Inspirerad av insekternas anatomi, ett tvärvetenskapligt forskarlag vid University of Alberta har kommit på ett nytt sätt att snabbt och exakt upptäcka farliga luftburna kemikalier.

Arbetet började med Arindam Phani, en doktorand vid U i A:s institution för kemi- och materialteknik, som observerade att de flesta insekter har små hårstrån på sina kroppsytor, och det är inte klart vad hårstråna är till för. Försöker förstå vad dessa hårstrån kan vara kapabla till, Phani designade experiment som involverade en "skog" av små hårstrån på ett tunt vibrerande kristallchips, under ledning av sin akademiska rådgivare Thomas Thundat, Canada Research Chair i Oil Sands Molecular Engineering. De två gick samman med Vakhtang Putkaradze, Hundraårsprofessor vid University of Albertas institution för matematiska och statistiska vetenskaper.

Experimenten och den efterföljande teoretiska förklaringen utgjorde kärnan i en ny studie publicerad i 6 september-numret av Vetenskapliga rapporter , en online, open access tidskrift från förlagen av Natur .

"Vi ville göra något som ingen annan gör, säger Putkaradze, en matematiker som också är en känd expert inom mekanikområdet. "När du använder resonatorer som sensorer, de flesta vill bli av med avledning eller friktion eftersom det anses mycket oönskat, det tenderar att dölja det du försöker mäta. Vi har tagit det oönskade och gjort det användbart."

"Att känna av kemikalier utan kemiska receptorer har varit en utmaning under normala förhållanden, säger Thundat, en världsledande expert inom avkänningsområdet. "Vi insåg att det finns en mängd information som finns i friktionsförlusten av en mekanisk resonator i rörelse och är mer uttalad på nanoskala."

Tanken är att alla föremål som rör sig snabbt genom luften kan undersöka egenskaperna hos den omgivande miljön. Föreställ dig att ha en trollstav i handen och flytta den fram och tillbaka, och – även med slutna ögon – kan du känna om trollstaven rör sig genom luften, vatten, eller älskling, bara genom att känna motståndet. Nu, föreställ dig denna trollstav med miljarder små hårstrån på, rör sig fram och tillbaka flera miljoner gånger per sekund, och föreställ dig bara avkänningsmöjligheterna.

"Med nanostrukturerna, vi kan känna små förändringar i luften som omger resonatorn, " säger Putkaradze. "Denna känslighet gör enheten användbar för att detektera en mängd olika kemikalier."

Phani, vem är den första författaren på publikationen, anser "liknande mekanismer som involverar rörelser av nano-hår kan användas för avkänning av levande organismer." Eftersom friktionen förändras dramatiskt med små förändringar i miljön och är lätt att mäta, det kan vara möjligt att så småningom producera en gadget av en storlek som liknar eller något större än en Rubiks kub och utformad för att anslutas till en vägg.

För närvarande, koncernens apparat är främst inriktad på att känna av kemiska ångor i luft.

"Vi tänker att den här enheten kan fungera som en mindre och billigare spektrometer, mäta kemikalier i miljondelar, säger Putkaradze.

Putkaradze förklarar att förutom storlek och rimlig kostnad, Det som skiljer enheten från större och dyrare utrustning är dess mångsidighet. "Eftersom vår sensor inte är riktad att detektera någon specifik kemikalie, den kan tolka ett brett spektrum, och det kräver inte att vi faktiskt fäster molekylerna till någonting för att skapa ett mekaniskt svar, vilket betyder att det också är återanvändbart."

Teamet tillägger att den mest omedelbara och uppenbara användningen kommer att vara för miljöövervakning av luftkvalitet. Säger Putkaradze, "vi skulle vilja arbeta med applikationer som brottsbekämpande och vetenskapliga laboratorier, men den mest uppenbara användningen är för miljöobservation av kemiska luftföroreningar i städer och resursindustrin."

Framtida iterationer är inriktade på att detektera partiklar – som damm – såväl som antalet virus som finns i luften, ovärderlig för folkhälsan.