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.

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).

Пресс-служба ДВФУ