University of Delaware forskare utvecklar sensorer som de hoppas ska möjliggöra realtid, in situ-detektering av vatten- och luftföroreningar på ett billigt och miljövänligt sätt.

Juejun Hu och Chaoying Ni vid UD:s institution för materialvetenskap och teknik skapar små, mycket känsliga enheter som upptäcker organiska, oorganiska och biologiska molekylarter på låga nivåer i miljön. Teamet finansieras av ett fröbidrag från National Science Foundations Delaware Experimental Program to Stimulate Competitive Research (EPSCoR).

"Vi gör nanostrukturer för att upptäcka kemiska molekyler på ett mycket känsligt sätt, sa Hu, en biträdande professor som är ledande forskare i projektet.

Med ytterligare forskning och utveckling, enheterna kan integreras i bärbara, batteridrivna sensorpaket, ersätter mer traditionella molekylära detektorer, som kräver skrymmande och dyr utrustning.

Utplacerad i ett nätverk på fältet, en rad små sensorer kan upptäcka föroreningar i luft, vatten och jord i realtid och vidarebefordra den informationen trådlöst till en dator.

Ett stort hinder som hindrar små sensorer från att bli praktiska ersättningar för skrymmande maskiner är att den nya tekniken fortfarande är mindre känslig och specifik i sin upptäckt än de instrument som används för närvarande. Projektet syftar till att skapa sensorer som övervinner dessa hinder.

"Det är en ny typ av sensor, sa Ni, docent. "Det är väldigt litet och mer viktigt, det är väldigt känsligt och väldigt specifikt."

Forskarna använder en fokuserad jonstråle (FIB) för att slå hål i en tunn remsa av kalkogenidglas (ChG) som är några mikrometer tjock, eller ungefär en tiondel av ett hårstrås bredd. När ljus passerar genom remsan, molekyler i miljön absorberar selektivt en eller några speciella färger av ljuset. De unika optiska absorptionssignalerna kan sedan användas för att identifiera närvaron och koncentrationen av molekylerna av intresse. Forskarna planerar att gruppera flera av de små, chip-stora enheter tillsammans för att skapa en sensor som kan detektera flera typer av molekyler.

"I slutet, enheten kommer att vara mycket känslig jämfört med nuvarande teknik. Vi förväntar oss en förbättring av cirka två till fyra storleksordningar, " sa Hu. "Den kommer också att vara liten och lämna ett väldigt litet fotavtryck. När den väl har integrerats, den kommer att vara storleken på en hockeypuck och kan placeras diskret i miljön."

Sedan forskarna startade projektet för ungefär ett år sedan, de har framgångsrikt skapat flera marker, även om de har stött på en del problem på vägen.

"Att tillverka enheten var svårt, " sa Ni. "Hålen måste stansas med stor precision. Det är därför vi behöver den fokuserade jonstrålen, som visade sig vara perfekt för det här projektet."

Även om projektet fortfarande är i ett tidigt skede, med tester som bara började i höstas, Hu ser redan framåt mot de praktiska fördelarna som enheterna kan ha för miljön.

"Vi kommer att kunna övervaka miljöföroreningar kontinuerligt, så vi vet om vattnet i en bäck blir förorenat eller om en kemisk anläggning läcker. Vi kan också använda den för att upptäcka giftiga läckor i industrianläggningar, " han sa.

Hu tillade att när tekniken är tillräckligt känslig, chip-skala sensorer kan vara användbara inom andra områden, inklusive biomedicin.

"Vi skulle kunna använda enheterna för att kontrollera vissa sjukdomar genom att analysera en patients andetag, " sa han. "Sensorn skulle kunna detektera spårmolekyler i luften de andas ut."

Ni höll med om att enheterna kan ha en betydande inverkan. "De kan vara en spelförändrande typ av sak, " han sa.