Forskere skaber resonator med nanoskalafunktioner til at opdage farlige kemikalier i miljøet

Inspireret af insekternes anatomi, et tværfagligt forskerhold ved University of Alberta har fundet frem til en ny måde at hurtigt og præcist opdage farlige luftbårne kemikalier.

Arbejdet startede med Arindam Phani, en kandidatstuderende i U i A's Institut for Kemi- og Materialeteknik, der observerede, at de fleste insekter har små hår på deres kropsoverflader, og det er ikke klart, hvad hårene er til. Forsøger at forstå, hvad disse hår kan være i stand til, Phani designede eksperimenter, der involverede en "skov" af små hår på en tynd vibrerende krystalchip, under vejledning af sin akademiske rådgiver Thomas Thundat, Canada Research Chair i Oil Sands Molecular Engineering. De to gik sammen med Vakhtang Putkaradze, Centennial Professor i University of Alberta's Institut for Matematiske og Statistiske Videnskaber.

Eksperimenterne og den efterfølgende teoretiske forklaring dannede kernen i en ny undersøgelse offentliggjort i 6. september-udgaven af Videnskabelige rapporter , en online, open access journal fra forlagene til Natur .

"Vi ønskede at gøre noget, som ingen andre gør, " siger Putkaradze, en matematiker, der også er en kendt ekspert inden for mekanik. "Når du bruger resonatorer som sensorer, de fleste mennesker ønsker at slippe af med dissipation eller friktion, fordi det anses for meget uønsket, det har en tendens til at sløre, hvad du prøver at måle. Vi har taget den uønskede ting og gjort den nyttig."

"Sansning af kemikalier uden kemiske receptorer har været en udfordring under normale forhold, " siger Thundat, en verdensførende ekspert inden for sansning. "Vi indså, at der er et væld af oplysninger indeholdt i friktionstabet af en mekanisk resonator i bevægelse og er mere udtalt på nanoskalaen."

Ideen er, at enhver genstand, der bevæger sig hurtigt gennem luften, kan undersøge det omgivende miljøs egenskaber. Forestil dig at have en tryllestav i hånden og flytte den frem og tilbage, og – selv med lukkede øjne – kan du mærke, om tryllestaven bevæger sig gennem luften, vand, eller honning, bare ved at mærke modstanden. Nu, Forestil dig denne tryllestav med milliarder af små hår på, bevæger sig frem og tilbage flere millioner gange i sekundet, og forestil dig sansemulighederne.

"Med nanostrukturerne, vi kan mærke små ændringer i luften omkring resonatoren, "siger Putkaradze." Denne følsomhed gør enheden nyttig til at detektere en lang række kemikalier. "

Phani, hvem er den første forfatter på publikationen, mener, at "lignende mekanismer, der involverer bevægelser af nano-hår, kan bruges til sansning af levende organismer." Fordi friktionen ændrer sig dramatisk med små ændringer i miljøet og er nem at måle, det kan være muligt i sidste ende at producere en gadget af en størrelse, der ligner eller er lidt større end en Rubiks terning og designet til at tilsluttes en væg.

På nuværende tidspunkt koncernens enhed er primært gearet til at føle kemiske dampe i luften.

"Vi tænker, at denne enhed kan fungere som et mindre og billigere spektrometer, måling af kemikalier i dele-per-million-området, " siger Putkaradze.

Putkaradze forklarer, at bortset fra størrelse og rimelige omkostninger, Det, der adskiller enheden fra større og dyrere udstyr, er dens alsidighed. "Fordi vores sensor ikke er rettet til at detektere noget specifikt kemikalie, den kan fortolke en bred vifte, og det kræver ikke, at vi rent faktisk knytter molekylerne til noget for at skabe en mekanisk reaktion, hvilket betyder, at det også kan genbruges."

Holdet tilføjer, at den mest umiddelbare og oplagte brug vil være til overvågning af miljømæssig luftkvalitet. siger Putkaradze, "Vi vil gerne arbejde med applikationer som retshåndhævelse og videnskabelige laboratorier, men den mest oplagte anvendelse er til miljøobservation af kemisk luftforurening i byer og ressourceindustrien."

Fremtidige iterationer er rettet mod at detektere partikler - som støv - såvel som antallet af vira i luften, uvurderlig for folkesundheden.