โครงสร้างนาโนโฟโตนิกส์ที่พบในปีกของผีเสื้อบางชนิดได้สร้างแรงบันดาลใจให้นักวิจัยในออสเตรเลียสร้างเซ็นเซอร์แบบใหม่ที่มีความแม่นยำสูงสำหรับวัดก๊าซไฮโดรเจน อุปกรณ์ทำงานที่อุณหภูมิห้องและผลิตโดยทีมที่นำโดยYilas Sabriและ Ahmad Kandjani ที่มหาวิทยาลัย RMIT ในเมลเบิร์น เซ็นเซอร์สามารถมีบทบาทในการจัดเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในอุตสาหกรรมอย่างปลอดภัย
การวิจัยอาจนำไปสู่การพัฒนาเทคนิคใหม่
สำหรับการวินิจฉัยทางการแพทย์ที่ไม่รุกราน ในฐานะที่เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่มีแนวโน้ม ก๊าซไฮโดรเจนในปริมาณที่เพิ่มขึ้นจึงถูกจัดเก็บไว้ที่โรงงานขนาดใหญ่ทั่วโลก เนื่องจากก๊าซชนิดนี้มีความสามารถในการติดไฟได้สูงมาก จึงจำเป็นต้องมีเซ็นเซอร์ที่มีความแม่นยำสูงซึ่งสามารถตรวจจับได้แม้กระทั่งร่องรอยของไฮโดรเจนที่รั่วไหลในอากาศเพียงเล็กน้อย เซ็นเซอร์ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดในปัจจุบันจะวัดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าในชั้นโลหะออกไซด์เมื่อมีปฏิกิริยากับไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เหล่านี้ต้องการอุณหภูมิที่สูงกว่า 150 °C ในการทำงาน และยังไวต่อก๊าซประเภทอื่นอีกด้วย ซึ่งเป็นการจำกัดศักยภาพในการใช้งานทางอุตสาหกรรม
ทีมของ Sabri และ Kandjani ใช้แนวทางที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นในการศึกษาของพวกเขา แทนที่จะใช้ความร้อน การตรวจจับไฮโดรเจนในเซ็นเซอร์จะได้รับความช่วยเหลือจากแสง การออกแบบของพวกเขาใช้คริสตัลโฟโตนิก: โครงสร้างนาโนแบบออปติคัลที่สามารถผลิตได้ แต่ยังปรากฏในธรรมชาติ ในกรณีนี้ ทีมงานได้รับแรงบันดาลใจจากปีกของผีเสื้อบางตัว ซึ่งมีรูปแบบการกระแทกเล็กๆ อย่างเป็นระเบียบ ทำให้ปีกดูดซับแสงได้ดีมาก เพื่อเลียนแบบโครงสร้างนี้ นักวิจัยได้ประดิษฐ์โครงตาข่ายของไททาเนียมไดออกไซด์นาโนสเฟียร์แบบกลวงซึ่งวางอยู่บนชิปอิเล็กทรอนิกส์ จากนั้นจึงเคลือบอุปกรณ์ด้วยคอมโพสิตไททาเนียมแพลเลเดียมเพื่อเพิ่มความไว
สัญญาณเตือนการระเบิด
เมื่อเปิดใช้งานด้วยแสง พื้นผิวของเซ็นเซอร์นี้จะทำปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรเจนกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ การปรากฏตัวของน้ำจะเปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้าของเซ็นเซอร์ ทำให้สามารถวัดปริมาณไฮโดรเจนในอากาศได้อย่างแม่นยำ ทำงานที่อุณหภูมิห้อง เซ็นเซอร์สามารถวัดความเข้มข้นในช่วง 10-40,000 ส่วนต่อล้านส่วน ดังนั้นจึงสามารถส่งเสียงเตือนเมื่อความเข้มข้นของก๊าซสูงพอที่จะเสี่ยงต่อการระเบิด อุปกรณ์นี้สามารถแยกแยะระหว่างไฮโดรเจนกับก๊าซอื่นๆ โดยมีค่าหัวกะทิที่เกิน 93%
โครงสร้างระดับนาโนทำให้ปีกผีเสื้อ ‘สีดำสนิท’ เซ็นเซอร์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการผลิตที่เป็นที่ยอมรับ ดังนั้นทีมงานจึงมั่นใจว่าสามารถขยายการผลิตได้อย่างง่ายดายเพื่อการใช้งานอย่างแพร่หลาย ซึ่งรวมถึงในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน นอกจากนี้ ความสามารถของเซ็นเซอร์ในการตรวจหาไฮโดรเจนในระดับต่ำทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ การตรวจจับก๊าซที่เกิดจากความผิดปกติของระบบทางเดินอาหารในลมหายใจของผู้ป่วย แพทย์สามารถดำเนินการวินิจฉัยที่ไม่รุกรานและติดตามขั้นตอนได้ง่ายขึ้นมาก
คุณกำลังประดิษฐ์อุปกรณ์ตามการออกแบบนี้ คุณมีผลลัพธ์เบื้องต้นหรือไม่?
