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一個潛在的納米傳感器通信網絡中使用碳納米管的發展與分析

納米傳感器技術和電磁通信使用頻段的太赫茲納米傳感器之間進行了檢查。一個算法來說明如何將納米傳感器節點檢測到一個信號是使用內插網絡27.0.0.1模式發展。此外，納米傳感器的PC模擬器用JCreator的LE建立設計，向人們展示一個無線納米傳感器通信網絡在一個“傳感器領域”的工作過程。調查結果表明，在引入石墨烯為基礎的納米天線與電磁Nanotransceivers，使用碳納米管（CNT）中，納米傳感器設備可以彼此之間在太赫茲頻率的交流（0.1 - 10）太赫茲。

關鍵詞：溝通納米傳感器，碳納米管，WNSN，用Jcreator的PC模擬器

引用本文：布賴恩E. Usibe，亞歷山大一世Menkiti，邁克爾·U. Onuu，朱莉C. Ogbulezie，發展和潛在的納米傳感器通信網絡中使用碳納米管的分析，材料工程國際雜誌，卷。3第1號，2013，頁4-10。DOI：10.5923/j.ijme.20130301.02。

1。介紹

納米技術概述納米技術是材料或設備在非常小的尺度上創建和使用。這些材料或設備屬於在1至100納米（nm）的範圍內。至100nm的尺寸範圍為1稱為納米尺度和材料在此比例被稱為納米材料。在這些尺寸（納米），材料表現出在微觀層面沒有觀察到不同的物理性質和行為。因此，在納米很多影響被發現並用於突破性技術。因此，納米技術的目的是創造新的功能從這些獨特的特徵而產生的納米器件。（楊和魯茲，2009）

1.1。納米傳感器技術

一種納米技術的早期應用是在傳感器和納米傳感器的領域。傳感器是一種測量物理量並且將其轉換成可以由一個觀察者（旦被讀出的信號的裝置等人， 2004）。納米傳感器是用於傳達關於納米顆粒的信息宏觀世界的生物，化學或外科感官分。納米傳感器可以根據他們感覺到被歸類。物理納米傳感器測量幅度，如質量，壓力，力或位移。化學納米傳感器測量量值，如給定氣體的濃度，分子或物質的分子的組合物的特定類型的存在。生物納米傳感器用於監測生物分子的過程，例如抗體/抗原相互作用，DNA的相互作用，酶相互作用或蜂窩通信過程（Sukesh，2007）。納米傳感器，納米技術的應用，是環保，醫療，安全和通信系統中是非常重要的。納米傳感器之間的通信將擴大個別納米器件的功能和應用，都在複雜性和操作的範圍的條件。在納米尺度進行通信的兩個主要替代品，納米電磁通信和分子通信。納米電磁通信的電磁輻射從基於新穎的納米材料組件的發送和接收，而分子通信是編碼的分子（Akyildiz和Jornet，2011）的信息發送和接收

2。理論

2.1。一個通信納米傳感器的工作原理

一個粒子，它能夠在納米尺度感知的物理或環境特性被稱為納米傳感器（NEERAJ 等人，2011）。所以，這樣的設備被假定能夠在非常小的和氣態的水平感測環境條件的性質。因此，一個納米傳感器具有納米材料和納米顆粒，以檢測在所述納米級的不同事件的獨特的性質。納米傳感器具有特殊的感知能力，它可以檢測信息和數據的工作。的佈置是類似的普通的傳感器，但其不同之處在於納米傳感器是在納米級開發。甲納米傳感器是用於當它有一個感測單元，致動單元，電源單元，處理單元，存儲單元和通信單元的通信是有用的。在這種類型的通信網絡，該奈米感測單元是結合鋅二氧化物（ZnO）的基於存儲器由於它的可靠性和重複切換的能力。因此，這兩種類型的傳感器的組合後，網絡將具有在納米級的強感測能力，並通過無線傳感器網絡（WSN）進行通信的能力。其中納米器件的電磁（EM）的通信是通過新穎的納米材料，例如石墨烯中的射頻納米收發器與相應的電磁納米天線，這是幾百納米的尺寸發展的使用使能。在這些材料中觀察到的電磁特性確定具體的頻帶EM輻射，發射器的時間延遲和發射功率的大小給定的輸入能量，其中包括發射。

2.2。納米天線

甲nanoantenna也稱為nantenna是電磁收集器吸收特定波長的光成比例的nanoantenna的大小。根據天線理論nanoantenna可以有效地吸收的信號的任何波長，只要nanoatenna的尺寸為該特定波長進行優化。理想情況下，納米天線將用於吸收光在0.4-1.6μm的波長之間，因為這些波長有高能量（Corkish 等人，2003）。

