เซ็นเซอร์ระดับนาโนเพื่อดูว่าแรงดันสูงมีผลต่อวัสดุอย่างไร

นักวิจัยได้พัฒนาเทคโนโลยีระดับนาโนใหม่เพื่อสร้างภาพและวัดความเค้นและความเครียดของวัสดุภายใต้แรงกดดันสูง

ดังที่นักวิจัยรายงานในวารสาร Science ว่ามีความสำคัญเพราะ“ ความดันเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพเคมีและอิเล็กทรอนิกส์ของสสาร”

การทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจนำไปสู่วัสดุใหม่หรือช่วงใหม่ของการใช้งานในเทคโนโลยีและแอปพลิเคชันทุกประเภท Valery Levitas ผู้ร่วมเขียนบทความและศาสตราจารย์ Anson Marston ผู้เชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมที่ Iowa State University ประธานคณะกรรมการ Vance Coffman กล่าว ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศ

Levitas – ห้องปฏิบัติการที่มีความเชี่ยวชาญในการทดสอบเชิงทดลองและการสร้างแบบจำลองการคำนวณของวิทยาศาสตร์แรงดันสูงกล่าวว่าเทคโนโลยีการตรวจจับแบบใหม่สามารถพัฒนาการศึกษาความดันสูงในวิชาเคมีกลศาสตร์ธรณีวิทยาและวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ได้

การพัฒนาและสาธิตเทคโนโลยีได้อธิบายไว้ในกระดาษว่า “การถ่ายภาพความเครียดและแม่เหล็กที่แรงกดดันสูงโดยใช้เซ็นเซอร์ควอนตัมระดับนาโน” เผยแพร่โดย Science ผู้เขียนหลักคือ Norman Yao ผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ University of California, Berkeley Mehdi Kamrani ของรัฐไอโอวานักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมการบินและอวกาศยังเป็นผู้ร่วมเขียนด้วย

บทความนี้อธิบายถึงวิธีการที่นักวิจัยทำการจับคู่ชุดเซ็นเซอร์ระดับนาโนซึ่งเรียกว่าจุดศูนย์กลางของไนโตรเจนที่ว่างลงในเพชรที่ใช้ในการออกแรงดันสูงในตัวอย่างวัสดุขนาดเล็ก โดยทั่วไปแล้วการทดสอบ “ทั่งเพชร” กับวัสดุที่ถูกบีบระหว่างเพชรทั้งสองได้อนุญาตให้นักวิจัยวัดความดันและการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร

ระบบใหม่นี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถทำภาพ, วัดและคำนวณความเครียดได้ถึงหกแบบ – ซึ่งเป็นการวัดที่ครอบคลุมและสมจริงมากขึ้นของผลของแรงดันสูงต่อวัสดุ การทดสอบใหม่ยังช่วยให้นักวิจัยสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของแม่เหล็กได้

“ นี่เป็นหนึ่งในปัญหาสำคัญในวิทยาศาสตร์แรงดันสูง” Levitas กล่าว “เราจำเป็นต้องวัดความเครียดทั้งหกนี้ในเพชรและตัวอย่าง แต่มันยากที่จะวัดได้ทั้งหมดภายใต้แรงกดดันสูง”

ห้องทดลองของ Levitas ทำการทดลองที่ไม่เหมือนใครโดยการวางวัสดุไว้ภายใต้แรงดันสูงและทำให้พวกมันบิดได้ช่วยให้นักวิจัยสามารถลดความดันการแปลงเฟสอย่างมากและค้นหาเฟสใหม่ของสสารซึ่งอาจมีการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี

ห้องปฏิบัติการยังทำการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์หลายชั้นสำหรับการทดลองทั่งเพชรแรงดันสูง – Levitas กล่าวว่าเป็นห้องปฏิบัติการเพียงแห่งเดียวในโลกที่ทำการจำลองสถานการณ์เช่นนี้ เขาบอกว่าประสบการณ์กับการจำลองแรงดันสูงคือเหตุผลที่เขาได้รับเชิญให้ทำงานร่วมกับโครงการเซ็นเซอร์ของเหยา การจำลองทำให้เป็นไปได้ที่จะสร้างสนามใหม่ของความเครียดทั้งหกในทั่งเพชรทั้งหมดซึ่งไม่สามารถวัดได้รวมทั้งตรวจสอบผลการทดลอง Levitas วางแผนที่จะใช้เซ็นเซอร์นี้ในห้องปฏิบัติการของเขา

เซ็นเซอร์ช่วยให้ “การแสวงหาสองวัตถุประสงค์เสริมในวิทยาศาสตร์แรงดันสูง: การทำความเข้าใจความแข็งแรงและความล้มเหลวของวัสดุภายใต้ความกดดัน (เช่นการเปลี่ยนเปราะ – เปราะ) และการค้นพบและอธิบายขั้นตอนแปลกใหม่ของสสาร (เช่นอุณหภูมิสูง ตัวนำยิ่งยวด) “นักวิจัยเขียนไว้ในกระดาษ

เทคโนโลยีการตรวจจับตำแหน่งว่างของไนโตรเจนที่อธิบายไว้ในกระดาษยังถูกใช้เพื่อวัดคุณสมบัติของวัสดุอื่น ๆ – เช่นคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อน นักวิจัยเขียนว่า “ตอนนี้สามารถขยายไปสู่สภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูงได้โดยตรงเปิดการทดลองที่หลากหลายสำหรับวัสดุที่เป็นลักษณะเชิงปริมาณในสภาวะที่รุนแรงเช่นนี้”

