Genom att dra fördel av ett fenomen som hittills har varit en virtuell showstopper för elektronikdesigners, ett team som leds av Oak Ridge National Laboratorys Panos Datskos utvecklar en kemisk och biologisk sensor med oöverträffad känslighet.
I sista hand, forskare tror att denna nya "sniffer" kommer att uppnå en detektionsnivå som närmar sig den teoretiska gränsen, överträffar andra toppmoderna kemiska sensorer. Konsekvenserna kan vara betydande för alla vars jobb är att upptäcka sprängämnen, biologiska medel och narkotika.
"Medan forskarvärlden har undvikit den olinjäritet som är förknippad med de mekaniska oscillatorerna i nanoskala, vi omfamnar det, " sa medutvecklaren Nickolay Lavrik, en medlem av Institutionen för energilabbets avdelning för centrum för nanofasmaterialvetenskap. "I slutet, vi hoppas ha en enhet som kan detektera otroligt små mängder sprängämnen jämfört med dagens kemiska sensorer."
Enheten består av en digitalkamera, en laser, bildoptik, en signalgenerator, digital signalbehandling och andra komponenter som tillsammans, ungefär som en hunds nos, kan upptäcka små mängder ämnen i luften.
Det underliggande konceptet är baserat på resonatorer i mikroskala som liknar mikrokonsoler som används i atomkraftsmikroskopi, som nyligen har utforskats som mass- och kraftavkänningsanordningar. Även om grundprincipen är enkel - att mäta förändringar i resonansfrekvensen på grund av massförändringar - har ett antal hinder hindrat utbredda tillämpningar av sådana system.
"Dessa utmaningar beror på kraven på att mäta och analysera små oscillationsamplituder som är ungefär lika stora som en väteatom, " sa Lavrik. Sådana traditionella tillvägagångssätt kräver sofistikerade lågbrus elektroniska komponenter såsom låsta förstärkare och faslåsta slingor, som tillför kostnad och komplexitet.
Istället, den här nya typen av sniffer fungerar genom att avsiktligt träffa mikrokonsolerna med relativt stora mängder energi förknippad med en rad frekvenser, tvingar dem till stor oscillation, eller rörelse. Lavrik liknade svaret på en hoppbrädas rörelse efter att en simmare dykt.
"Förr, människor ville undvika denna höga amplitud på grund av den höga distorsion som är förknippad med den typen av svar, sa Datskos, medlem av divisionen Measurement Science and Systems Engineering. "Men nu kan vi utnyttja det svaret genom att ställa in systemet till en mycket specifik frekvens som är associerad med den specifika kemikalien eller föreningen vi vill detektera."
När målkemikalien reagerar med mikrokonsolen, det skiftar frekvensen beroende på vikten av föreningen, och tillhandahåller därigenom detekteringen.
"Med detta nya tillvägagångssätt, när mikrocantilevern slutar oscillera vet vi med hög säkerhet att målkemikalien eller föreningen är närvarande, sa Lavrik.
Forskarna föreställer sig att denna teknik införlivas i ett handhållet instrument som kan användas av säkerhetskontroller för transporter, brottsbekämpande tjänstemän och militären. Andra potentiella tillämpningar är inom biomedicin, miljövetenskap, hemvärnsskydd och analytisk kemi.
Med tillräckliga finansieringsnivåer, Datskos ser för sig att en prototyp ska utvecklas inom sex till 18 månader.