2.3。電磁Nanotransceivers

納米傳感器器件的電磁收發器將嵌入必要的電路來執行基帶處理，頻率轉換，濾波和已發送或已接收來自自由空間通過nanoantenna的信號的功率放大。考慮到該納米天線將諧振頻率在太赫茲波段，需要射頻場效應晶體管（FET RF）能夠在這些非常高的頻率運行。IBM公司近日宣布與石墨烯，它能夠在100GHz的（王，2009）轉製成第一RF晶體管。

3。材料用於納米傳感器

一般來說，許多材料如金（其高檢測能力的納米級）可以使用，但是，從無線納米通信點，碳納米管（CNTs）與它們的電氣性能和機械性能是理想的候選人發展納米傳感器。

3.1。碳納米管（CNTs）

碳納米管是具有圓柱形納米結構的碳的同素異形體。這些圓柱形碳分子具有新的特性，使得它們在納米技術，電子，光學和材料科學等領域的許多應用中非常有用。他們表現出非凡的力量和獨特的電氣性能，並高效的熱導體。碳納米管的能帶隙是直接受它的手性和直徑。如果這些特性可以被控制，碳納米管是納米尺度的晶體管器件的最佳人選。石墨烯片纏繞的方式是由一對指數（N，M）為代表的所謂的手性矢量。整數n和m分別表示單位向量的個數沿石墨烯的“蜂巢”晶格兩個方向。如果m = 0時，碳納米管被稱為鋸齒形。如果n = m時，碳納米管被稱為扶手椅。否則，它們被稱為手性（馬特等人，2001）。納米管的直徑可以從它的（N，M）指數通過使用式（1）下面的表達式來計算;

（1）

其中a = 0.246nm（各晶格之間的距離 - 石墨烯的在實際空間中的單位矢量）。圖1示出了沿在石墨的晶格兩個方向上的單位向量。碳納米管的獨特性質包括;（1 ）強度：碳納米管尚未發現的抗張強度和彈性模量方面的最強和最硬的材料，分別。這力量將導致從各個碳原子之間形成的共價鍵。2000年，多壁碳納米管進行了測試，發現有63GPa的拉伸強度。此必須承受一當量的張力6422公斤上的電纜用1mm的截面積的能力，²（於等人，2000）。（2 ）硬度：詹森等人，2007年測定的單壁碳納米管的硬度和斷言，它可以承受24GPa的壓力下不變形。使用目前的實驗技術測得的最大壓力是周圍55GPa。（3 ）電氣特性：由於對稱性和石墨烯的獨特的電子結構，納米管結構的強烈影響其電性能。對於給定的（N，M）的納米管，如果n = m時，納米管是金屬的，若n> m是3的倍數，則該碳納米管是半導電帶一個非常小的帶隙，否則該碳納米管是一種溫和半導體。因此，所有的扶手椅型（N = M）的金屬和納米管（6,4），（9,1），等等是半導電。因為強的共價碳-碳鍵合，碳納米管在化學上是惰性的，並能夠傳輸大量電流（弗朗茲，的等人 2002）。（4 ）熱性能：所有的碳納米管被預期為沿管很好的熱導體，呈現稱為“彈道導通”的屬性，但良好的絕緣體橫向於管軸。從理論上講，碳納米管也能夠進行熱量幾乎以及金剛石或藍寶石。測量結果表明，一個單壁碳納米管具有3500Wm的室溫下的熱導率^-1 Ķ ^-1沿其軸線（流行音樂等人，2005）。CNT的溫度穩定性，估計是到2800℃在真空中約750℃在空氣中（Thostenson 等人，2005）。（5 ）缺陷：與任何物質，一個晶體缺陷的存在會影響材料的性能。缺陷可發生在原子空位的形式。高水平的這種缺陷可以通過高達85％降低拉伸強度。（6 ）一維交通：碳納米管也是其中唯一的前向散射是允許的準一維材料。由於納米級尺寸，電子傳播只沿管的軸線與電子傳遞涉及到許多量子效應。