เซ็นเซอร์ที่มีลักษณะคล้ายผิวหนังนำมาซึ่งความเป็นมนุษย์ในเทคโนโลยีสวมใส่ได้

นักวิจัยด้านวิศวกรรมของมหาวิทยาลัยโตรอนโตได้พัฒนาเซ็นเซอร์ที่มีความยืดหยุนใสและทรงพลังซึ่งจะบันทึกความรู้สึกที่ซับซ้อนของผิวหนังมนุษย์

นักวิจัยเชื่อว่าคุณสมบัติที่เป็นนวัตกรรมใหม่ของ AISkin อาจนำไปสู่ความก้าวหน้าในอนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้การดูแลสุขภาพส่วนบุคคลและหุ่นยนต์

“เนื่องจากมันเป็นไฮโดรเจลมันมีราคาไม่แพงและสามารถเข้ากันได้ทางชีวภาพ – คุณสามารถใส่ลงบนผิวหนังได้โดยไม่มีผลกระทบใด ๆ ที่เป็นพิษนอกจากนี้มันยังติดแน่นมากและไม่หลุดออกมาดังนั้นจึงมีลู่ทางมากมายสำหรับวัสดุนี้” ศาสตราจารย์ ซึ่งห้องปฏิบัติการมุ่งเน้นไปที่พื้นที่ผิวไอออนิกและหุ่นยนต์นุ่ม ๆ

กาว AISkin นั้นทำมาจากแผ่นยางที่มีความยืดหยุ่นสองชั้นซึ่งอยู่ตรงข้ามกันซึ่งเรียกว่าไฮโดรเจล นักวิจัยได้สร้างสิ่งที่พวกเขาเรียกว่า “จุดเชื่อมต่อตรวจจับ” บนพื้นผิวของเจล

เมื่อ AISkin ถูกความเครียด, ความชื้นหรือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมันจะสร้างการเคลื่อนที่ของไอออนที่ควบคุมผ่านจุดตรวจวัดซึ่งสามารถวัดได้เป็นสัญญาณไฟฟ้าเช่นแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า

“ถ้าคุณดูที่ผิวหนังของมนุษย์เรารู้สึกถึงความร้อนหรือแรงดันเซลล์ประสาทของเราจะส่งข้อมูลผ่านไอออน – มันไม่ต่างจากผิวหนังเทียมของเราจริง ๆ ” Liu กล่าว

AISkin นั้นมีความทนทานและยืดหยุ่นเป็นพิเศษ “ผิวหนังมนุษย์ของเราสามารถยืดออกได้ประมาณ 50% แต่ AISkin ของเราสามารถยืดได้ถึง 400% ของความยาวโดยไม่ทำลาย” Binbin Ying ผู้สมัครระดับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัย McGill ซึ่งเป็นผู้นำโครงการในแล็บ Liu กล่าว นักวิจัยเพิ่งเผยแพร่การค้นพบของพวกเขาในวัสดุขอบฟ้า

AISkin ใหม่สามารถเปิดประตูสู่ Fitbits ที่เหมือนผิวหนังซึ่งวัดค่าพารามิเตอร์ของร่างกายได้หลายแบบหรือทัชแพดแบบยึดติดที่คุณสามารถติดบนพื้นผิวมือของคุณได้ Liu กล่าวเสริม “ มันสามารถทำงานให้กับนักกีฬาที่ต้องการวัดความเข้มงวดในการฝึกซ้อมของพวกเขาหรืออาจเป็นทัชแพดที่สวมใส่เพื่อเล่นเกมได้”

นอกจากนี้ยังสามารถวัดความคืบหน้าของการฟื้นฟูกล้ามเนื้อ “ หากคุณต้องใส่วัสดุนี้ไว้ในถุงมือของผู้ป่วยเพื่อฟื้นฟูมือของพวกเขาตัวอย่างเช่นเจ้าหน้าที่สาธารณสุขจะสามารถตรวจสอบการเคลื่อนไหวด้วยนิ้วของพวกเขาได้” หลิวกล่าว

แอปพลิเคชั่นอื่น ๆ อยู่ในหุ่นยนต์แบบนิ่ม – บอทที่ยืดหยุ่นทำมาจากโพลีเมอร์อย่างสมบูรณ์ ตัวอย่างคือตัวจับหุ่นยนต์แบบนิ่มที่ใช้ในโรงงานเพื่อจัดการกับวัตถุที่บอบบางเช่นหลอดไฟหรืออาหาร

นักวิจัยคาดการณ์ว่า AISkin จะถูกรวมเข้ากับหุ่นยนต์ที่อ่อนนุ่มเพื่อวัดข้อมูลไม่ว่าจะเป็นอุณหภูมิของอาหารหรือความดันที่จำเป็นในการจัดการกับวัตถุที่เปราะบาง

ในปีหน้าห้องปฏิบัติการของ Liu จะมุ่งเน้นไปที่การเสริมสร้าง AISkin ของพวกเขาโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อลดขนาดของเซ็นเซอร์ AISkin ผ่านไมโครฟิลเตอร์ พวกเขายังจะเพิ่มความสามารถในการตรวจวัดทางชีวภาพให้กับวัสดุเพื่อให้สามารถวัดชีวโมเลกุลในของเหลวในร่างกายเช่นเหงื่อ

“ หากเราพัฒนางานวิจัยนี้ต่อไปนี่อาจเป็นสิ่งที่เราใส่ไว้ใน ‘สมาร์ทผ้าพันแผล” หลิวกล่าว “การสมานแผลต้องใช้ความสามารถในการหายใจความสมดุลของความชื้น – ผิวอิออนิกให้ความรู้สึกเหมือนเป็นธรรมชาติในขั้นต่อไป”