Forskere opdager supersensor til de mindste skalaer

Et hold, der omfattede forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, brugte en ny drejning på en gammel metode til at detektere materialer i nogle af de mindste mængder, der endnu er registreret.

Resultaterne kan føre til forbedringer i sikkerhedsteknologi og hjælpe udviklingen af ​​kvantesensorer.

Undersøgelsen, offentliggjort i Nano Letters , brugte Seebeck-effekten, et termoelektrisk fænomen opdaget for to århundreder siden, til at identificere varme- og lyssignaturerne af molekyler målt af attogrammet - en kvintilliontedel af et gram eller 10 ¹⁸ gange lettere end en dollarseddel. Den tungeste mængde vejede omkring 52 attogram, og den letteste omkring 40 attogram.

"Det er i bund og grund første gang, at nogen har rapporteret en påvisning af det spektroskopiske signal på disse niveauer for det lille materiale under almindelige forhold," sagde Ali Passian, en ORNL-forsker og medforfatter af undersøgelsen.

"Teknikken i sig selv er ikke ny. Men at udforske sansningens fysik og stille det rigtige spørgsmål er nøglen. Denne opdagelse kan bane vejen for udbredt udbredelse af billige, pålidelige og nøjagtige sensorer til en bred vifte af anvendelser."

Passian samarbejdede om undersøgelsen med andre videnskabsmænd Yaoli Zhao, Patatri Chakraborty og Thomas Thundat, alle fra University of Buffalo.

Seebeck-effekten, opkaldt efter den tyske fysiker Thomas Seebeck, beskriver den spænding, der er resultatet af en temperaturforskel i et kredsløb, der består af to forskellige elektriske ledere, såsom to ledninger lavet af forskellige metaller, når de udsættes for varme.

Forskerholdet stolede på en silikone mikrocantilever-sonde, der ligner en mikroskopisk version af nålen på en gammeldags pladespiller, der udnyttede Seebeck-effekten ved at skabe et sådant kredsløb og bruge infrarødt lys fra en laser til at stimulere materialernes molekyler under undersøgelse og skabe varme.

Ved at bringe sonden i kontakt med små mængder af materialet arbejdede holdet baglæns fra de spektroskopiske signaler og ændringer i temperaturforskellen for nøjagtigt at identificere og beregne mængderne af det tilstedeværende materiale:trinitrotoluen, bedre kendt som det eksplosive TNT, og dimethylmethylphosphonat , en forbindelse, der bruges i flammehæmmere og kemiske våben.

"Det er et meget simpelt system, der fungerer overraskende godt," sagde Passian. "Sonden har en skarp spids, som vi bringer tæt på overfladen og derefter skinner det infrarøde lys på den. Vi genererede kun en lille mængde varme, og denne sonde var i stand til at læse den. Vi var ret spændte på at opdage, at vi kunne opdage så lidt materiale så pålideligt på sådan en ikke-invasiv måde."

Sonden er blevet brugt til billeddannelse på nanoskalaniveau - omkring ni størrelsesordener større end et attogram - men Passian og holdet var de første til at bruge metoden til spektroskopi i så lille en skala.

"Tænk på en lille mønt," sagde Passian. "Skrump nu den mønt med en million gange eller deromkring. Det kan sammenlignes med størrelsen af ​​sonden. Vi brugte sonden på en ny måde - til at måle varme og lys i stedet for at tage et billede - og det viste sig at være endnu mere nyttigt end vi forventede. Jeg er sikker på, at vi kan skubbe detektionsgrænserne endnu længere."

Sondens følsomhed og relativt lave omkostninger - tusindvis kunne fremstilles for et par hundrede dollars - åbner muligheder for en bred vifte af applikationer.

"Alle vil have sensorer, der er billige, små, hurtige og nemme - men også meget nøjagtige," sagde Passian. "Dette system opfylder alle de kriterier. Fordi det er så lille, kræver det ikke en masse omfangsrigt maskineri, og vi kunne montere hundredvis eller tusindvis af disse sonder på en enkelt overflade. Det gør systemet ideelt til kompakte rum, som f.eks. sikkerhedskontrolpunkter i lufthavne eller underjordiske applikationer såsom minedrift."

Holdet planlægger at teste sonden for at opdage endnu mindre mængder. Resultater kunne understøtte bygningen af ​​kvantesensorer, som ville bruge kvantefysikkens love til sansning på niveau med individuelle atomer.

"På et tidspunkt vil mængden af ​​materiale være for lille selv for denne sensor," sagde Passian. "Så vil næste trin være kvantemålinger. Vi håber, at denne teknik kan hjælpe os derhen."

Flere oplysninger: Yaoli Zhao et al., Ultrasensitive Photothermal Spectroscopy:Harnessing the Seebeck Effect for Attogram-Level Detection, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01710

Leveret af Oak Ridge National Laboratory