РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Мета-нос: С точностью до молекулы

Необычные свойства метаматериалов позволят создать на их основе сверхчувствительные датчики для поиска взрывчатки.
Мета-нос: С точностью до молекулы

Метаматериалы — вещь сложная и увлекательная. Особенно широко известен тот факт, что в будущем они могут позволить нам создать настоящий плащ-невидимку, причем теоретически свойства подходящего метаматериала уже просчитаны (читайте об этом: «Теоретически, не вижу»). Однако это — дело, видимо, далекого будущего, а в более краткие сроки они станут основой химических датчиков. Эти «носы» будут в миллионы раз чувствительнее всех существующих решений, и американские военные планируют использовать их для поиска следов взрывчатых веществ.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

До сих пор по чувствительности любому искусственно созданному химическому сенсору очень далеко до возможностей носа обычной собаки. Однако разработка, которая создается в исследовательско-инженерном центре армии США AMRDEC, способна изменить эту ситуацию. Но для начала надо объяснить, что такое плазмоника.

Это — область, изучающая свойства плазмонов, квазичастиц, которые возникают при взаимодействии (при определенных условиях) фотонов излучения с подвижными электронами на поверхности металла близ границы его с диэлектриком. Электроны начинают колебаться как бы «в такт» колебаниям излучения, и на поверхности металла возникают волны электронной плотности, которые и можно рассматривать, как квазичастицы, распространяющиеся на границе раздела, как рябь на границе раздела воздуха и водной среды озера.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Причем же тут собачьи носы? А дело в том, что «супер-нос», который разрабатывается в AMRDEC, использует принципы поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS). Не вдаваясь в подробности, скажем, что, как и всякая другая спектроскопия, она позволяет определять свойства вещества и/или объекта по особенностям спектра его излучения. Но если для анализа в рамках традиционной спектроскопии требуется сравнительно мощный источник излучения, SERS отличается особой чувствительностью — тут-то ей и помогают плазмоны.

Особая микроструктура поверхности материала позволяет захватить отдельные фотоны и создать из них плазмоны, которые (опять же, из-за особенностей микроструктуры) многократно отражаются от поверхностей металла, постоянно и мощно усиливаясь. При подходящих условиях такая технология оказывается в сотни миллионов раз более чувствительной, чем традиционный подход.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В принципе, SERS может позволить создать даже детектор, который обнаружит даже одну-единственную молекулу. Тут мы, впрочем, тоже не обгоним природу: уже установлено, что, к примеру, самец тутового шелкопряда способен уловить отдельные молекулы особого феромона, испускаемого самкой.

Стоит сказать, что детекторы, работающие на базе SERS, уже существуют. Однако технология эта находится лишь на первых шагах развития, и даже физические принципы, лежащие в основе этого явления, остаются не до конца выясненными. И в AMRDEC намерены перевести подобные инструменты на качественно новый уровень, предварительно просчитав оптимальную конфигурацию микроструктуры металла, определив самую эффективную форму и создав ее с помощью мощных потоков разогнанных ионов, пробивающих тонкую металлическую фольгу. Должно получиться примерно так, как на иллюстрации слева.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Такие детекторы смогут обнаруживать взрывчатые вещества, химическое и бактериологическое оружие, не хуже собаки. Но, в отличие от собаки, они далеко не столь капризны и сложны в использовании, а главное — способны определить, что именно за вещество обнаруживается. Возможно, детекторы найдут применение и при досмотрах, ставших повсеместной и неприятной процедурой в аэропортах, позволят находить наркотики и другие запрещенные вещества.

Впрочем, пока что детекторы в AMRDEC лишь начинают разрабатываться: ученые заняты поиском оптимальной микроструктуры ключевой части «мета-носа», их металлической поверхности.

Загрузка статьи...