Ведущие специалисты Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с Дальневосточным отделением Российской академии наук (ДВО РАН), учеными Технологического университета Суинберн и Мельбурнского центра нанотехнологий представили миру уникальную разработку — высокочувствительный сенсор на черном кремнии, способный находить крайне малые концентрации токсичных нитроароматических веществ. Эта новинка открывает новые возможности для идентификации взрывчатых веществ, экологического контроля и аналитических экспертиз в медицине и криминалистике.
Черный кремний — основа новых сенсорных технологий
В центре революционной технологии — так называемый "черный" кремний, получаемый современным методом реактивного травления. Такой подход придаёт стандартным кремниевым подложкам не только необычный цвет, но и особую шипастую наноструктуру, обладающую исключительными оптическими характеристиками. Именно эта структура используется в разработке нового сенсорного элемента.
После формирования наношероховатой поверхности черный кремний покрывают монослоем карбазола — органического соединения, способного реагировать на конкретные типы молекул. Химическая функционализация подобного рода превращает сенсор в избирательный инструмент: он "узнаёт" молекулы нитроароматических соединений, в числе которых нитробензол, о-нитротолуол и 2,4-динитротолуол. При этом сенсор не восприимчив к другим органическим соединениям, например, бензолу, толуолу, спиртам, тетрахлорметану.
Значимость и сложность задачи обнаружения нитроароматических соединений
Нитроароматические вещества, часто входящие в состав промышленных взрывчаток, опасны для окружающей среды и здоровья человека. Они проникают в воду и почву с отходами лакокрасочного, растворительного, военного производства. За счет высокой токсичности их концентрация даже в микроскопических количествах представляет угрозу.
Задача обнаружения таких веществ всегда считалась крайне труднореализуемой и актуальной с практической точки зрения. Новый сенсор способен распознавать их присутствие благодаря изменению характеристик люминесценции слоя карбазола при взаимодействии с молекулами нитроароматических соединений. Как отмечает Александр Кучмижак, сотрудник Центра Научной технологической инициативы ДВФУ, благодаря использованию передовых технологий в области наноматериалов и нейротехнологий, сенсорная платформа обеспечивает высокий уровень совершенства измерительных возможностей.
Максимальная чувствительность и широкий диапазон измерений
В основе инновационной платформы лежит нанотекстурированный черный кремний, который радикально увеличивает чувствительность и расширяет динамический диапазон сенсора. Лабораторные испытания показали, что определение присутствия молекул-мишеней в различных средах занимает всего несколько минут.
Как поясняет Александр Мироненко, старший научный сотрудник Института химии ДВО РАН и один из создателей дизайна сенсора, уникальная поверхность черного кремния с разной степенью шероховатости позволяет карбазолу распределяться нерегулярно, формируя градиентные зоны чувствительности. Такой подход обеспечивает одновременно высокую селективность, быстрое срабатывание и возможность распознавания минимальных концентраций — на уровне до 10-12 г/моль.
Доступность, эффективное производство и возможности повторного использования
Одна из главных особенностей разработанного сенсорного элемента — экономичность изготовления и возможность многоразового применения. Стоимость производства остается существенно ниже, чем у зарубежных и отечественных аналогов, при этом сенсор рассчитан на многократное применение без потери точности и чувствительности.
Прибор может быть интегрирован в газоаналитические системы различного назначения: обеспечение безопасности в общественных местах, экологический мониторинг, контроль на производстве, в лабораторной и клинической практике.
Международная кооперация и вклад научных коллективов
Проект объединил усилия научных коллективов из России и Австралии: значительный вклад внесли сотрудники ДВФУ, Института химии и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, а также партнеры из Технологического университета Суинберн и Мельбурнского центра нанотехнологий.
Благодаря совместным исследованиям удалось создать платформу, обладающую перспективами не только для фундаментальной науки, но и для широкой практической реализации в самых разных сферах — от промышленной безопасности до сложных экспертных расследований.
Ожидаемые перспективы и практическое значение разработки
Введение нового сенсора на черном кремнии в оборот может коренным образом изменить подходы к контролю за опасными веществами, повысить уровень общественной безопасности и способствовать формированию новых стандартов экологического мониторинга. По мнению экспертов, высокая уникальность и адаптивность этой технологической платформы позволят в самое ближайшее время внедрять сенсорные системы как в стационарных, так и в мобильных устройствах для своевременного обнаружения нитроароматических соединений и взрывчатых веществ.
Работа демонстрирует потенциал кооперации между ведущими университетами и научными центрами России и Австралии, став заметным шагом на пути к развитию интеллектуальных материалов и инновационных решений для безопасности и охраны окружающей среды.
Источник: scientificrussia.ru
