Создан датчик, способный определить присутствие единственной молекулы вещества.
Наноглаз: Не упустит ни молекулы

Группа ученых из Манчестерского университета (Великобритания) изготовила детектор на основе метаматериала, способный зарегистрировать присутствие порядка 10−15 грамм вещества на квадратный миллиметр поверхности.

В основу методики детектирования был положен поверхностный плазмонный резонанс. Плазмоны — это квазичастицы, которые возникают в проводниках за счет колебаний электронов проводимости относительно кристаллической решетки. Частота этих колебаний является ключевой для описания оптических свойств металлов. Если частота падающей электромагнитной волны ниже плазмонной частоты, то колебания электронов в металле экранируют электрическое поле волны, и она отражается. За частотами выше плазмонной электроны в металле «не успевают», поэтому падающая электромагнитная волна с такой частотой проходит насквозь.

При взаимодействии падающей электромагнитной волны с тонкими металлическими пленками фотоны взаимодействуют со свободными электронами на поверхности металла. Часть фотонов передает свою энергию поверхностным плазмонам, что приводит к уменьшению интенсивности отраженного света. Если соответствующий компонент (параллельный поверхности пленки) импульса фотона оказывается в точности равен импульсу поверхностного плазмона, возникает поверхностный плазмонный резонанс, и интенсивность отраженного света резко уменьшается. А поскольку импульс плазмона зависит от строения поверхности пленки, в частности, от наличия там различных молекул, это дает возможность использовать этот метод в качестве детектора. Такие устройства применяются для обнаружения биомолекул.

Исследователи из Манчестера пошли дальше — они создали специальный метаматериал, используя стеклянную пластину с нанесенными на ее поверхность наноточками из золота, которые затем покрывались гидрированным графеном. Такой метаматериал при облучении фотонами определнной частоты демонстрирует поверхностный плазмонный резонанс таким образом, что можно достичь полного отсутствия отражения. Свой материал ученые назвали «топологически темным», или «материалом с топологически защищенным нулевым отражением». Оптические свойства этого метаматериала очень чувствительны к наличию молекул на его поверхности — даже единичных. Изменяя количество водорода на поверхности графена, ученым удалось измерить чувствительность детектора — он оказался способным обнаруживать порядка 10−15 грамм вещества, что примерно аналогично наличию одного вируса среднего размера.

Чтобы показать применимость методики не только для обнаружения атомов водорода, но и для более практических целей, авторы работы заменили графен на карбоксилат, к которому были прикреплены молекулы биотина (известный также как витамин B7 и имеющий особо сильное сродство к бактериальному белку стрептавидину). Это позволило обнаружить от 1 до 4 молекул стрептавидина на одну золотую наноточку.

По сообщению ArsTechnica