Følsom nanooscillator kan detektere patogener

(PhysOrg.com) -- Ved at se, hvordan energi bevæger sig hen over en lille enhed, der ligner et springende vippebræt, Cornell-forskere er et skridt tættere på at skabe ekstraordinært bittesmå sensorer, der øjeblikkeligt kan genkende skadelige stoffer i luft eller vand.

Forskerne, ledet af professor i anvendt og teknisk fysik Harold Craighead, lavet en enhed, der kun var 200 nanometer tyk og et par mikrometer lang med en oscillerende udkrager hængende i den ene ende. (En nanometer er en milliardtedel af en meter; en mikron er en milliontedel af en meter.) De identificerede præcis, hvordan man justerer dens følsomhed - et gennembrud, der kunne føre til avancerede sensorteknologier.

Eksperimenterne detaljerede online 8. februar in Journal of Applied Physics vis, hvordan disse oscillatorer, som er nanoelektromekaniske systemer (NEMS), kunne en dag gøres til dagligdags enheder ved at stille millioner af dem op og behandle hver cantilever med et bestemt molekyle.

"Det store formål er at være i stand til at drive arrays af disse ting i direkte synkronisering, " sagde førsteforfatter Rob Ilic, en forskningsmedarbejder ved Cornell NanoScale Science and Technology Facility. "De kan funktionaliseres med forskellige kemier og biomolekyler for at detektere forskellige patogener - ikke kun én ting."

Cantileveren er som et vippebræt, der giver genlyd ved forskellige frekvenser. I tidligere forskning, holdet har vist, at ved at behandle cantileveren med forskellige stoffer, de kan fortælle, hvilke andre stoffer der er til stede. For eksempel, E. coli-antistoffer knyttet til cantileveren kan påvise tilstedeværelsen af ​​E. coli i vand.

Forskerne har perfektioneret oscillatorens design, Ilic sagde, ved at lægge deres enhed oven på et lag siliciumdioxid, som alle hviler på et siliciumunderlag. En pude med huller forbinder pløkker af siliciumdioxid, stillet op som telefonpæle, som til sidst ender ved udkragningen.

En laserstråle, tændt i den fjerneste ende fra udhænget, bevæger sig ned ad enheden og får oscillatoren til at slingre. Frekvensen måles derefter ved at lade en anden laser skinne på oscillatoren og notere mønstre i det reflekterede lys.

"Telefonstængerne" tillader energien at bevæge sig effektivt hen over enheden ved at forhindre den i at bøje eller hænge. Designet gør det nemt at aflæse udkragningens resonansfrekvens.

I denne proces, forskerne opdagede, at over korte afstande, energien fra laseren kom i form af varme, som hurtigt forsvinder. Men da laseren blev parkeret hundredvis af mikrometer væk fra udkrageren, energien kom i form af akustiske bølger, der rejste gennem enheden, forsvandt langsommere, og gav dem mulighed for at gøre deres enhed længere.