In de St. Paul's Cathedral in Londen, een fluistering is ver over de cirkelvormige fluistergalerij te horen terwijl het geluid rond de muren buigt. Nutsvoorzieningen, een optische fluisterende resonator in galerijmodus, ontwikkeld door elektrotechnici van Penn State, kan licht miljoenen keren rond de omtrek van een kleine bol draaien, het creëren van een ultragevoelige microchip-gebaseerde sensor voor meerdere toepassingen.

"Fluisterende galerijmodus resonatoren, die in feite optische resonatoren zijn, minstens 20 jaar intensief bestudeerd zijn, " zei Srinivas Tadigadapa, hoogleraar elektrotechniek. "Wat mensen hebben gedaan, is een optische vezel nemen en het uiteinde aanraken met een brander. Wanneer de gesmolten vezel opnieuw condenseert, het vormt een bol aan de punt. Deze kan gekoppeld worden aan een lichtbron om een ​​sensor te maken."

Dat type sensor bestaat uit massieve bollen en is niet compatibel met microfabricagemethoden, maar onlangs hebben Tadigadapa en zijn team een ​​innovatieve manier ontwikkeld om on-chip glazen microbolvormige schelpen te kweken met ongelooflijke gevoeligheden die mogelijk kunnen worden gebruikt voor beweging, temperatuur, druk of biochemische detectie.

De holle bolletjes van borosilicaatglas worden geblazen uit afgedichte en onder druk staande cilindrische holtes die in een siliciumsubstraat zijn geëtst. Met behulp van een glasblaastechniek, het dunne glaswafeltje, onder hoge hitte en externe vacuümdruk, vormt een bijna perfecte bel. De onderzoekers groeiden arrays van bollen van 230 micron tot 1,2 millimeter in diameter met wanddiktes tussen 300 nanometer en 10 micrometer.

"De onderkant van de bol wordt uitgedund totdat het in feite een gat is, " zei Tadigadapa. "Je kunt het licht aan de buitenkant van de bol plaatsen, maar alle chemie aan de binnenkant van de schaal doen. U kunt elke analyt binnenbrengen die u wilt identificeren, maar het gaat op het binnenoppervlak. Dat brengt veel mogelijkheden met zich mee. Je kunt chemische waarneming doen, dampdetectie, biofysische waarneming, drukwaarneming en werkelijk uitstekende temperatuurwaarneming."

Na vele mislukte pogingen, het team ontdekte dat de sleutel tot het maken van een hoogwaardige sensor ligt in het ervoor zorgen dat het equatoriale vlak van de bol, zijn centrum, bevindt zich boven het oppervlak van de chip.

Om inzicht te krijgen in de kwaliteit van hun sferen, Tadigadapa's doctoraalstudent Chenchen Zhang en recent doctoraalstudent Eugene Freeman werkten samen met Alexander Cocking, een doctoraalstudent in het lab van laserexpert Zhiwen Liu, Penn State, hoogleraar elektrotechniek.

"We maken de bubbels en brengen ze dan naar het laboratorium van Dr. Liu om de resonantieniveaus te krijgen en de metingen te doen, " zei Zhang, hoofdauteur van een paper waarin ze hun werk beschrijven, die vandaag (2 november) in verschijnt Wetenschappelijke rapporten , een online, open access tijdschrift. Dit resultaat zal met name van belang zijn voor biofysische detectie van lab-on-a-chip voor ziektedetectie, zei Zhang. "Of door een polymeercoating aan de binnenkant van de bel toe te voegen, je zou een heel gevoelige vochtigheidssensor kunnen maken."

Tadigadapa heeft toegevoegd, "Er zijn een aantal echt spannende mogelijkheden. Ik denk dat het een groot vervolg zal opleveren."