Группа исследователей под руководством Сян Чжана, профессора машиностроения Калифорнийского университета в Беркли, нашла способ резко повысить чувствительность светового плазмонного датчика для обнаружения невероятно малых концентраций взрывчатых веществ. Исследователи отметили, что датчик потенциально может быть использован для обнаружения труднообнаруживаемого взрывчатого вещества, популярного среди террористов.
Выводы команды опубликованы сегодня (воскресенье, 20 июля) в расширенном онлайн-издании журнала Nature Nanotechnology.
Инженеры протестировали датчик с различными взрывчатыми веществами — 2,4-динитротолуолом (DNT), нитратом аммония и нитробензолом — и обнаружили, что устройство успешно обнаруживает находящиеся в воздухе химические вещества в концентрациях 0.67 частей на миллиард, 0.4 части на миллиард и 7.2 части на миллион соответственно.
Одна часть на миллиард будет сродни травинке на футбольном поле.
Они отметили, что эти результаты намного более чувствительны, чем опубликованные на сегодняшний день для других оптических датчиков.
«Оптические датчики взрывчатых веществ очень чувствительны и компактны», — сказал Чжан, который также является директором отдела материаловедения в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и директором Национального научного фонда наноразмерного научно-технического центра в Калифорнийском университете в Беркли. "Возможность увеличивать такой небольшой след взрывчатого вещества для создания обнаруживаемого сигнала является важным достижением в технологии плазмонных датчиков, которая является одним из самых мощных инструментов, которые у нас есть сегодня."
Новый датчик может иметь много преимуществ по сравнению с существующими методами защиты от бомб.
«Собак, вынюхивающих бомбы, дорого дрессировать, и они могут устать», — сказал со-ведущий автор исследования Рен-Мин Ма, доцент кафедры физики Пекинского университета, который проделал эту работу, когда работал докторантом в лаборатории Чжана. "Еще одна вещь, которую мы видим в аэропортах, — это использование тампонов для проверки на наличие остатков взрывчатых веществ, но они имеют относительно низкую чувствительность и требуют физического контакта. Наша технология может привести к созданию микросхемы обнаружения бомбы для портативного устройства, которое может обнаруживать крошечные следы пара в воздухе небольших молекул взрывчатого вещества."
По словам исследователей, датчик также можно превратить в сигнализатор неразорвавшихся мин, которые иначе трудно обнаружить. По данным ООН, от наземных мин ежегодно погибает от 15 000 до 20 000 человек. Большинство жертв — дети, женщины и старики.
Нестабильный и жаждущий электронов
Наноразмерный плазмонный датчик, используемый в лабораторных экспериментах, намного меньше, чем другие детекторы взрывчатых веществ на рынке. Он состоит из слоя сульфида кадмия, полупроводника, который уложен поверх листа серебра со слоем фторида магния посередине.
При разработке устройства исследователи использовали химический состав многих взрывчатых веществ, в частности нитросоединений, таких как DNT и его более известный родственник, TNT.
По словам исследователей, нестабильные нитрогруппы не только делают химические вещества более взрывоопасными, но и характеризуются недостатком электронов. Это качество увеличивает взаимодействие молекул с естественными поверхностными дефектами на полупроводнике. Устройство работает, обнаруживая повышенную интенсивность светового сигнала, возникающего в результате этого взаимодействия.
Возможное использование для обнаружения труднообнаруживаемого взрывчатого вещества
«Мы думаем, что более высокий дефицит электронов во взрывчатых веществах приводит к более сильному взаимодействию с полупроводниковым датчиком», — сказал соавтор исследования Садао Ота, бывший доктор философии.D. студент лаборатории Чжана, который сейчас работает доцентом химии в Токийском университете.
Из-за этого исследователи надеются, что их плазмонный лазерный датчик сможет обнаруживать тетранитрат пентаэритрита, или тэн, взрывчатое вещество, которое считается любимым террористами. Небольшие его количества обладают мощным ударом, и, поскольку он пластик, он ускользает от рентгеновских аппаратов, когда он не подключен к детонаторам.
Это взрывчатка, найденная в обувной бомбе Ричарда Рида в 2001 году и бомбе в нижнем белье Умара Фарука Абдулмталлаба в 2009 году.
U.S.
Генеральный прокурор Эрик Холдер-младший. недавно цитировалось в новостях как «крайняя, крайняя озабоченность» по поводу того, что йеменские производители бомб объединяют усилия с сирийскими боевиками для разработки этих труднообнаруживаемых взрывчатых веществ, которые могут быть спрятаны в сотовых телефонах и мобильных устройствах.
«ТЭН имеет больше нитрофункциональных групп и является более дефицитным по электронам, чем ДНТ, который мы обнаружили в наших экспериментах, поэтому чувствительность нашего устройства должна быть даже выше, чем с ДНТ», — сказал Ма.
Плазмонные датчики последнего поколения
Датчик представляет собой последнюю веху в технологии поверхностных плазмонных датчиков, которая теперь используется в медицине для обнаружения биомаркеров на ранних стадиях заболевания.
Возможность увеличения чувствительности оптических датчиков традиционно ограничивалась дифракционным пределом, ограничением в фундаментальной физике, которое заставляет искать компромисс между тем, как долго и в каком маленьком пространстве может быть захвачен свет. Связав электромагнитные волны с поверхностными плазмонами, колеблющимися электронами, обнаруженными на поверхности металлов, исследователи смогли втиснуть свет в наноразмерные пространства, но поддержание ограниченной энергии было сложной задачей, потому что свет имеет тенденцию рассеиваться на поверхности металла.
Новое устройство основано на более ранней работе лаборатории Чжана в области плазмонных лазеров, которая компенсировала эту утечку света за счет использования отражателей для отражения поверхностных плазмонов вперед и назад внутри датчика — аналогично тому, как звуковые волны отражаются через комнату в шепчущей галерее. — и использование оптического усиления от полупроводника для усиления световой энергии.
Чжан сказал, что усиленный датчик создает намного более сильный сигнал, чем доступные в настоящее время пассивные плазмонные датчики, которые работают, обнаруживая сдвиги в длине волны света. «Разница в интенсивности похожа на переход от лампочки настольной лампы к лазерной указке», — сказал он. "Мы создаем более четкий сигнал, что упрощает обнаружение даже меньших изменений для крошечных следов взрывчатых веществ в воздухе."
Исследователи отметили, что датчик может найти применение не только в обнаружении химических веществ и взрывчатых веществ, но и в биомолекулярных исследованиях.
U.S.
Поддержать эту работу оказала программа исследовательской инициативы Управления научных исследований ВВС США по многопрофильному университету.