Nieuwe technologie in ontwikkeling aan de Universiteit van Californië, Berkeley, zou bommensnuffelende honden binnenkort serieuze concurrentie kunnen geven.

Een team van onderzoekers onder leiding van Xiang Zhang, UC Berkeley hoogleraar werktuigbouwkunde, heeft een manier gevonden om de gevoeligheid van een op licht gebaseerde plasmonsensor drastisch te verhogen om ongelooflijk kleine concentraties explosieven te detecteren. Ze merkten op dat het mogelijk zou kunnen worden gebruikt om een ​​moeilijk te detecteren explosief op te sporen dat populair is onder terroristen.

Hun bevindingen worden zondag gepubliceerd, 20 juli in de geavanceerde online publicatie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Ze hebben de sensor op de proef gesteld met verschillende explosieven - 2, 4-dinitrotolueen (DNT), ammoniumnitraat en nitrobenzeen - en ontdekte dat het apparaat met succes de chemicaliën in de lucht detecteerde in concentraties van 0,67 delen per miljard, 0,4 delen per miljard en 7,2 delen per miljoen, respectievelijk. Eén deel per miljard zou vergelijkbaar zijn met een grasspriet op een voetbalveld.

De onderzoekers merkten op dat dit veel gevoeliger is dan de tot nu toe gepubliceerde resultaten voor andere optische sensoren.

"Optische explosievensensoren zijn erg gevoelig en compact, " zei Zhang, die ook directeur is van de Materials Science Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory en directeur van de National Science Foundation Nanoscale Science and Engineering Center aan de UC Berkeley. "Het vermogen om zo'n klein spoor van een explosief te vergroten om een ​​detecteerbaar signaal te creëren, is een belangrijke ontwikkeling in de plasmonsensortechnologie, dat is een van de krachtigste tools die we vandaag hebben."

De nieuwe sensor zou veel voordelen kunnen hebben ten opzichte van de huidige methoden voor het screenen van bommen.

"Bommensnuffelende honden zijn duur om te trainen en ze kunnen moe worden, " zei mede-hoofdauteur van de studie Ren-Min Ma, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Peking die dit werk deed toen hij een postdoctoraal onderzoeker was in het laboratorium van Zhang. "Het andere dat we op luchthavens zien, is het gebruik van wattenstaafjes om te controleren op explosieve resten, maar die hebben een relatief lage gevoeligheid en vereisen fysiek contact. Onze technologie zou kunnen leiden tot een bom-detecterende chip voor een handheld-apparaat dat de minuscule spoordamp in de lucht van de kleine moleculen van het explosief kan detecteren."

De sensor kan ook worden ontwikkeld tot een alarm voor niet-ontplofte landmijnen die anders moeilijk te detecteren zijn, aldus de onderzoekers. Volgens de Verenigde Naties, landmijnen doden 15, 000 tot 20, 000 mensen per jaar. De meeste slachtoffers zijn kinderen, vrouwen en ouderen.

Instabiel en hongerig naar elektronen

De plasmonsensor op nanoschaal die in de laboratoriumexperimenten wordt gebruikt, is veel kleiner dan andere explosievendetectoren op de markt. Het bestaat uit een laag cadmiumsulfide, een halfgeleider, gelegd op een vel zilver met een laag magnesiumfluoride in het midden.

Bij het ontwerpen van het apparaat de onderzoekers maakten gebruik van de chemische samenstelling van veel explosieven, met name nitroverbindingen zoals DNT en zijn meer bekende verwant, TNT. Niet alleen maken de onstabiele nitrogroepen de chemicaliën explosiever, ze zijn ook kenmerkend elektronenarm, aldus de onderzoekers. Deze kwaliteit verhoogt de interactie van de moleculen met natuurlijke oppervlaktedefecten op de halfgeleider. Het apparaat werkt door de verhoogde intensiteit in het lichtsignaal te detecteren die optreedt als gevolg van deze interactie.

Potentieel gebruik om moeilijk te detecteren explosief te detecteren

"We denken dat een hoger elektronentekort van explosieven leidt tot een sterkere interactie met de halfgeleidersensor, " zei mede-hoofdauteur Sadao Ota van de studie, een voormalig Ph.D. student in het lab van Zhang die nu assistent-professor scheikunde is aan de Universiteit van Tokio.

Daarom, de onderzoekers hopen dat hun plasmonlasersensor pentaerythritoltetranitraat kan detecteren, of PETN, een explosief dat als een favoriet van terroristen wordt beschouwd. Kleine hoeveelheden ervan hebben een krachtige stoot, en omdat het van plastic is, het ontsnapt aan röntgenmachines wanneer het niet is aangesloten op ontstekers. Het is het explosief dat werd gevonden in de schoenenbom van Richard Reid in 2001 en de ondergoedbom van Umar Farouk Abdulmtallab in 2009.

De Amerikaanse procureur-generaal Eric Holder Jr. werd onlangs in nieuwsberichten geciteerd als zijnde "extreme, extreme bezorgdheid" over Jemenitische bommenmakers die hun krachten bundelen met Syrische militanten om deze moeilijk te detecteren bommen te ontwikkelen, die kan worden verborgen in mobiele telefoons en mobiele apparaten.

"PETN heeft meer nitro-functionele groepen en is meer elektronenarm dan de DNT die we in onze experimenten hebben gedetecteerd, dus de gevoeligheid van ons apparaat zou nog hoger moeten zijn dan bij DNT, " zei mam.

Nieuwste generatie plasmonsensoren

De sensor vertegenwoordigt de nieuwste mijlpaal in de technologie van oppervlakteplasmonsensoren, die nu in de medische wereld wordt gebruikt om biomarkers in de vroege stadia van de ziekte te detecteren.

De mogelijkheid om de gevoeligheid van optische sensoren te vergroten was traditioneel beperkt door de diffractielimiet, een beperking in de fundamentele fysica die een afweging dwingt tussen hoe lang en hoe klein licht kan worden opgesloten. Door elektromagnetische golven te koppelen aan oppervlakteplasmonen, de oscillerende elektronen aan het oppervlak van metalen, onderzoekers waren in staat om licht in ruimten van nanogrootte te persen, maar het in stand houden van de beperkte energie was een uitdaging omdat licht de neiging heeft om aan het oppervlak van een metaal te verdwijnen.

Het nieuwe apparaat bouwt voort op eerder werk in plasmonlasers door het laboratorium van Zhang dat deze lichtlekkage compenseerde door reflectoren te gebruiken om de oppervlakteplasmonen heen en weer in de sensor te kaatsen - vergelijkbaar met de manier waarop geluidsgolven door de kamer worden gereflecteerd in een fluistergalerij - en het gebruiken van de optische versterking van de halfgeleider om de lichtenergie te versterken.

Zhang zei dat de versterkte sensor een veel sterker signaal creëert dan de passieve plasmonsensoren die momenteel beschikbaar zijn, die werken door verschuivingen in de golflengte van licht te detecteren. "Het verschil in intensiteit is vergelijkbaar met het gaan van een gloeilamp voor een tafellamp naar een laserpointer, " zei hij. "We creëren een scherper signaal dat het gemakkelijker maakt om nog kleinere veranderingen voor minuscule sporen van explosieven in de lucht te detecteren."