Ny sensor udnytter traditionel svaghed ved nano -enheder

Ved at udnytte et fænomen, der indtil nu har været et virtuelt showstopper for elektronikdesignere, et team ledet af Oak Ridge National Laboratory's Panos Datskos udvikler en kemisk og biologisk sensor med en hidtil uset følsomhed.

Ultimativt, forskere mener, at denne nye "sniffer" vil opnå et detektionsniveau, der nærmer sig den teoretiske grænse, overgår andre avancerede kemiske sensorer. Konsekvenserne kan være betydelige for alle, hvis job er at opdage sprængstoffer, biologiske stoffer og narkotika.

"Mens forskningssamfundet har undgået den ikke -linearitet, der er forbundet med de nanoskala mekaniske oscillatorer, vi omfavner det, " sagde medudvikler Nickolay Lavrik, medlem af Department of Energy labs Center for Nanophase Materials Sciences Division. "Til sidst, vi håber at have en enhed, der er i stand til at detektere utroligt små mængder sprængstof sammenlignet med nutidens kemiske sensorer."

Enheden består af et digitalkamera, en laser, billedoptik, en signalgenerator, digital signalbehandling og andre komponenter, der samlet set meget som en hunds næse, kan registrere små mængder stoffer i luften.

Det underliggende koncept er baseret på mikroskala-resonatorer, der ligner mikrocantilevere, der bruges i atomkraftmikroskopi, som for nylig er blevet udforsket som masse- og kraftfølende anordninger. Selvom grundprincippet er enkelt - måling af ændringer i resonansfrekvensen på grund af masseændringer - har en række forhindringer forhindret udbredte anvendelser af sådanne systemer.

"Disse udfordringer skyldes krav til måling og analyse af små oscillationsamplituder, der er omtrent på størrelse med et brintatom, " sagde Lavrik. Sådanne traditionelle tilgange kræver sofistikerede støjsvage elektroniske komponenter såsom låste forstærkere og faselåste sløjfer, som tilføjer omkostninger og kompleksitet.

I stedet, denne nye type sniffer virker ved bevidst at ramme mikrocantileverne med relativt store mængder energi forbundet med en række frekvenser, tvinger dem til stor svingning, eller bevægelse. Lavrik sammenlignede reaktionen med et vippebræts bevægelse efter en svømmers dyk.

"I fortiden, folk ønskede at undgå denne høje amplitude på grund af den høje forvrængning forbundet med den type respons, sagde Datskos, medlem af afdelingen Measurement Science and Systems Engineering. "Men nu kan vi udnytte det svar ved at indstille systemet til en meget specifik frekvens, der er forbundet med det specifikke kemikalie eller den forbindelse, vi ønsker at opdage."

Når målkemikaliet reagerer med mikrocantileveren, det skifter frekvensen afhængigt af vægten af ​​forbindelsen, derved tilvejebringe detekteringen.

"Med denne nye tilgang, når mikrocantilen holder op med at svinge, ved vi med stor sikkerhed, at målkemikaliet eller forbindelsen er til stede, "Sagde Lavrik.

Forskerne forestiller sig, at denne teknologi bliver inkorporeret i et håndholdt instrument, der kan bruges af transportsikkerhedsscreenere, retshåndhævende embedsmænd og militæret. Andre potentielle anvendelser er inden for biomedicin, Miljøvidenskab, homeland security og analytisk kemi.

Med tilstrækkelige finansieringsniveauer, Datskos forestiller sig en prototype, der udvikles inden for seks til 18 måneder.