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.
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.
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.
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.
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.
По публикации Danger Room
