Специалисты Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ нашли новое применение кремниевым наноконструкторам, предложив новый селективный метод для качественного и количественного анализа газов и жидкостей. Сенсор, созданный учеными, позволяет определять содержание важных для биологии и медицины веществ при их удельной доле менее чем один на миллион.
Устройство, являющееся опытным образцом сенсора, представляет собой крошечную квадратную пластинку размером семь на семь миллиметров, сделанную из большого количества кремниевых нанонитей с электрическими контактами из золота.
Кремниевые нити в нем являются параллельно подключенными резисторами, на сопротивление которых влияет состав окружающей среды. Благодаря их высокой чувствительности специалисты могут легко определять количество содержания кислот и щелочей в жидкости или использовать их, помещая сенсор над поверхностью биологической пробы, для анализа пара. Также датчик может быть использован для оценки качества воздуха и в медицине – например, позволяет зафиксировать сбои организма на ранней стадии заболевания.
«В нашем устройстве используются кремниевые нити длиной 10 микрометров, что намного тоньше толщины человеческого волоса, и диаметром порядка 150 нанометров. Благодаря очень высокому соотношению длины к поперечному сечению нити обладают большой площадью поверхности при крайне небольшом объеме. Как следствие, свойства нанонитей кремния сильно зависят от окружающей среды, различных молекул, которые адсорбируются на поверхность нитей», – пояснил Валерий Кондратьев, младший научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ.
На данный момент ученые разработали три типа сенсоров: на основе кремниевых нанонитей, на основе нанонитей, обработанных плавиковой кислотой, и нанонитей с наночастицами серебра. Обработка плавиковой кислотой стимулирует поверхностное окисление, обеспечивая более высокую плотность мест адсорбции, и оказывается перспективной для обнаружения содержания исследуемых химических составляющих.
«Сейчас кремний не находит достойного своим качествам применения в области сенсорики, и мы решили это исправить. Мы рассмотрели его в геометрии нанокристаллов, обладающих развитой поверхностью, на которой осаждаются различные химические соединения. Химически модифицируя поверхность кристаллов, мы эту абсорбцию способны контролировать. Кроме того, мы в своей работе продемонстрировали новый подход к анализу электронных свойств различных структур, специфическим образом интерпретируя данные спектроскопии электрического импеданса, открыв, таким образом, новый метод исследования. Так мы расширяем сферы применения кремния, что позволит значительно удешевить сенсоры нового поколения», – рассказал о работе заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ Алексей Большаков.
Результаты исследования, выполненные при поддержке Министерства науки и высшего образования России, были опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.
Источник: пресс-служба МФТИ
распечатать статью