ยัง. เราได้สาธิตแนวคิดนี้โดยใช้การจำลองและศึกษาวงจรที่มีศักยภาพ ใช้งานได้ดีเช่นเดียวกับใน CMOS โดยให้คุณสมบัติการถ่ายโอนและเอาต์พุตแบบเสริม ต่อไปคือการผลิตอุปกรณ์ เราได้จัดเตรียมโฟลว์กระบวนการที่เป็นไปได้เพื่อประดิษฐ์อุปกรณ์ และขั้นตอนของกระบวนการนั้นคล้ายกันมากกับขั้นตอนที่ใช้ในการผลิตวงจรรวมซิลิกอน เราคาดหวังว่าชุมชนการวิจัยอุปกรณ์จะมาพร้อมกับการปรับแต่งทั้งการออกแบบและการไหลของกระบวนการและการเลือกระบบวัสดุ
การใช้งานจริงที่เป็นไปได้สำหรับอุปกรณ์มีอะไรบ้าง
หากสามารถประดิษฐ์ได้สำเร็จประการแรก เมื่อเทียบกับการทำงานแบบธรรมดาของ VFET ที่ใช้อิเล็กตรอนอย่างเดียว การทำงานเสริมนี้จะช่วยให้กินไฟสถิตต่ำและป้องกันสัญญาณรบกวนสูง ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีความสำคัญในการใช้งานโดยใช้วงจรลอจิก ดังนั้นการประยุกต์ใช้วงจรลอจิกกำลังต่ำจึงเป็นไปได้อย่างหนึ่ง นอกจากนี้ VFET ยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีภูมิคุ้มกันจากรังสีที่จำเป็นในอวกาศและการทหาร
เทคโนโลยีสูญญากาศกลับมาสร้างภูมิคุ้มกันนาโนอิเล็กทรอนิกส์จากรังสี ทำไม VFETs จึงไม่ได้รับผลกระทบจากรังสี? การฉายรังสีบนอุปกรณ์โซลิดสเตตทั่วไปทำให้เกิดข้อบกพร่องทุกประเภทบนวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ช่องสัญญาณและวัสดุออกไซด์ ขึ้นอยู่กับประเภทของข้อบกพร่องและความเสียหายที่เกิดขึ้น ผลกระทบสามารถสะสมอย่างช้าๆ และนำไปสู่การทำงานผิดพลาด หรืออาจส่งผลให้อุปกรณ์เสียหายร้ายแรง การไม่มีช่องสารกึ่งตัวนำหรือวัสดุไดอิเล็กทริกใน VFET ทำให้มีภูมิคุ้มกันต่อรังสี
เป็นเวลาเกือบหนึ่งศตวรรษแล้วที่โวล์ฟกัง เพาลีใช้ความคิดเรื่อง “การหมุนที่ซ่อนอยู่” ซึ่งเป็นตัวแปรควอนตัมใหม่ที่จะเพิ่มจำนวนสถานะอิเล็กตรอนที่เป็นไปได้เป็นสองเท่า ทุกวันนี้ ตัวแปรนี้เรียกว่าโมเมนตัมเชิงมุมสปิน และเป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางว่าเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของอนุภาคมูลฐาน แม้ว่าการหมุนจะแพร่หลาย แต่ก็ยังไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์เกี่ยวกับความหมายทางกายภาพของมัน
สำหรับโฟตอน คำอธิบายทั่วไปคือสปินเกี่ยวข้องกับโพลาไรเซชันแบบวงกลม ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่ทิศทางของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในลำแสงหมุนในระนาบตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจาย เช่น เข็มนาฬิกาที่หมุนรอบหน้าปัด คำอธิบายนี้มีผลที่ตรงไปตรงมา: ไม่มีโพลาไรซ์ ไม่มีการหมุน อย่างไรก็ตาม การทำงานร่วมกันระหว่างประเทศของนักวิจัยทำให้เกิดข้อสงสัยในหลักการนี้โดยการวัดค่าการหมุนตามขวางที่ไม่เป็นศูนย์ในแสงที่ไม่มีโพลาไรซ์โดยสิ้นเชิง ในการแยกแยะข้อกำหนดพื้นฐานที่คาดคะเนนี้ การสังเกตใหม่ขยายความเข้าใจของเราว่าโมเมนตัมเชิงมุมของการหมุนไม่ใช่อะไร ในขณะที่ทำให้เกิดคำถามเพิ่มเติมเกี่ยวกับมันคืออะไร
การค้นพบการหมุนตามขวางความเข้าใจของนักฟิสิกส์เกี่ยวกับการหมุนได้พัฒนาขึ้นในช่วง 10 ปีที่ผ่านมาด้วยข้อเสนอ (และการยืนยันการทดลองในภายหลัง) ของการหมุนตามขวาง นั่นคือการหมุนบนแกนตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายของแสง โดยทั่วไป เมื่อคุณอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดแสงมากพอ (หรือหากคุณใช้ลำแสงเหมือนเลเซอร์) รังสีของแสงจะแพร่กระจายขนานกันโดยพื้นฐานแล้ว (รังสีพาร์แอกเชียล) ซึ่งจะทำให้โพลาไรซ์ของลำแสงถูกจำกัดไว้ที่ระนาบตั้งฉากอย่างเคร่งครัด ไปสู่ทิศทางการขยายพันธุ์ สำหรับแสงที่โพลาไรซ์เป็นวงกลมในระนาบนั้น ภาพนี้แสดงให้เห็นว่าการหมุนใดๆ ที่เกิดขึ้นจะต้องจัดแนวตามยาวตามทิศทางของการแพร่กระจายหรือชิดกับแสงโดยตรง อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้ไม่ได้สอดคล้องกับสิ่งที่นักวิจัย – รวมถึงบางคนที่ King’s College London ในสหราชอาณาจักร – กำลังสังเกตอยู่เสมอFrancisco Rodríguez-Fortuñoนักวิจัยที่ King’s ซึ่งมีส่วนร่วมในการพัฒนาล่าสุด
Credit : veslebrorserdeg.com walkernoltadesign.com welldonerecords.com wessatong.com wmarinsoccer.com xogingersnapps.com
