Nuova tecnologia in fase di sviluppo presso l'Università della California, Berkeley, potrebbe presto dare ai cani anti-bomba una seria competizione.

Un team di ricercatori guidato da Xiang Zhang, UC Berkeley professore di ingegneria meccanica, ha trovato un modo per aumentare drasticamente la sensibilità di un sensore plasmonico basato sulla luce per rilevare concentrazioni incredibilmente piccole di esplosivi. Hanno notato che potrebbe essere potenzialmente utilizzato per fiutare un esplosivo difficile da individuare popolare tra i terroristi.

I loro risultati saranno pubblicati domenica, 20 luglio nella pubblicazione online avanzata della rivista Nanotecnologia della natura .

Hanno messo alla prova il sensore con vari esplosivi – 2, 4-dinitrotoluene (DNT), nitrato di ammonio e nitrobenzene - e ha scoperto che il dispositivo ha rilevato con successo le sostanze chimiche presenti nell'aria a concentrazioni di 0,67 parti per miliardo, 0,4 parti per miliardo e 7,2 parti per milione, rispettivamente. Una parte per miliardo sarebbe come un filo d'erba su un campo di calcio.

I ricercatori hanno notato che questo è molto più sensibile rispetto ai risultati pubblicati fino ad oggi per altri sensori ottici.

"I sensori ottici di esplosivo sono molto sensibili e compatti, "disse Zhang, che è anche direttore della Materials Science Division presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e direttore del National Science Foundation Nanoscale Science and Engineering Center presso l'UC Berkeley. "La capacità di ingrandire una traccia così piccola di un esplosivo per creare un segnale rilevabile è un importante sviluppo nella tecnologia dei sensori plasmonici, che è uno degli strumenti più potenti che abbiamo oggi."

Il nuovo sensore potrebbe avere molti vantaggi rispetto agli attuali metodi di screening delle bombe.

"I cani anti-bomba sono costosi da addestrare e possono stancarsi, ", ha affermato il co-autore principale dello studio Ren-Min Ma, un assistente professore di fisica all'Università di Pechino che ha svolto questo lavoro quando era un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zhang. "L'altra cosa che vediamo negli aeroporti è l'uso di tamponi per controllare i residui di esplosivo, ma quelli hanno una sensibilità relativamente bassa e richiedono un contatto fisico. La nostra tecnologia potrebbe portare a un chip di rilevamento delle bombe per un dispositivo portatile in grado di rilevare le minuscole tracce di vapore nell'aria delle piccole molecole dell'esplosivo".

Il sensore potrebbe anche essere sviluppato in un allarme per mine antiuomo inesplose che sarebbero altrimenti difficili da rilevare, hanno detto i ricercatori. Secondo le Nazioni Unite, le mine antiuomo uccidono 15, 000 a 20, 000 persone ogni anno. La maggior parte delle vittime sono bambini, donne e anziani.

Instabile e affamato di elettroni

Il sensore plasmonico su scala nanometrica utilizzato negli esperimenti di laboratorio è molto più piccolo di altri rilevatori di esplosivi sul mercato. È costituito da uno strato di solfuro di cadmio, un semiconduttore, posto sopra un foglio d'argento con uno strato di fluoruro di magnesio nel mezzo.

Nella progettazione del dispositivo, i ricercatori hanno sfruttato la composizione chimica di molti esplosivi, in particolare nitro-composti come il DNT e il suo parente più noto, TNT. Non solo i gruppi nitro instabili rendono le sostanze chimiche più esplosive, sono anche caratteristicamente carenti di elettroni, hanno detto i ricercatori. Questa qualità aumenta l'interazione delle molecole con i difetti superficiali naturali del semiconduttore. Il dispositivo funziona rilevando l'aumento dell'intensità del segnale luminoso che si verifica a seguito di questa interazione.

Uso potenziale per rilevare esplosivi difficili da rilevare

"Pensiamo che una maggiore carenza di elettroni negli esplosivi porti a una maggiore interazione con il sensore a semiconduttore, ", ha affermato il co-autore dello studio Sadao Ota, un ex dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Zhang che ora è assistente professore di chimica all'Università di Tokyo.

A causa di ciò, i ricercatori sperano che il loro sensore laser plasmonico possa rilevare il pentaeritritolo tetranitrato, o PETN, un composto esplosivo considerato uno dei preferiti dai terroristi. Piccole quantità di esso danno un pugno potente, e poiché è di plastica, sfugge alle macchine a raggi X quando non è collegato ai detonatori. È l'esplosivo trovato nella bomba per scarpe di Richard Reid nel 2001 e nella bomba per biancheria intima di Umar Farouk Abdulmtallab nel 2009.

Il procuratore generale degli Stati Uniti Eric Holder Jr. è stato recentemente citato nei notiziari come avente "estremo, estrema preoccupazione" per i produttori di bombe yemeniti che uniscono le forze con i militanti siriani per sviluppare queste bombe difficili da individuare, che può essere nascosto nei telefoni cellulari e nei dispositivi mobili.

"Il PETN ha più gruppi nitrofunzionali ed è più carente di elettroni rispetto al DNT che abbiamo rilevato nei nostri esperimenti, quindi la sensibilità del nostro dispositivo dovrebbe essere ancora più alta rispetto a DNT, " disse Ma.

Sensori plasmonici di ultima generazione

Il sensore rappresenta l'ultima pietra miliare nella tecnologia dei sensori plasmonici di superficie, che è ora utilizzato in campo medico per rilevare i biomarcatori nelle prime fasi della malattia.

La capacità di aumentare la sensibilità dei sensori ottici era tradizionalmente limitata dal limite di diffrazione, una limitazione nella fisica fondamentale che impone un compromesso tra quanto tempo e quanto piccola luce può essere intrappolata. Accoppiando le onde elettromagnetiche con i plasmoni di superficie, gli elettroni oscillanti che si trovano sulla superficie dei metalli, i ricercatori sono stati in grado di spremere la luce in spazi nanometrici, ma sostenere l'energia confinata era impegnativo perché la luce tende a dissiparsi sulla superficie di un metallo.

Il nuovo dispositivo si basa su un precedente lavoro sui laser plasmonici del laboratorio di Zhang che ha compensato questa perdita di luce utilizzando riflettori per far rimbalzare i plasmoni di superficie avanti e indietro all'interno del sensore - in modo simile al modo in cui le onde sonore vengono riflesse attraverso la stanza in una galleria sussurrante - e utilizzare il guadagno ottico dal semiconduttore per amplificare l'energia luminosa.

Zhang ha affermato che il sensore amplificato crea un segnale molto più forte rispetto ai sensori plasmonici passivi attualmente disponibili, che funzionano rilevando gli spostamenti nella lunghezza d'onda della luce. "La differenza di intensità è simile al passaggio da una lampadina per una lampada da tavolo a un puntatore laser, " ha detto. " Creiamo un segnale più nitido che rende più facile rilevare cambiamenti anche più piccoli per minuscole tracce di esplosivi nell'aria ".