I risultati potrebbero portare a miglioramenti nella tecnologia della sicurezza e favorire lo sviluppo di sensori quantistici.

Lo studio, pubblicato su Nano Letters , ha utilizzato l'effetto Seebeck, un fenomeno termoelettrico scoperto due secoli fa, per identificare le tracce di calore e luce delle molecole misurate dall'attogramma:un quintilionesimo di grammo, o 10 ¹⁸ volte più leggero di una banconota da un dollaro. La quantità più pesante pesava circa 52 attogrammi e la più leggera circa 40 attogrammi.

"È essenzialmente la prima volta che qualcuno segnala il rilevamento del segnale spettroscopico a tali livelli per quel piccolo materiale in condizioni normali", ha affermato Ali Passian, ricercatore dell'ORNL e coautore dello studio.

"La tecnica in sé non è nuova. Ma esplorare la fisica del rilevamento e porre la domanda giusta è la chiave. Questa scoperta potrebbe aprire la strada all'impiego diffuso di sensori economici, affidabili e precisi per un'ampia varietà di usi."

Passian ha collaborato allo studio con i colleghi scienziati Yaoli Zhao, Patatri Chakraborty e Thomas Thundat, tutti dell'Università di Buffalo.

L'effetto Seebeck, dal nome del fisico tedesco Thomas Seebeck, descrive la tensione che risulta da una differenza di temperatura in un circuito costituito da due conduttori elettrici diversi, come due fili costituiti da metalli diversi, quando esposto al calore.

Il gruppo di ricerca si è affidato a una sonda microcantilever in silicone, simile a una versione microscopica dell’ago di un giradischi vecchio stile, che ha sfruttato l’effetto Seebeck creando un tale circuito e utilizzando la luce infrarossa di un laser per stimolare le molecole dei materiali. in fase di studio e creare calore.

Portando la sonda a contatto con minuscole quantità di materiale, il team ha lavorato a ritroso a partire dai segnali spettroscopici e dai cambiamenti nella differenza di temperatura per identificare e calcolare con precisione le quantità del materiale presente:trinitrotoluene, meglio noto come TNT esplosivo, e dimetil metilfosfonato. , un composto utilizzato nei ritardanti di fiamma e nelle armi chimiche.

"È un sistema molto semplice che funziona sorprendentemente bene", ha detto Passian. "La sonda ha una punta affilata che avviciniamo alla superficie e poi la illuminiamo con la luce infrarossa. Abbiamo generato solo una piccola quantità di calore e questa sonda è stata in grado di leggerlo. Eravamo piuttosto entusiasti di scoprire che potevamo rilevare così poco materiale in modo così affidabile e in modo così non invasivo."

La sonda è stata utilizzata per l'imaging a livello di nanoscala, circa nove ordini di grandezza più grande di un attogramma, ma Passian e il team sono stati i primi a utilizzare l'approccio per la spettroscopia su scala così piccola.

"Pensa a una piccola moneta", ha detto Passian. "Ora rimpicciolisci quella moneta di un milione di volte circa. È paragonabile alla dimensione della sonda. Abbiamo usato la sonda in un modo nuovo - per misurare il calore e la luce invece che per catturare un'immagine - e si è rivelata ancora più utile di che ci aspettavamo. Sono sicuro che potremo spingere ulteriormente i limiti di rilevamento."

La sensibilità e il costo relativamente basso della sonda (se ne potrebbero produrre migliaia per poche centinaia di dollari) aprono possibilità per un'ampia gamma di applicazioni.

"Tutti vogliono sensori economici, piccoli, veloci e facili, ma anche altamente accurati", ha affermato Passian. "Questo sistema soddisfa tutti questi criteri. Poiché è così piccolo, non richiede molti macchinari ingombranti e potremmo montare centinaia o migliaia di queste sonde su un'unica superficie. Ciò rende il sistema ideale per spazi compatti, come checkpoint di sicurezza negli aeroporti o applicazioni sotterranee come le miniere."

Il team prevede di testare la sonda per rilevare quantità ancora più piccole. I risultati potrebbero supportare la costruzione di sensori quantistici, che utilizzerebbero le leggi della fisica quantistica per rilevare a livello dei singoli atomi.

"Ad un certo punto, la quantità di materiale sarà troppo piccola anche per questo sensore", ha detto Passian. "Allora il prossimo passo saranno le misurazioni quantistiche. Ci auguriamo che questa tecnica possa aiutarci a condurci lì."