Ученые из России и Австралии создали сверхчувствительный сенсор на основе черного кремния, который улавливает мельчайшие следы токсичных нитроароматических веществ. Он позволяет определять наличие молекул взрывчатки, вести мониторинг экологической обстановки, проводить медицинские и криминалистические экспертизы.

Статья исследователей опубликована в журнале ACS Sensors.

Основой нового сенсора стал так называемый «черный» кремний — материал, получаемый методом реактивного травления стандартных кремниевых подложек. Изготовленный по такой технологии кремний приобретает поверхность с наношипами, вследствие чего у него проявляются уникальные оптические свойства. Далее материал покрывают слоем карбазола толщиной в одну молекулу.

Карбазол в такой структуре выполняет роль сенсора. Он реагирует на молекулы нитроароматических соединений, таких 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.

Aleksandr Yu Mironenko et al/ACS Sensors.

«Нитроароматические соединения — одни из наиболее опасных веществ для окружающей среды. Они могут попасть туда через сточные воды лакокрасочных заводов, производств растворителей и так далее. Нитроароматика содержится и во многих взрывчатых смесях. Обнаруживать такие вещества в сверхмалых концентрациях крайне трудно. Но наша сенсорная платформа справилась с этим очень хорошо. Карбазол реагирует на присутствие нитроароматических соединений и меняет свой спектр люминесценции», — рассказал один из авторов работы, научный сотрудник Центра НТИ ДВФУ по VR и AR Александр Кучмижак.

Использованный в работе черный кремний применялся в качестве основы сенсора, что обеспечило 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 Александр Мироненко, старший научный сотрудник Института химии ДВО РАН.

Как сообщают ученые, стоимость изготовления предложенной сенсорной платформы невысока по сравнению с аналогами. Кроме того, разработка российских ученых предполагает многоразовое использование. Применять ее можно в системах газовых датчиков, которые помогают обеспечивать общественную и экологическую безопасность.

В работе приняли участие исследователи Дальневосточного федерального университета, Института химии ДВО РАН, Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, Технологического университета Суинбурн и Мельбурнского центра нанотехнологий