輕松檢測環境的“芭啦芭啦小魔棒”

材料牛注：阿爾伯塔大學的研究人員發現，納米諧振器可以幫助我們感覺到周圍環境阻力的細微變化，并可用于檢測環境中各種各樣的化學物質。

從昆蟲的解剖學中得到靈感，阿爾伯塔大學的跨學科研究團隊想出了一個新方法，快速、準確地檢測空氣中危險的化學物質。

研究工作開始于化學與材料工程系的研究生Arindam Phani，他發現大多數昆蟲的身體表面都有纖毛，但是并不清楚這些纖毛到底是什么。為了了解這些纖毛的用處，Phani在他的老師，加拿大油砂分子工程研究所主席Thomas?Thundat，指導下設計了一系列實驗包括將纖毛“移植”到振動芯片上。緊接著，阿爾伯塔大學的數學與統計科學的Vakhtang Putkaradze和Centennial教授加入該項目。以此實驗和后續理論解釋為核心的新研究項目，發表于9月6日出版的Scientific Reports上。

Putkaradze是數學家，同時也是力學領域的知名專家。他表示：“我們想做沒有人做的事。當使用諧振器作為傳感器，大多數人想消除討厭的耗散或摩擦，因為這會影響你的測量結果。而我們卻能夠有效地利用耗散和摩擦。”

傳感領域世界領先的專家Thundat表示：“在正常情況下，沒有化學受體的感應化學物質是一個挑戰。我們發現，機械諧振器運動過程中的摩擦損失中包含著豐富的信息，特別是在納米尺度上更為顯著。”

這個想法源于通過任何在空中迅速移動的物體都可以探測周圍環境的屬性。想象你來回揮舞手中的魔杖，甚至當你閉上眼睛時，都可以能感覺到魔杖穿過空氣、水或者蜂蜜，這是因為能感覺到阻力。現在想象一根擁有數十億纖毛的魔杖，以每秒幾百萬次的頻率來回移動，可以預想其傳感的可能性。

Putkaradze表示：“諧振器的納米結構可以幫助我們感覺到周圍環境阻力的細微變化，此類設備的靈敏性有利于檢測各種各樣的化學物質。”

論文的第一作者Phani相信：“類似的機械運動，包括納米纖毛的波動可以用于生物傳感。”因為摩擦會隨著每分鐘環境的變化而急劇變化且容易測量，它最終可能會產生一個大小相似或略大于一個魔方的能量單元并產生一定的破壞。

目前，該團隊的設備主要用于感應空氣中的化學氣體。Putkaradze表示：“我們希望這個設備可以像一個更小、更便宜的光譜儀，測量百萬之一的化學物質。”

除了規模和合理的成本，使得該設備區別于那些更大、更昂貴設備的是它的多功能性。Putkaradze解釋：“因為我們的傳感器不是定向地探測特定的化學物質，它有一個廣泛的應用范圍，實際上我們不需要用任何分子去創建一個機械反應，也就是說它也可重復使用。”該團隊補充說，該設備最直接和明顯的作用就是空氣質量監測。Putkaradze表示：“我們愿意將其應用到執法和科學實驗室中，但最顯著的使用是對城市和資源化產業中大氣污染的環境監測。”

設備未來的發展方向是針對顆粒物，如灰塵，以及空氣中的病毒數量的檢測，能夠促進公共衛生水平的提高。

原文鏈接：Scientists create resonator with nanoscale features to detect dangerous chemicals in the environment。

文獻鏈接：A nanostructured surface increases friction exponentially at the solid-gas interface。

本文由材料人編輯部楊超提供素材，牛效瑩編譯，薛文嘉審核，點我加入材料人編輯部。