Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
  •    

С помощью черного кремния смогут найти взрывчатку

Ученые Дальневосточного федерального университета совместно с коллегами из Дальневосточного отделения Российской академии наук, Технологического университета Суинбурн и Мельбурнского центра нанотехнологий разработали сверхчувствительный сенсорный элемент на основе черного кремния, который улавливает мельчайшие следы высокотоксичных нитроароматических веществ. С его помощью можно определять наличие молекул взрывчатки, вести мониторинг экологической загрязнённости, проводить медицинские и криминалистические экспертизы. 

Основой разработанного сенсора стал так называемый «черный» кремний, который получают высокопроизводительным методом реактивного травления стандартных коммерческих кремниевых подложек. Такой кремний приобретает шипастую наноструктурированную поверхность с уникальными оптическими свойствами. Далее его покрывают слоем карбазола толщиной в одну молекулу. Ученые называют подобные процессы химической функционализацией, т.к. молекулы из присоединенного слоя имеют определенное свойство. В данном случае они реагируют на молекулы нитроароматических соединений. Слой карбазола обеспечивает чувствительность сенсора к таким распространенным нитроароматическим веществам как нитробензол, о-нитротолуол и 2.4-динитротолуол. В то же время, сенсор не реагирует на присутствие молекул других веществ: бензола, толуола, тетрахлорметана, метанола, этанола, и т.д.

«Нитроароматические соединения входят в число наиболее опасных для окружающей среды, куда они попадают через сточные воды производств лаков, красок, растворителей, военных производств. Они содержатся во многих взрывчатых смесях. Обнаруживать нитроароматические соединения в сверхмалых концентрациях крайне трудная и важная практическая задача. Наша сенсорная платформа идентифицирует их наличие через регистрацию изменений спектра люминесценции функционального слоя карбазола, избирательно реагирующего на присутствие молекул нитроароматических соединений», - рассказал участник научного коллектива Александр Кучмижак, научный сотрудник Центра НТИ ДВФУ по VR и AR. Ученый объяснил, что нанотекстурированный черный кремний используется в качестве основы сенсора, обеспечивает ему высокую чувствительность и беспрецедентный динамический диапазон измерений. В лабораторных условиях это позволяет в течение всего нескольких минут получить информацию о наличии токсичных молекул в жидкостях и газах.

«Уникальные морфологические и оптические свойства черного кремния в сочетании с эффективными и детально продуманными методами химической функционализации его поверхности молекулами карбазола помогли достичь беспрецедентной чувствительности нашей сенсорной платформы. Она может регистрировать нитроароматические вещества в концентрации 10-12 г/моль. Широчайший динамический диапазон измерения достигается за счет уникальной шипастой морфологии черного кремния. Она обеспечивает неравномерную градиентную концентрацию молекул карбазола по поверхности чувствительного элемента, что обеспечивает различные диапазоны чувствительности сенсора», - рассказал автор дизайна сенсора Александр Мироненко, старший научный сотрудник Института химии ДВО РАН.

Как сообщают ученые, стоимость изготовления предложенной сенсорной платформы не высока в сравнении с существующими аналогами. Кроме того, сенсорный элемент предполагает многоразовое использование. Применять его можно в системах газовых датчиков, которые помогают обеспечивать общественную и экологическую безопасность.

В работе приняли участие исследователи Дальневосточного федерального университета, Института химии и Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук, Технологического университета Суинбурн и Мельбурнского центра нанотехнологий. Статья о разработке опубликована в ACS Sensors.

Дата публикации: 26.11.2019 15:02
Дата последнего изменения: 26.11.2019 15:02