Wetenschappers van de Far Eastern Federal University (FEFU), Far Eastern Branch van de Russische Academie van Wetenschappen, Swinburne University of Technology, en Melbourne Centre for Nanofabrication ontwikkelden een ultragevoelige detector op basis van zwart silicium. Het apparaat kan sporen van nitroaromatische verbindingen detecteren en kan worden gebruikt om de meeste explosieven of zeer giftige verontreinigende stoffen te identificeren voor medische en forensische evaluaties. Het gerelateerde artikel is gepubliceerd in ACS-sensoren .

De nieuwe sensor is gebaseerd op het zogenaamde "zwarte silicium" dat wordt gefabriceerd door hoogwaardig reactief etsen van in de handel verkrijgbare siliciumsubstraten. Dergelijk geëtst silicium heeft een stekelig oppervlak met nanostructuur dat unieke optische eigenschappen vertoont. Na het etsen, het oppervlak is bedekt met een monolaag van carbazoolmoleculen. Dit proces wordt chemische functionalisering genoemd omdat de aangehechte moleculen het substraat een bepaalde belangrijke functie geven, namelijk, het vermogen om nitroaromatische verbindingen op het oppervlak te binden en te concentreren. De monolaag van carbazool maakt het apparaat gevoelig voor wijdverbreide nitroaromatische stoffen zoals nitrobenzeen, o-nitrotolueen, 2,4-dinitrotolueen, enz. Echter, de sensor reageert niet op de aanwezigheid van andere moleculen, zoals benzeen, tolueen, tetrachloormethaan, methanol, ethanol, enzovoort.

"Nitroaromatische verbindingen kunnen worden gevonden in het afvalwater van verffabrieken of militaire faciliteiten en zijn extreem gevaarlijk voor het milieu. Bovendien, ze maken ook deel uit van veel explosieven. Hun detectie in sporenconcentraties vormt een belangrijke en complexe praktische taak. Ons sensorplatform identificeert de aanwezigheid van nitroaromatische verbindingen door middel van het registreren van de veranderingen in het luminescentiespectrum van de functionele laag van carbazool die selectief reageert op nitroaromatische moleculen, " zei Alexander Kuchmizhak, een onderzoeksmedewerker bij het VR- en AR-centrum van de wetenschap en technologie, FEFU.

Volgens de wetenschapper nanogestructureerd zwart silicium dat als basis van het apparaat wordt gebruikt, geeft het een hoge gevoeligheid en een ongekend dynamisch meetbereik. In het lab kan de sensor binnen enkele minuten informatie geven over de aanwezigheid van giftige moleculen in vloeistoffen of gassen.

"De combinatie van unieke morfologische en optische eigenschappen van zwart silicium wordt gecombineerd met eenvoudig te implementeren methoden van oppervlaktechemie die worden gebruikt om het siliciumoppervlak te functionaliseren met carbazoolmoleculen, waardoor een ongekende gevoeligheid kan worden bereikt. Onze sensor kan nitroaromatische verbindingen detecteren in concentraties tot ppt (deel per biljoen of 10 ^-10 %). Extreem breed dynamisch meetbereik wordt veroorzaakt door de unieke stekelige morfologie van zwart silicium die zorgt voor een ongelijke lokale concentratie van carbazoolmoleculen, waardoor oppervlaktelocaties met verschillende gevoeligheid ontstaan, " legde Alexander Mironenko uit, de ontwerper van de sensor, en een senior onderzoeksmedewerker aan het Institute of Chemistry, FEBRUARI RAS.

Wetenschappers zeiden dat de productie van het nieuwe sensorplatform naar verwachting vrij goedkoop zal zijn in vergelijking met de bestaande analogen. Bovendien, dezelfde sensor kan meerdere keren worden gebruikt. Het kan onderdeel worden van gassensorsystemen die de openbare en ecologische veiligheid waarborgen.

De deelnemers aan het werk vertegenwoordigden de Federale Universiteit van het Verre Oosten, Institute of Chemistry en het Institute of Automation and Management Processes van de Far Eastern Branch van de Russian Academy of Sciences, Swinburne University of Technology, en Melbourne Centrum voor Nanofabricage.