Ett team som inkluderade forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory använde en ny vändning på en gammal metod för att upptäcka material i några av de minsta mängder som hittills registrerats.

Resultaten kan leda till förbättringar av säkerhetsteknik och underlätta utvecklingen av kvantsensorer.

Studien, publicerad i Nano Letters , använde Seebeck-effekten, ett termoelektriskt fenomen som upptäcktes för två århundraden sedan, för att identifiera värme- och ljussignaturerna hos molekyler mätt med attogrammet – en kvintiljondel av ett gram, eller 10 ¹⁸ gånger lättare än en dollarsedel. Den tyngsta mängden vägde cirka 52 attogram och den lättaste cirka 40 attogram.

"Det är i princip första gången som någon har rapporterat en detektering av den spektroskopiska signalen på de nivåerna för det lilla materialet under vanliga förhållanden", säger Ali Passian, en ORNL-forskare och medförfattare till studien.

"Tekniken i sig är inte ny. Men att utforska fysik av avkänning och att ställa rätt fråga är nyckeln. Denna upptäckt kan bana väg för utbredd användning av billiga, pålitliga och exakta sensorer för en mängd olika användningsområden."

Passian samarbetade i studien med forskarna Yaoli Zhao, Patatri Chakraborty och Thomas Thundat, alla från University of Buffalo.

Seebeck-effekten, uppkallad efter den tyske fysikern Thomas Seebeck, beskriver spänningen som är resultatet av en temperaturskillnad i en krets som består av två olika elektriska ledare, till exempel två ledningar gjorda av olika metaller, när de utsätts för värme.

Forskargruppen förlitade sig på en mikrosond av silikon, liknande en mikroskopisk version av nålen på en gammaldags skivspelare, som utnyttjade Seebeck-effekten genom att skapa en sådan krets och använda infrarött ljus från en laser för att stimulera molekylerna i materialen under studier och skapa värme.

Genom att bringa sonden i kontakt med små mängder av materialet, arbetade teamet bakåt från de spektroskopiska signalerna och förändringarna i temperaturskillnaden för att exakt identifiera och beräkna mängderna av det närvarande materialet:trinitrotoluen, mer känd som det explosiva TNT, och dimetylmetylfosfonat , en förening som används i flamskyddsmedel och kemiska vapen.

"Det är ett väldigt enkelt system som fungerar förvånansvärt bra," sa Passian. "Sonden har en vass spets som vi för nära ytan och sedan lyser det infraröda ljuset på den. Vi genererade bara en liten mängd värme, och den här sonden kunde läsa den. Vi var ganska glada över att upptäcka att vi kunde upptäcka så lite material så tillförlitligt på ett så icke-invasivt sätt."

Sonden har använts för avbildning på nanoskalanivå – ungefär nio storleksordningar större än ett attogram – men Passian och teamet var de första som använde metoden för spektroskopi i så liten skala.

"Tänk på ett litet mynt," sa Passian. "Skrymp nu det myntet med en miljon gånger eller så. Det är jämförbart med storleken på sonden. Vi använde sonden på ett nytt sätt - för att mäta värme och ljus snarare än att ta en bild - och det visade sig vara ännu mer användbart än vi förväntade oss. Jag är säker på att vi kan tänja på upptäcktsgränserna ytterligare."

Sondens känslighet och relativt låga kostnad – tusentals kan tillverkas för några hundra dollar – öppnar upp för möjligheter för ett brett spektrum av applikationer.

"Alla vill ha sensorer som är billiga, små, snabba och enkla - men också mycket exakta," sa Passian. "Det här systemet uppfyller alla dessa kriterier. Eftersom det är så litet kräver det inte mycket skrymmande maskiner, och vi skulle kunna montera hundratals eller tusentals av dessa sonder på en enda yta. Det gör systemet idealiskt för kompakta utrymmen, som t.ex. säkerhetskontroller på flygplatser eller underjordiska tillämpningar som gruvdrift."

Teamet planerar att testa sonden för att upptäcka ännu mindre mängder. Resultaten skulle kunna stödja byggandet av kvantsensorer, som skulle använda kvantfysikens lagar för avkänning på nivån av enskilda atomer.

"Vid någon tidpunkt kommer mängden material att vara för liten även för den här sensorn," sa Passian. "Då blir nästa steg kvantmätningar. Vi hoppas att den här tekniken kan hjälpa oss att leda oss dit."

Mer information: Yaoli Zhao et al, Ultrasensitive Photothermal Spectroscopy:Utnyttja Seebeck-effekten för attogramnivådetektion, Nanobokstäver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01710

Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory