Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами из Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН), 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. Статья об этом опубликована в ACS Sensors, передает ДВ – РОСС со ссылкой на пресс-службу департамента внешних коммуникаций ДВФУ.

Основой разработанного сенсора стал так называемый «черный» кремний, который получают высокопроизводительным методом реактивного травления стандартных коммерческих кремниевых подложек. По словам ученых, такой кремний приобретает шипастую наноструктурированную поверхность с уникальными оптическими свойствами. Далее его покрывают слоем карбазола толщиной в одну молекулу. Подобные процессы называются 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 Научной технологической инициативы (НТИ) ДВФУ по нейротехнологиям, технологиям виртуальной и дополненной реальности.

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», — объяснил автор дизайна сенсора, старший научный сотрудник Института химии ДВО РАН Александр Мироненко.

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.
_____________
Исследование проведено при грантовой поддержке Российского научного фонда (18-79-10091).