Door gebruik te maken van een fenomeen dat tot nu toe een virtuele showstopper was voor elektronicaontwerpers, een team onder leiding van Panos Datskos van Oak Ridge National Laboratory ontwikkelt een chemische en biologische sensor met een ongekende gevoeligheid.

uiteindelijk, onderzoekers geloven dat deze nieuwe "sniffer" een detectieniveau zal bereiken dat de theoretische limiet benadert, overtreft andere state-of-the-art chemische sensoren. De implicaties kunnen aanzienlijk zijn voor iedereen wiens taak het is om explosieven op te sporen, biologische agentia en verdovende middelen.

"Terwijl de onderzoeksgemeenschap de niet-lineariteit heeft vermeden die wordt geassocieerd met de mechanische oscillatoren op nanoschaal, we omarmen het, " zei mede-ontwikkelaar Nickolay Lavrik, een lid van het Department of Energy lab's Center for Nanophase Materials Sciences Division. "Uiteindelijk, we hopen een apparaat te hebben dat ongelooflijk kleine hoeveelheden explosieven kan detecteren in vergelijking met de huidige chemische sensoren."

Het apparaat bestaat uit een digitale camera, een laser, beeldvormende optica, een signaalgenerator, digitale signaalverwerking en andere componenten die samen, net als de neus van een hond, kan kleine hoeveelheden stoffen in de lucht detecteren.

Het onderliggende concept is gebaseerd op microschaalresonatoren die vergelijkbaar zijn met microcantilevers die worden gebruikt in atomaire krachtmicroscopie, die onlangs is onderzocht als apparaten voor massa- en krachtdetectie. Hoewel het basisprincipe eenvoudig is - het meten van veranderingen in de resonantiefrequentie als gevolg van massaveranderingen - hebben een aantal obstakels brede toepassing van dergelijke systemen belemmerd.

"Deze uitdagingen zijn te wijten aan de vereisten voor het meten en analyseren van kleine oscillatie-amplituden die ongeveer zo groot zijn als een waterstofatoom, "zei Lavrik. Dergelijke traditionele benaderingen vereisen geavanceerde, geluidsarme elektronische componenten zoals lock-in-versterkers en phase-locked loops, die kosten en complexiteit toevoegen.

In plaats daarvan, dit nieuwe type sniffer werkt door opzettelijk de microcantilevers te raken met relatief grote hoeveelheden energie die verband houden met een reeks frequenties, dwingen ze in brede oscillatie, of beweging. Lavrik vergeleek de reactie met de beweging van een duikplank nadat een zwemmer duikt.

"Vroeger, mensen wilden deze hoge amplitude vermijden vanwege de hoge vervorming die gepaard gaat met dat type respons, " zei Datskos, een lid van de afdeling Meetwetenschappen en Systems Engineering. "Maar nu kunnen we die reactie benutten door het systeem af te stemmen op een zeer specifieke frequentie die is gekoppeld aan de specifieke chemische stof of verbinding die we willen detecteren."

Wanneer de beoogde chemische stof reageert met de microcantilever, het verschuift de frequentie afhankelijk van het gewicht van de verbinding, waardoor de detectie wordt verschaft.

“Met deze nieuwe aanpak wanneer de microcantilever stopt met oscilleren, weten we met grote zekerheid dat de beoogde chemische stof of verbinding aanwezig is, ' zei Lavrik.

De onderzoekers stellen zich voor dat deze technologie wordt opgenomen in een handinstrument dat kan worden gebruikt door beveiligingsonderzoekers van transport, wetshandhavers en het leger. Andere mogelijke toepassingen zijn in de biogeneeskunde, Milieuwetenschappen, binnenlandse veiligheid en analytische chemie.

Met voldoende financiële middelen, Datskos voorziet dat een prototype binnen zes tot achttien maanden wordt ontwikkeld.