Группа ученых из США использовала методику поверхностно-инициированной полимеризации для формирования полимерного покрытия на нанокантиливере химического сенсора. Методика позволила преодолеть ограничения традиционных подходов к формированию покрытия, работающих по принципу «от большого к малому», одновременно повысив чувствительность датчика. Кроме того, предложенная техника позволяет адаптировать физические и химические свойства наносимых полимерных пленок к конкретным задачам зондирования.

Нанокантиливеры (или крошечные «трамплины», вибрирующие на определенной резонансной частоте) могут использоваться для обнаружения различных биологических и химических молекул, в том числе, паров химических соединений. Когда молекула некоторого химического соединения адсорбируется на поверхности нанокантиливера, она изменяет частоту его вибрации.

Наблюдение этого изменения, к примеру, при помощи лазерного луча, отраженного от конструкции, позволяет рассчитать массу частицы. При этом, чем меньше такое устройство, тем выше его чувствительность. На данный момент ученые научились обнаруживать даже сравнительно легкие молекулы, вес которых порядка аттограмм (10^-18 грамма), если исследование идет при комнатной температуре и атмосферном давлении, или порядка цептограмм (10^-21 грамм), если исследование ведется в вакууме.

Рис. 1. СТМ-изображения нанокантиливеров,
покрытых тонкой и толстой полимерной пленками.

Покрытие нанокантиливера полимерной пленкой – это один из способов повышения чувствительности подобных устройств.

Кроме того, полимер открывает пути для функционализации датчиков (дает возможность обнаруживать специфические молекулы в паре, благодаря различным химическим взаимодействиям между полимером и искомой молекулой).

Использовавшиеся до сих пор методики покрытия нанокантиливеров полимерными пленками подразумевали движение «от большого к малому», т.е. нанесение под давлением уже сформированных структур толщиной около 2 – 10 нм. Хотя методика оказалась достаточно эффективной, покрытия такой толщины значительно ограничивают перечень типов молекул, которые подобные датчики могут фиксировать. Существуют и другие техники покрытия (также построенные по идеологии «от большого к малому»), использующие в основе методы, аналогичные струйной печати, или микрокапиллярное нанесение. К сожалению, эти методики не позволяют создать однородное покрытие даже на маленьких датчиках. А на больших датчиках методики еще чаще дают сбой.

Для преодоления этих ограничений группа ученых из California Institute of Technology (США) применила для формирования равномерного полимерного покрытия на нанокантиливере из нитрида кремния с золотым напылением технику, известную как «поверхностно-инициализированная полимеризация». Иными словами,

исследователи вырастили покрытие непосредственно на нанокантиливере, действуя в два этапа. Сначала они химически закрепляли на поверхности малые молекулы инициатора полимеризации, содержащие триольную группу. Далее кантиливер помещался в раствор, содержащий мономеры и катализатор полимеризации. Рост полимерного слоя (а точнее его толщину) при этом можно было легко контролировать, устанавливая требуемое время полимеризации.

Описанная методика позволяет создавать на поверхности нанокантиливера полимерные пленки толщиной до 100 нм (что в 10 раз больше, нежели было доступно до сих пор). При этом датчики, покрытые более толстыми слоями полимера, способны обнаруживать как более низкие, так и более высокие концентрации молекул (по сравнению с датчиками, покрытыми тонкими пленками).

Кроме того,

предложенный учеными процесс с точки зрения воспроизводства в лаборатории более надежен, нежели использовавшиеся ранее способы нанесения полимеров.

Исследователи проверили качество созданных нанокантиливеров на семи типах органических паров (гексане, толуоле, гептане, этилацетате, хлороформе, тетрагидрофуране и изопропаноле). Но разработанные датчики могут использоваться для обнаружения более широкого спектра молекул, в том числе, опасных веществ нервнопаралитического действия.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.