Ispirato dall'anatomia degli insetti, un team di ricerca interdisciplinare presso l'Università dell'Alberta ha escogitato un nuovo modo per rilevare in modo rapido e accurato le sostanze chimiche pericolose presenti nell'aria.

Il lavoro è iniziato con Arindam Phani, uno studente laureato nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e dei Materiali della U of A, che hanno osservato che la maggior parte degli insetti ha minuscoli peli sulla superficie del corpo, e non è chiaro a cosa servano i peli. Cercando di dare un senso a ciò di cui possono essere capaci questi peli, Phani ha progettato esperimenti che coinvolgono una "foresta" di minuscoli peli su un sottile chip di cristallo vibrante, sotto la guida del suo consigliere accademico Thomas Thundat, la cattedra di ricerca canadese in ingegneria molecolare delle sabbie bituminose. I due si allearono con Vakhtang Putkaradze, Professore del Centenario presso il Dipartimento di Scienze Matematiche e Statistiche dell'Università di Alberta.

Gli esperimenti e la successiva spiegazione teorica hanno costituito il punto cruciale di un nuovo studio pubblicato nel numero del 6 settembre di Rapporti scientifici , un in linea, rivista ad accesso aperto degli editori di Natura .

"Volevamo fare qualcosa che nessun altro fa, "dice Putkaradze, un matematico che è anche un noto esperto nel campo della meccanica. "Quando si utilizzano i risonatori come sensori, la maggior parte delle persone vuole eliminare la dissipazione o l'attrito perché è considerato altamente indesiderabile, tende a oscurare ciò che stai cercando di misurare. Abbiamo preso quella cosa indesiderabile e l'abbiamo resa utile".

"Rilevare sostanze chimiche senza recettori chimici è stata una sfida in condizioni normali, "dice Thundat, un esperto leader mondiale nel campo del rilevamento. "Ci siamo resi conto che c'è una ricchezza di informazioni contenute nella perdita per attrito di un risonatore meccanico in movimento ed è più pronunciata su scala nanometrica".

L'idea è che qualsiasi oggetto che si muova rapidamente nell'aria possa sondare le proprietà dell'ambiente circostante. Immagina di avere una bacchetta in mano e di muoverla avanti e indietro, e, anche con gli occhi chiusi, puoi sentire se la bacchetta si muove nell'aria, acqua, o miele, solo sentendo la resistenza. Ora, immagina questa bacchetta con miliardi di minuscoli peli sopra, muovendosi avanti e indietro diversi milioni di volte al secondo, e immagina solo le possibilità di rilevamento.

"Con le nanostrutture, possiamo sentire piccoli cambiamenti nell'aria che circonda il risonatore, " dice Putkaradze. "Questa sensibilità rende il dispositivo utile per rilevare un'ampia varietà di sostanze chimiche".

Fani, chi è il primo autore della pubblicazione, ritiene che "meccanismi simili che coinvolgono i movimenti dei nanocapelli possano essere utilizzati per il rilevamento da parte degli organismi viventi". Poiché l'attrito cambia drasticamente con i minimi cambiamenti nell'ambiente ed è facile da misurare, potrebbe essere possibile eventualmente produrre un gadget delle dimensioni simili o leggermente più grande di un cubo di Rubik e progettato per essere inserito in una parete.

Attualmente, il dispositivo del gruppo è orientato principalmente al rilevamento di vapori chimici nell'aria.

"Pensiamo che questo dispositivo possa funzionare come uno spettrometro più piccolo ed economico, misurazione di sostanze chimiche nell'intervallo delle parti per milione, "dice Putkaradze.

Putkaradze spiega che, a parte le dimensioni e il costo ragionevole, ciò che distingue il dispositivo da apparecchiature più grandi e costose è la sua versatilità. "Poiché il nostro sensore non è diretto a rilevare alcuna sostanza chimica specifica, può interpretare un'ampia gamma, e non è necessario che attacchiamo effettivamente le molecole a qualcosa per creare una risposta meccanica, il che significa che è anche riutilizzabile."

Il team aggiunge che l'uso più immediato e ovvio sarà per il monitoraggio della qualità dell'aria ambientale. Dice Putkaradze, "vorremmo lavorare con applicazioni come forze dell'ordine e laboratori scientifici, ma l'uso più ovvio è per l'osservazione ambientale dell'inquinamento atmosferico chimico nelle città e nell'industria delle risorse".

Le iterazioni future sono orientate alla rilevazione del particolato, come la polvere, nonché del numero di virus presenti nell'aria, prezioso per la salute pubblica.