Termopari pelastaa ionivirtamittaukset

Kaaviokaavio, joka esittää ionisen lämmön hävikkiprosessia nanohuokosessa (vasemmalla). Nanohuokosen toiselle puolelle upotettu nanomittakaavan termopari havaitsee jänniteohjatun ionikuljetuksen aiheuttamia paikallisia lämpötilamuutoksia (oikealla).

Suurempi kuva

Osakan yliopiston SANKENin (the Institute of Scientific and Industrial Research) tutkijat mittasivat nanohuokosen läpi kulkevan ionivirran lämpövaikutuksia termoparilla

He havaitsivat, että useimmissa olosuhteissa sekä virta että lämmitysteho vaihtelivat käytetyn jännitteen mukaan Ohmin lain mukaan.

Tämä työ voi johtaa edistyneempiin nanomittakaavan sensoreihin sillä tällaisten lämpövaikutusten mittaukset ovat olleet tähän asti erittäin monimutkaisia ja hankalia.

Energian hävikki kiintoaineisissa nanohuokosissa on tärkeä kysymys käytettäessä huokosia sensoreiksi elektrolyyttiliuoksessa olevien yksittäisten kohteiden havaitsemiseen ja analysointiin ionivirtamittauksilla.

Nanohuokoset, jotka ovat niin pieniä aukkoja kalvossa, että vain yksi DNA-juoste tai viruspartikkeli voi kulkea läpi, ovat jännittävä uusi alusta antureiden rakentamiseen. Usein kalvon kahden puolen väliin ajetaan sähköjännite, joka vetää analysoitavan aineen nanohuokosen läpi.

Samalla liuoksessa olevat varautuneet ionit voivat kulkeutua, mutta niiden vaikutusta lämpötilaan ei ole tutkittu laajasti. Näiden ionien aiheuttamien lämpövaikutusten suora mittaus voi auttaa tekemään nanohuokosista käytännöllisempiä antureita.

Nyt Osakan yliopiston tutkijaryhmä on luonut lämmön mittarina toimivan kullan ja platinan nanolangoista tehdyn termoparin, jonka kosketuspiste on kooltaan vain 100 nm. Sitä käytettiin lämpötilan mittaamiseen suoraan nanohuokosen vieressä. Havaittiin, että lämpöenergiaa haihtui suhteessa ionivirran nopeuteen, mikä on linjassa Ohmin lain ennusteiden kanssa.

Tutkiessaan 300 nm:n kokoista nanohuokosta, tutkijat kirjasivat fosfaattipuskuroidun suolaliuoksen ionivirran käytetyn jännitteen funktiona. "Osoitimme lähes ohmisen käyttäytymisen monissa koeolosuhteissa", ensimmäinen kirjoittaja Makusu Tsutsui sanoo.

Pienemmillä nanohuokosilla lämmitysvaikutus tuli selvemmäksi, koska vähemmän nestettä kylmemmältä puolelta pääsi läpi tasaamaan lämpötilaa. Seurauksena on, että kuumennus voi aiheuttaa merkityksettömän vaikutuksen, jolloin nanohuokoset kokevat muutaman asteen lämpötilan nousun normaaleissa käyttöolosuhteissa.

"Odotamme kehitettävän uusia nanohuokosantureita, jotka eivät vain tunnista viruksia, vaan saattavat myös pystyä deaktivoimaan ne samaan aikaan", vanhempi kirjoittaja Tomoji Kawai sanoo. Tutkijat ehdottivat muina tilanteina, joissa lämmityksestä voi olla hyötyä - esimerkiksi estämään nanohuokosten tukkeutuminen polymeerillä tai erottamaan sekvensoitavat DNA-juosteet.

Aiheesta aiemmin: Flunssan tunnistava bioanturi