På skalan av de mycket små, fysik kan bli konstigt. En professor i biomedicinsk teknik vid University of Michigan har upptäckt ett nytt exempel på ett sådant fenomen i nanoskala - ett som kan leda till snabbare, billigare bärbara diagnostiska enheter och tänjer på gränserna för att bygga mikromekaniska och "lab on a chip"-enheter.
I vår värld i makroskala, material som kallas ledare överför effektivt elektricitet och material som kallas isolatorer eller dielektrika gör det inte, såvida de inte skakas med extremt hög spänning. Under sådana "dielektriska sammanbrott" omständigheter, som när en blixt slår mot ett tak, dielektrikumet (taket i detta exempel) lider av oåterkalleliga skador.
Detta är inte fallet på nanoskala, enligt en ny upptäckt av Alan Hunt, en docent vid institutionen för medicinsk teknik. Hunt och hans forskargrupp lyckades få en elektrisk ström att passera oförstörande genom en glasskiva, som vanligtvis inte är en konduktör.
En artikel om forskningen har nyligen publicerats online i Naturens nanoteknik .
"Detta är en ny, verkligt nanoskala fysiskt fenomen, " sa Hunt. "I större skala, det fungerar inte. Du får extrem upphettning och skador.
"Det som spelar roll är hur brant spänningsfallet är över dielektrikens avstånd. När du kommer ner till nanoskalan och du gör ditt dielektrikum extremt tunt, du kan uppnå nedbrytningen med blygsamma spänningar som batterier kan ge. Du får inte skadan för att du är i så liten skala att värmen försvinner ovanligt snabbt."
Dessa ledande dielektriska strimlor i nanoskala är vad Hunt kallar elektroder för flytande glas, tillverkad vid U-M Center for Ultrafast Optical Science med en femtosekundlaser, som avger ljuspulser som bara är kvadrilliondelar av en sekund långa.
Glaselektroderna är idealiska för användning i lab-on-a-chip-enheter som integrerar flera laboratoriefunktioner på ett chip bara millimeter eller centimeter i storlek. Enheterna kan leda till omedelbara hemtester för sjukdomar, livsmedelsföroreningar och giftiga gaser. Men de flesta av dem behöver en strömkälla för att fungera, och just nu förlitar de sig på kablar för att dirigera denna ström. Det är ofta svårt för ingenjörer att föra in dessa kablar i de små maskinerna, sa Hunt.
"Utformningen av mikrofluidiska enheter är begränsad på grund av strömproblemet, " Sa Hunt. "Men vi kan bearbeta elektroder direkt in i enheten."
Istället för att använda kablar för att dirigera elektricitet, Hunts team etsar kanaler genom vilka jonisk vätska kan överföra elektricitet. Dessa kanaler, 10 tusen gånger tunnare än pricken på detta "i, " fysiskt återvändsgränd vid deras korsningar med de mikrofluidiska eller nanofluidiska kanalerna där analysen utförs på laboratoriets a-chip (detta är viktigt för att undvika kontaminering). Men elektriciteten i jonkanalerna kan glida igenom det tunna glaset återvändsgränd utan att skada enheten i processen.
Denna upptäckt är resultatet av en olycka. Två kanaler i en experimentell nanofluidisk enhet stämde inte upp ordentligt, Hunt sa, men forskarna fann att elektricitet passerade genom enheten.
"Vi blev förvånade över detta, eftersom det strider mot accepterat tänkande om beteendet hos icke-ledande material, "Sade Hunt. "Vid ytterligare studier kunde vi förstå varför detta kunde hända, men bara på nanometerskala."
När det gäller elektronikapplikationer, Hunt sa att kabeldragningen som behövs i integrerade kretsar i grunden begränsar deras storlek.
"Om du kunde använda reversibel dielektrisk nedbrytning för att arbeta för dig istället för mot dig, som kan förändra saker och ting avsevärt, " sa Hunt.
