Onderzoekers van de Universiteit van Delaware ontwikkelen sensoren waarvan ze hopen dat ze realtime, in situ detectie van water- en luchtverontreinigende stoffen op een goedkope en milieuvriendelijke manier.

Juejun Hu en Chaoying Ni van UD's Department of Materials Science and Engineering creëren kleine, zeer gevoelige apparaten die organische, anorganische en biologische moleculaire soorten op lage niveaus in het milieu. Het team wordt gefinancierd door een startsubsidie ​​van het Delaware Experimental Program van de National Science Foundation om competitief onderzoek (EPSCoR) te stimuleren.

"We maken nanostructuren om chemische moleculen op een zeer gevoelige manier te detecteren, " zei Hu, een assistent-professor die de hoofdonderzoeker van het project is.

Met verder onderzoek en ontwikkeling, de apparaten kunnen worden geïntegreerd in draagbare, batterijgevoede sensorpakketten, vervanging van meer traditionele moleculaire detectoren, die omvangrijke en dure apparatuur vereisen.

Ingezet in een netwerk in het veld, een reeks kleine sensoren zou verontreiniging in de lucht kunnen detecteren, water en bodem in realtime en stuur die informatie draadloos door naar een computer.

Een belangrijk obstakel dat verhindert dat kleine sensoren praktische vervangers van omvangrijke machines worden, is dat de nieuwe technologie nog steeds minder gevoelig en specifiek is in zijn detectie dan de instrumenten die momenteel in gebruik zijn. Het project heeft tot doel sensoren te maken die deze obstakels overwinnen.

"Het is een nieuw type sensor, " zei Ni, Collega Professor. "Het is erg klein en belangrijker, het is heel gevoelig en heel specifiek."

De onderzoekers gebruiken een gefocusseerde ionenstraal (FIB) om gaten te slaan in een dunne strook chalcogenideglas (ChG) van enkele micrometers dik, of ongeveer een tiende van de breedte van een haar. Wanneer licht door de strip gaat, moleculen in de omgeving absorberen selectief een of enkele bepaalde kleuren van het licht. De unieke optische absorptiesignalen kunnen vervolgens worden gebruikt om de aanwezigheid en concentratie van de van belang zijnde moleculen te identificeren. De onderzoekers zijn van plan een aantal van de kleine, chip-sized apparaten samen om een ​​sensor te creëren die meerdere soorten moleculen kan detecteren.

"Uiteindelijk, het apparaat zal zeer gevoelig zijn in vergelijking met de huidige technologie. We verwachten een verbetering van ongeveer twee tot vier ordes van grootte, " zei Hu. "Het zal ook klein zijn en een zeer kleine voetafdruk achterlaten. Eenmaal geïntegreerd, het zal de grootte hebben van een hockeypuck en kan discreet in de omgeving worden geplaatst."

Sinds de onderzoekers ongeveer een jaar geleden met het project begonnen, ze hebben met succes verschillende chips gemaakt, hoewel ze onderweg wat problemen zijn tegengekomen.

"Het maken van het apparaat was moeilijk, " zei Ni. "De gaten moeten met grote precisie worden geponst. Daarom hebben we de gerichte ionenstraal nodig, die perfect bleek te zijn voor dit project."

Hoewel het project zich nog in de beginfase bevindt, met testen die pas afgelopen herfst zijn begonnen, Hu kijkt nu al vooruit naar de praktische voordelen die de apparaten kunnen hebben voor het milieu.

"We zullen de milieuverontreinigende stoffen continu kunnen monitoren, zodat we weten of het water in een beek vervuild raakt of dat een chemische fabriek lekt. We kunnen het ook gebruiken om giftige lekken in industriële installaties op te sporen, " hij zei.

Hu voegde eraan toe dat zodra de technologie gevoelig genoeg is, sensoren op chipschaal kunnen nuttig zijn op andere gebieden, inclusief biogeneeskunde.

"We zouden de apparaten kunnen gebruiken om bepaalde ziekten te controleren door de adem van een patiënt te analyseren, " zei hij. "De sensor zou sporenmoleculen kunnen detecteren in de lucht die ze uitademen."

Ni was het ermee eens dat de apparaten een aanzienlijke impact zouden kunnen hebben. "Ze kunnen een spelveranderend soort ding zijn, " hij zei.