4。討論

4.1。納米傳感器體系結構和無線網絡

納米傳感器網絡應該是由大量被密集部署的納米傳感器節點。納米傳感器節點分佈在被稱為“傳感器領域”的特殊領域。每個配備了石墨烯為基礎的nanoantenna分佈式節點通常與他們的鄰居進行溝通，收集數據，分析它們，並將它們路由到指定的下沉點的能力。序，以將現有的納米傳感器為自治的設備，它可以創建一個網絡，就必須嵌入他們提供額外的功能，如電源，處理能力和板載存儲。單個納米傳感器的感測範圍僅限於它的封閉環境。然而，無線納米傳感器網絡（WNSN）將能夠覆蓋大面積的，以非侵入性的方式達到了前所未有的位置，並在網絡處理和協同動作表演。一個單一的納米傳感器器件，傳感或檢測相關事件將與鄰國溝通和傳輸的多跳（樹形拓撲）的時尚信息，水槽或命令中心，將與宏觀世界和最終用戶連接。此外，他們的溝通能力，使他們能夠從其它設備接收命令要么改變行為或開動，視情況而定。一個典型的感測節點的組件示於圖2中

4.2。增強信號的

一種納米傳感器的基本屬性是它應該能夠檢測的被分析物的微量。然而，在這些原子尺度，信號增強的問題應該得到解決。可以使用倍頻器，如耿氏二極管，雪崩（碰撞電離雪崩渡越時間）二極管和肖特基二極管來實現信號的增強。該操作是基於波的應用，其頻率為期望的頻率的幾分之一到一個歪曲的輸入信號，因此在該裝置中產生的高次諧波的非線性電路。隨後的帶通濾波器中選擇所希望的諧振頻率，並從輸出中刪除不需要的基波和其他諧波。圖3示出了用於倍頻的框圖。

4.3。無線納米傳感器網絡的應用

無線納米傳感器網絡（WNSNs）的應用大致分為環保，醫療，軍事和工業。環境應用傳統上，傳感器網絡是用在高的環境應用，如輻射和核威脅探測系統，氣象傳感，傳感棲息地和地震監測的上下文。其他潛在應用包括，小氣候，森林火災檢測和水浸檢測。化學-物理聲和基於圖像傳感器可以被用來研究生態系統（例如，在支持全球參數如溫度微生物和人口）（Sohraby 等人，2007）。然而，高靈敏度的化學納米傳感器和多樣性大可以利用在其他環境的應用，如精準農業（植物的監測和瘟疫擊敗系統）。精耕細作，也被稱為特定地點的管理介紹新的信息技術的捆綁應用到大規模商業化農業的管理。精耕細作依賴於環境條件和產生的數據，告知決策和控制農機具的計算機處理密集的檢測。該技術通常與字段的衛星影像連接全球定位系統（GPS）來遠程感知農作物病蟲害或乾旱的證據，然後自動調節灌溉或施藥水平。如果無線功能的納米傳感器網絡的設計，無處不在的無線傳感器將成為帶來的精耕細作這一設想到成熟的一個重要工具。醫療應用生物納米傳感器提供生物現象和電子納米器件之間的接口。無線納米傳感器網絡具有潛在的應用在生理數據遠程監控。生理數據遠程監控在身體不同感染劑的存在下可以通過納米傳感器的方法進行監測。此外，膽固醇，鈉，葡萄糖和血液中的其它離子的水平可以被監控。例如，紋身狀傳感器（熒光離子選擇性納米傳感器對細胞內的統計數據）可以被用於監測血液中葡萄糖的水平，等等。圖4顯示了圍繞主體分佈不同的納米傳感器，定義了可以被用來收集關於不同物質的水平的數據的人體納米傳感器網絡。這些納米傳感器和一個微型設備，如手機或專門的醫療設備（網關）之間的無線接口可以用來收集所有這些數據和他們通過互聯網轉發到醫務人員。軍事應用WNSNs的自組織能力和容錯特性使其多功能軍事應用，如：（1）核，生物和化學攻擊檢測（2）戰場監視：監視的敵意和友軍。（3）裝甲損傷檢測。（1）核，生物和化學攻擊檢測化學和生物納米傳感器可以用來檢測人體有害的化學/生物武器以分佈式的方式。一種使用納米傳感器，而不是經典的化學傳感器的主要優點是，化學複合物的存在可以在濃度低至1分子被檢測到。但是，考慮到這些傳感器需要與分子直接接觸，有一個非常大的數量納米傳感器節點組成的網絡是必要的。此外，通過化學納米傳感器的方法，它可以恢復一個戰場的分子組成，而無需外部和大型設備，如用於光譜分析的裝置。甲WNSN將能夠輸送空氣中的特定位置的分子組成的信息對宏設備在很短的時間內。（2）戰場監視：監視敵意和友軍在戰場上，納米傳感器可用於識別和/或吸引友好或敵意的物體，車輛，飛機和人員（士兵）。傳感器節點可以部署在戰場上，在或超出敵後前面。在這裡，網絡化的納米傳感器系統可以檢測並吸引威脅，被用於武器瞄準和區域封鎖。覆蓋著納米傳感器的士兵將數據提交到遠程服務器在那裡監視代理就能知道士兵在戰場上的地位。（3）裝甲損傷檢測物理納米傳感器可用於檢測非常小的裂縫，紡織品，土木結構（橋樑，建築物），車輛等通過具有納米傳感器的分佈在具有被監測的結構的網絡，並通過與微觀或宏觀器件相互作用的手段，WNSNs可用於檢測，在官能化的士兵的裝甲的問題，並暴露於攻擊的其他結構的起源。工業和商業應用工業和商業應用包括，但不限於，未來互聯辦公室（FIO）應用程序。未來互聯辦公室與現有的通信網絡和納米傳感器和納米促動器的互連，最終互聯網使新的有趣的應用程序，這將影響到如何辦事處開始運作。例如，在互連處，每一個元素可以被永久地連接到互聯網。因此，用戶可以跟踪所有專業的財物，以及資產負債管理。圖5示出了一個未來互聯辦公室架構。

