Конкурент на кучешкия нос

Лазерен детектор е способен да открива взривни вещества по-бързо и по-добре от кучетата, твърдят учени.

Физици от САЩ създадоха уникален детектор за взривни вещества на базата на нанолазер, способен да открива милиардни от молекулата на тринитротолуола и други взривни вещества във въздуха.

Както пише Nature Nanotechnology, детекторът прави това много по-бързо и точно, отколкото специално обучените кучета, за разлика от които лазерният „нос“ не се уморява и е незабележим за терористите. Неговото използване ще позволи в близко време значително да се подобри безопасността на летищата и други публични места, твърдят авторите.

„Кучетата, способни да намират взривни вещества, имат свои минуси: за обучението им е необходимо много време и чувствителността на носа им може да намалее от умора и с възрастта. Съществуват и други методи за търсене на взривни вещества по летищата – например събиране на натривки от повърхността на предмети и стени.

Всички те обикновено изискват физически контакт. Нашата технология може да стане основна за специални чипове детектори за смартфони и други ръчни устройства, които могат да откриват следи от взривни вещества директно във въздуха“, разказва за преимуществата на новата технология един от нейните изобретатели – Женмин Ма от Калифорнийския университет в Бъркли.

Ма, колегите му по университет и физици от Националната лаборатория Лорънс Бъркли създали потенциална замяна за кучетата, експериментирайки с т.нар. плазмонни резонатори. Те представляват специални структури, способни да поглъщат и изпускат енергия във вид на светлинни вълни и други форми на електромагнитно лъчение.

В последните години плазмоните активно се използват при разработката на екзотични оптични устройства, включително свръхефективни слънчеви батерии, абсолютно плоски лещи и „бои“ за печат с резолюция, многократно превъзхождаща чувствителността на човешкото око.

Размерите на плазмоните обикновено са само няколко десетки или стотици нанометра. Благодарение на тези малки габарити силата на излъчване на плазмона, неговият цвят и други параметри могат значително да се променят при взаимодействие на резонатора с големи частици материя и единични молекули.

Това свойство учените вече използват активно на практика за създаването на детектори и броячи на вируси, бактерии и други обекти от микросвета.

С търсенето на единични молекули не всичко е толкова просто. Тяхното откриване в този случаи се възпрепятства от друг физичен феномен – дифракция на светлината, изкривяваща лъчението на плазмоните и не позволяваща да се отличи светлинният сигнал за детектирането на молекулата от съседните „празни“ фотони.

Още преди няколко години авторите на статията са открили потенциално решение за тази ситуация – те забелязали, че проблемът с дифракцията може да се заобиколи, ако светлината на плазмона прилича по структура на лазерното лъчение.

Когато физиците въплътили тази идея на практика, ги очаквало разочарование – лазерният детектор на молекулите притежавал изключително ниска чувствителност и значително отстъпвал на други „носове“ на базата на плазмони.

И все пак неуспехът не станал причина Ма и колегите му да захвърлят идеята. Вместо това физиците се опитали да подобрят чувствителността на детектора. За тази цел те обърнали внимание на химичните свойства на един клас вещества, който ги интересувал най-много – взривовете. Според думите им почти всички видове съвременни взривни вещества притежават един общ признак: техните молекули съдържат голямо количество „опашки“ азотна киселина.

Тези „опашки“ имат интересно физично свойство – достатъчно силен отрицателен заряд. Авторите започнали да изучават тази особеност на молекулите на взривните вещества и проектирали лазерен плазмонен резонатор по такъв начин, че неговата повърхност да може лесно да захваща и взаимодейства с молекулите на тротила и другите азотни вещества.

© Ren-Min Ma and Sadao Ota

Детекторът на Ма и колегите му е изключително миниатюрен: неговата дължина е общо 600 нанометра, а дебелината – 50 нанометра. По структура той прилича на сандвич: лазерният „нос“ се състои от сребърна подложка, тънък слой диелектрик изолатор от съединения на флуор и магнезий и самия резонатор – пластинки от чист кадмиев сулфид – полупроводник, широко използван при изготвяне на слънчеви батерии.

Неговата повърхност била обработена по такъв начин, че на нея присъствали 20 000 електрона, участващи в изработването на лазерното лъчение. Добавянето дори на една молекула взривно вещество значително променя характера на движение на тези електрони, което се отразява съществено на силата и други параметри от лазерното лъчение.

Както показали първите експерименти, това устройство доста по-добре намира взривни вещества от кучетата. Например детекторът на авторите е способен да открива тротил и подобни на него вещества дори в случай че на милиард въздушни молекули се пада по-малко от молекула взривно вещество.

Подобна чувствителност – 0,4 на милиард – била демонстрирана при търсене на амониев нитрат, който е популярен сред терористите, правещи самоделни бомби. Малко по-зле лазерният детектор откривал молекули нитробензол – азотсъдържащо вещество, използвано като суровина за производство на някои видове взривни вещества и ракетно гориво.

Както смятат Ма и колегите му, тяхното изобретение има много практически приложения. На първо място става дума за безопасност на летища, гари и други публични места, където подобни датчици ще помагат по незабележим за терористите начин да се идентифицират камикадзета и терористи, въоръжени с гранати и взривни вещества.

Освен това поставянето на лазерните „носове“ в смартфоните и други преносни устройства може да помогне на жителите на развиващите се страни и зоните на конфликти и миротворците да избягват мини и други скрити взривни устройства, от които ежегодно загиват около 20 000 души.