Wetenschap
Wetenschappers ontdekken supersensor voor de kleinste schubben
Een team met onder meer onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikte een nieuwe draai aan een oude methode om materialen te detecteren in een aantal van de kleinste hoeveelheden die tot nu toe zijn geregistreerd.
De resultaten kunnen leiden tot verbeteringen in de beveiligingstechnologie en de ontwikkeling van kwantumsensoren ondersteunen.
Het onderzoek, gepubliceerd in Nano Letters , maakte gebruik van het Seebeck-effect, een thermo-elektrisch fenomeen dat twee eeuwen geleden werd ontdekt, om de warmte- en lichtsignaturen van moleculen te identificeren, gemeten aan de hand van het attogram:een quintiljoenste van een gram, of 10 18 keer lichter dan een dollarbiljet. Het zwaarste gewicht woog ongeveer 52 attogrammen, en het lichtste ongeveer 40 attogrammen.
"Het is in wezen de eerste keer dat iemand een detectie van het spectroscopische signaal op die niveaus voor dat kleine materiaal onder normale omstandigheden heeft gerapporteerd", zegt Ali Passian, een ORNL-onderzoeker en co-auteur van het onderzoek.
"De techniek op zich is niet nieuw. Maar het verkennen van de fysica van het waarnemen en het stellen van de juiste vraag zijn de sleutel. Deze ontdekking zou de weg kunnen vrijmaken voor de wijdverbreide inzet van goedkope, betrouwbare en nauwkeurige sensoren voor een breed scala aan toepassingen."
Passian werkte aan het onderzoek samen met collega-wetenschappers Yaoli Zhao, Patatri Chakraborty en Thomas Thundat, allemaal verbonden aan de Universiteit van Buffalo.
Het Seebeck-effect, genoemd naar de Duitse natuurkundige Thomas Seebeck, beschrijft de spanning die het gevolg is van een temperatuurverschil in een circuit dat bestaat uit twee ongelijksoortige elektrische geleiders, zoals twee draden gemaakt van verschillende metalen, bij blootstelling aan hitte.
Het onderzoeksteam vertrouwde op een siliconen microcantilever-sonde, vergelijkbaar met een microscopische versie van de naald op een ouderwetse platenspeler, die het Seebeck-effect benutte door een dergelijk circuit te creëren en infraroodlicht van een laser te gebruiken om de moleculen van de materialen te stimuleren. onder studie en warmte creëren.
Door de sonde in contact te brengen met minuscule hoeveelheden van het materiaal, werkte het team terug van de spectroscopische signalen en veranderingen in het temperatuurverschil om nauwkeurig de hoeveelheden van het aanwezige materiaal te identificeren en te berekenen:trinitrotolueen, beter bekend als het explosieve TNT, en dimethylmethylfosfonaat. , een verbinding die wordt gebruikt in vlamvertragers en chemische wapens.
"Het is een heel eenvoudig systeem dat verrassend goed werkt", zei Passian. "De sonde heeft een scherpe punt die we dicht bij het oppervlak brengen en er vervolgens infrarood licht op laten schijnen. We genereerden slechts een kleine hoeveelheid warmte, en deze sonde kon het lezen. We waren behoorlijk opgewonden om te ontdekken dat we konden detecteren zo weinig materiaal zo betrouwbaar op zo'n niet-invasieve manier."
De sonde is gebruikt voor beeldvorming op nanoschaalniveau (ongeveer negen ordes van grootte groter dan een attogram), maar Passian en het team waren de eersten die de aanpak voor spectroscopie op zo'n kleine schaal gebruikten.
'Denk aan een kleine munt,' zei Passian. ‘Verklein die munt nu ongeveer een miljoen keer. Dat is vergelijkbaar met de grootte van de sonde. We hebben de sonde op een nieuwe manier gebruikt – om warmte en licht te meten in plaats van een beeld vast te leggen – en het bleek zelfs nog nuttiger dan we hadden verwacht dat we de detectielimieten nog verder kunnen verleggen."
De gevoeligheid van de sonde en de relatief lage kosten (voor een paar honderd dollar kunnen er duizenden worden geproduceerd) bieden mogelijkheden voor een breed scala aan toepassingen.
"Iedereen wil sensoren die goedkoop, klein, snel en gemakkelijk zijn, maar ook zeer nauwkeurig", aldus Passian. "Dit systeem voldoet aan al deze criteria. Omdat het zo klein is, zijn er niet veel omvangrijke machines nodig, en we zouden honderden of duizenden van deze sondes op één oppervlak kunnen plaatsen. Dat maakt het systeem ideaal voor compacte ruimtes, zoals veiligheidscontroles op luchthavens of ondergrondse toepassingen zoals mijnbouw."
Het team is van plan de sonde te testen om nog kleinere hoeveelheden te detecteren. De resultaten zouden de bouw van kwantumsensoren kunnen ondersteunen, die de wetten van de kwantumfysica zouden gebruiken voor waarneming op het niveau van individuele atomen.
"Op een gegeven moment zal de hoeveelheid materiaal zelfs voor deze sensor te klein zijn", zei Passian. "Dan zijn de volgende stap kwantummetingen. We hopen dat deze techniek ons daar kan helpen."