Geïnspireerd door de anatomie van insecten, een interdisciplinair onderzoeksteam van de Universiteit van Alberta heeft een nieuwe manier bedacht om gevaarlijke chemicaliën in de lucht snel en nauwkeurig te detecteren.

Het werk begon met Arindam Phani, een afgestudeerde student aan de U of A's Department of Chemical and Materials Engineering, die opmerkte dat de meeste insecten kleine haartjes op hun lichaamsoppervlak hebben, en het is niet duidelijk waar de haren voor zijn. Proberen te begrijpen waartoe deze haren in staat zijn, Phani ontwierp experimenten met een "bos" van kleine haartjes op een dunne vibrerende kristalchip, onder leiding van zijn academisch adviseur Thomas Thundat, de Canada Research Chair in Oil Sands Molecular Engineering. De twee bundelden hun krachten met Vakhtang Putkaradze, Honderdjarige professor aan de afdeling wiskundige en statistische wetenschappen van de Universiteit van Alberta.

De experimenten en de daaropvolgende theoretische uitleg vormden de crux van een nieuwe studie die werd gepubliceerd in het nummer van 6 september van Wetenschappelijke rapporten , een online, open access tijdschrift van de uitgevers van Natuur .

"We wilden iets doen wat niemand anders doet, " zegt Putkaradze, een wiskundige die ook een gerenommeerd expert is op het gebied van mechanica. "Bij gebruik van resonatoren als sensoren, de meeste mensen willen af ​​van dissipatie of wrijving omdat het als zeer ongewenst wordt beschouwd, het heeft de neiging om te verdoezelen wat u probeert te meten. We hebben dat ongewenste ding genomen en nuttig gemaakt."

"Het waarnemen van chemicaliën zonder chemische receptoren was een uitdaging onder normale omstandigheden, " zegt Thundat, een toonaangevende expert op het gebied van sensing. "We realiseerden ons dat er een schat aan informatie zit in het wrijvingsverlies van een mechanische resonator in beweging en is meer uitgesproken op nanoschaal."

Het idee is dat elk object dat snel door de lucht beweegt, de eigenschappen van de omgeving kan onderzoeken. Stel je voor dat je een toverstok in je hand hebt en hem heen en weer beweegt, en - zelfs met je ogen dicht - kun je voelen of de toverstok door de lucht beweegt, water, of schat, gewoon door de weerstand te voelen. Nutsvoorzieningen, stel je deze toverstok voor met miljarden kleine haartjes erop, miljoenen keren per seconde heen en weer bewegen, en stel je de sensuele mogelijkheden eens voor.

"Met de nanostructuren, we kunnen kleine veranderingen voelen in de lucht rond de resonator, ", zegt Putkaradze. "Deze gevoeligheid maakt het apparaat nuttig voor het detecteren van een breed scala aan chemicaliën."

Phani, wie is de eerste auteur van de publicatie, gelooft dat "vergelijkbare mechanismen met bewegingen van nanoharen kunnen worden gebruikt voor waarneming door levende organismen." Omdat de wrijving drastisch verandert met minieme veranderingen in de omgeving en gemakkelijk te meten is, het kan mogelijk zijn om uiteindelijk een gadget te produceren van de grootte vergelijkbaar met of iets groter dan een Rubiks kubus en ontworpen om in een muur te steken.

Momenteel, het apparaat van de groep is primair gericht op het waarnemen van chemische dampen in de lucht.

"We denken dat dit apparaat kan werken als een kleinere en goedkopere spectrometer, het meten van chemicaliën in het bereik van deeltjes per miljoen, ', zegt Putkaradze.

Putkaradze legt uit dat, afgezien van grootte en redelijke kosten, wat het apparaat onderscheidt van grotere en duurdere apparatuur is zijn veelzijdigheid. "Omdat onze sensor niet is gericht op het detecteren van een specifieke chemische stof, het kan een breed scala interpreteren, en het vereist niet dat we de moleculen ergens aan bevestigen om een ​​mechanische reactie te creëren, wat betekent dat het ook herbruikbaar is."

Het team voegt eraan toe dat het meest directe en voor de hand liggende gebruik zal zijn voor monitoring van de luchtkwaliteit in de omgeving. zegt Putkaradze, "we zouden graag willen werken met toepassingen zoals wetshandhaving en wetenschappelijke laboratoria, maar het meest voor de hand liggende gebruik is voor milieuobservatie van chemische luchtvervuiling in steden en de hulpbronnenindustrie."

Toekomstige iteraties zijn gericht op het detecteren van fijnstof, zoals stof, evenals het aantal virussen dat in de lucht aanwezig is, van onschatbare waarde voor de volksgezondheid.