Sfruttando un fenomeno che fino ad ora è stato uno spettacolo virtuale per i progettisti di elettronica, un team guidato da Panos Datskos dell'Oak Ridge National Laboratory sta sviluppando un sensore chimico e biologico con una sensibilità senza precedenti.

In definitiva, i ricercatori ritengono che questo nuovo "sniffer" raggiungerà un livello di rilevamento che si avvicina al limite teorico, superando altri sensori chimici all'avanguardia. Le implicazioni potrebbero essere significative per chiunque abbia il compito di rilevare esplosivi, agenti biologici e stupefacenti.

"Mentre la comunità di ricerca ha evitato la non linearità associata agli oscillatori meccanici su nanoscala, lo stiamo abbracciando, ", ha affermato il co-sviluppatore Nickolay Lavrik, un membro del Centro per la divisione di scienze dei materiali del Dipartimento dell'energia del laboratorio. "Alla fine, speriamo di avere un dispositivo in grado di rilevare quantità incredibilmente piccole di esplosivi rispetto ai sensori chimici di oggi".

Il dispositivo è costituito da una fotocamera digitale, un laser, ottica di imaging, un generatore di segnale, elaborazione del segnale digitale e altri componenti che, collettivamente, proprio come il naso di un cane, può rilevare piccole quantità di sostanze nell'aria.

Il concetto alla base si basa su risonatori a microscala simili ai microcantilever utilizzati nella microscopia a forza atomica, che è stato recentemente esplorato come dispositivi di rilevamento della massa e della forza. Sebbene il principio di base sia semplice - misurare i cambiamenti nella frequenza di risonanza dovuti a cambiamenti di massa - una serie di ostacoli ha impedito l'applicazione diffusa di tali sistemi.

"Queste sfide sono dovute ai requisiti di misurazione e analisi di piccole ampiezze di oscillazione che sono circa le dimensioni di un atomo di idrogeno, " ha affermato Lavrik. Tali approcci tradizionali richiedono componenti elettronici sofisticati a basso rumore come amplificatori lock-in e loop ad aggancio di fase, che aggiungono costi e complessità.

Anziché, questo nuovo tipo di sniffer funziona colpendo deliberatamente i microcantilever con quantità di energia relativamente grandi associate a una gamma di frequenze, costringendoli ad un'ampia oscillazione, o movimento. Lavrik ha paragonato la risposta al movimento di un trampolino dopo che un nuotatore si tuffa.

"Nel passato, le persone volevano evitare questa ampiezza elevata a causa dell'elevata distorsione associata a quel tipo di risposta, " disse Datskos, un membro della Divisione Scienze della Misura e Ingegneria dei Sistemi. "Ma ora possiamo sfruttare quella risposta sintonizzando il sistema su una frequenza molto specifica associata alla specifica sostanza chimica o al composto che vogliamo rilevare".

Quando la sostanza chimica bersaglio reagisce con il microcantilever, sposta la frequenza a seconda del peso del composto, fornendo così il rilevamento.

"Con questo nuovo approccio, quando il microcantilever smette di oscillare sappiamo con grande certezza che la sostanza chimica o il composto bersaglio è presente, " ha detto Lavrik.

I ricercatori prevedono che questa tecnologia venga incorporata in uno strumento portatile che potrebbe essere utilizzato dagli addetti alla sicurezza dei trasporti, funzionari delle forze dell'ordine e militari. Altre potenziali applicazioni sono in biomedicina, scienza ambientale, sicurezza interna e chimica analitica.

Con adeguati livelli di finanziamento, Datskos prevede di sviluppare un prototipo entro 6-18 mesi.