5。結果

算法利用插值網絡27.0.0.1模型納米傳感器的應用用在醫療領域，例如，引導為納米傳感器的能力如何感測信號並把它傳送給它的鄰居位於一個傳感器字段使用下面的算法示出。001定義參數=主鍵= VAR（A，B，C，D）002主鍵參數VAR（A）= DNA003主鍵參數VAR（B）=酶004主鍵參數VAR（C）=抗體005主鍵參數VAR（D）=抗原006輸液定義的參數在一個開源的機器VAR（A，B，C，D）。007定義一個對象=二次參數= VAR（H）008聯繫VAR（H）上的開放源碼009增強對象上線006010如果線006 = VAR（A）= DNA中的對象011重複009012尾011013然後去017014否則轉007015尾014016重複009到VAR（A，B，C，D）= [VAR（H）] [VAR（B）]，[VAR（C）];（VAR（D）]017尾016;的VAR（A，B，C，D）=（[DNA，酶，抗體，抗原]）018尾009在母親納米傳感器27.0.0.1的內部網絡系統對27.0.0.2，27.0.0.3，等上的導航顯示上定義的區域（傳感器領域）內的所有傳感器的算法/程序的016行的業績，表現出模擬使用的計算機系統。納米傳感器的PC模擬器納米傳感器的PC模擬器是用來模擬在通信納米傳感器網絡的工作過程的應用軟件。模擬器有兩個組成部分，即，作為其在作為主機/節點的計算機上運行的服務器和納米傳感器的PC計算機系統上運行的PC母傳感器觀眾。電腦母親傳感器檢測和同一IP範圍內配置一個無線網絡上顯示所有納米傳感器的電腦的屬性。如果母親傳感器查看器在192.168.10.50上運行，那麼所有其他計算機上的納米傳感器的PC將運行配置了IP地址192.168.10.1到192.168.10.254的範圍內，除了192.168.10.50分配給母親傳感器查看器。這將建立一個協議，它形成的基礎，他們的溝通。的納米傳感器PC是應用在無線環境中運行的任何計算機上的組件。每當納米傳感器的PC運行時，它的面板上顯示其屬性，並等待母親感應器的要求。只要為它的屬性瀏覽器的請求，將它們發送任何一台電腦上，只要它運行相同的應用程序，並在同一網絡上。

圖URE 1 。為單位向量（C的（N，M）納米管的命名方案思想ħ無限石墨烯片，描述了如何“捲起”的石墨烯片上形成納米管）

圖ü 重2 。典型的納米傳感器節點（張，2004）

圖URE 3 。過程倍頻信號增強。其中ω 0 是頻率要乘以中，nω 0是多少倍，頻率相乘

圖URE 4 。架構的無線納米傳感器網絡在醫療應用

圖URE 5 。架構為未來互聯的辦公室

6。結論

納米技術正在使設備在規模介乎一至幾百納米的發展。一個這種技術的有前途的應用是在感測領域。甲納米傳感器不僅是一個微小的傳感器，也是一種裝置，使得使用的納米材料的新穎特性，特別是碳納米管（CNT），以檢測和測量的新類型的事件在納米級，採用碳系EM nanotransceivers和納米天線。然而，單個納米傳感器的感測範圍僅限於它的封閉環境，因此需要許多納米傳感器來創建網絡。一個集成的納米傳感器器件的具有通信能力的發展將克服單個納米傳感器的局限性，並擴大使用內插算法來說明如何將納米傳感器節點檢測到一個信號，說明一個無線納米傳感器通信網絡的其潛在applications.The工作過程。此外，納米傳感器的PC模擬器用JCreator的LE安裝程序來演示在一個WNSN信號交換而設計的。