsen doodlopend zonder daarbij het apparaat te beschadigen.

Deze ontdekking is het gevolg van een ongeval. Twee kanalen in een experimenteel nanofluïdisch apparaat kwamen niet goed overeen, Hunt zei, maar de onderzoekers ontdekten dat er wel elektriciteit door het apparaat ging.

"We waren hierdoor verrast, omdat het indruist tegen het geaccepteerde denken over het gedrag van niet-geleidende materialen, Hunt zei. "Na verder onderzoek konden we begrijpen waarom dit kon gebeuren, maar alleen op nanometerschaal."

Wat elektronische toepassingen betreft, Hunt zei dat de bedrading die nodig is in geïntegreerde schakelingen hun grootte fundamenteel beperkt.

"Als je omkeerbare diëlektrische doorslag zou kunnen gebruiken om voor je te werken in plaats van tegen je, die dingen aanzienlijk kunnen veranderen, ' zei Hunt.