Nueva tecnología en desarrollo en la Universidad de California, Berkeley, Pronto podría darles a los perros detectores de bombas una seria competencia.

Un equipo de investigadores dirigido por Xiang Zhang, Profesor de ingeniería mecánica de UC Berkeley, ha encontrado una manera de aumentar drásticamente la sensibilidad de un sensor de plasmón basado en luz para detectar concentraciones increíblemente diminutas de explosivos. Señalaron que potencialmente podría usarse para olfatear un explosivo difícil de detectar popular entre los terroristas.

Sus hallazgos se publicarán el domingo, 20 de julio en la publicación avanzada en línea de la revista Nanotecnología de la naturaleza .

Pusieron el sensor a prueba con varios explosivos - 2, 4-dinitrotolueno (DNT), nitrato de amonio y nitrobenceno, y descubrió que el dispositivo detectó con éxito los productos químicos en el aire en concentraciones de 0,67 partes por mil millones, 0,4 partes por mil millones y 7,2 partes por millón, respectivamente. Una parte por mil millones sería similar a una brizna de hierba en un campo de fútbol.

Los investigadores notaron que esto es mucho más sensible que los resultados publicados hasta la fecha para otros sensores ópticos.

"Los sensores ópticos de explosivos son muy sensibles y compactos, "dijo Zhang, quien también es director de la División de Ciencia de Materiales en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y director del Centro de Ingeniería y Ciencia a Nanoescala de la Fundación Nacional de Ciencias en UC Berkeley. "La capacidad de magnificar un rastro tan pequeño de un explosivo para crear una señal detectable es un avance importante en la tecnología de sensores de plasmones, que es una de las herramientas más poderosas que tenemos hoy ".

El nuevo sensor podría tener muchas ventajas sobre los métodos actuales de detección de bombas.

"Los perros detectores de bombas son caros de entrenar y pueden cansarse, "dijo el coautor principal del estudio, Ren-Min Ma, un profesor asistente de física en la Universidad de Pekín que hizo este trabajo cuando era un investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhang. "La otra cosa que vemos en los aeropuertos es el uso de hisopos para buscar residuos explosivos, pero aquellos tienen una sensibilidad relativamente baja y requieren contacto físico. Nuestra tecnología podría conducir a un chip de detección de bombas para un dispositivo de mano que puede detectar el vapor diminuto en el aire de las moléculas pequeñas del explosivo ".

El sensor también podría convertirse en una alarma para minas terrestres sin detonar que de otro modo serían difíciles de detectar. dijeron los investigadores. Según las Naciones Unidas, las minas terrestres matan a 15, 000 a 20, 000 personas cada año. La mayoría de las víctimas son niños, mujeres y ancianos.

Inestable y hambriento de electrones

El sensor de plasmón a nanoescala utilizado en los experimentos de laboratorio es mucho más pequeño que otros detectores de explosivos del mercado. Consiste en una capa de sulfuro de cadmio, un semiconductor, colocado encima de una hoja de plata con una capa de fluoruro de magnesio en el medio.

Al diseñar el dispositivo, los investigadores aprovecharon la composición química de muchos explosivos, particularmente nitrocompuestos como DNT y su pariente más conocido, TNT. Los grupos nitro inestables no solo hacen que las sustancias químicas sean más explosivas, también son característicamente deficientes en electrones, dijeron los investigadores. Esta cualidad aumenta la interacción de las moléculas con los defectos naturales de la superficie del semiconductor. El dispositivo funciona detectando el aumento de intensidad en la señal de luz que se produce como resultado de esta interacción.

Uso potencial para detectar explosivos difíciles de detectar

"Creemos que una mayor deficiencia de electrones de los explosivos conduce a una interacción más fuerte con el sensor semiconductor, "dijo el coautor principal del estudio, Sadao Ota, un ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Zhang que ahora es profesor asistente de química en la Universidad de Tokio.

Debido a esto, los investigadores tienen la esperanza de que su sensor láser de plasmón pueda detectar tetranitrato de pentaeritritol, o PETN, un compuesto explosivo considerado uno de los favoritos de los terroristas. Pequeñas cantidades de él tienen un poderoso golpe, y porque es de plástico, escapa de las máquinas de rayos X cuando no está conectado a detonadores. Es el explosivo encontrado en el zapato bomba de Richard Reid en 2001 y en la bomba de ropa interior de Umar Farouk Abdulmtallab en 2009.

El fiscal general de los EE. UU., Eric Holder Jr., fue citado recientemente en informes de noticias por tener "extremos, extrema preocupación "por los fabricantes de bombas yemeníes que unen fuerzas con militantes sirios para desarrollar estas bombas difíciles de detectar, que puede ocultarse en teléfonos móviles y dispositivos móviles.

"El PETN tiene más grupos funcionales nitro y es más deficiente en electrones que el DNT que detectamos en nuestros experimentos, por lo que la sensibilidad de nuestro dispositivo debería ser incluso mayor que con DNT, "dijo mamá.

Última generación de sensores de plasmones

El sensor representa el último hito en la tecnología de sensores de plasmón de superficie, que ahora se utiliza en el campo médico para detectar biomarcadores en las primeras etapas de la enfermedad.

La capacidad de aumentar la sensibilidad de los sensores ópticos había estado tradicionalmente restringida por el límite de difracción, una limitación en la física fundamental que obliga a un compromiso entre cuánto tiempo y qué tan pequeña puede quedar atrapada la luz. Acoplando ondas electromagnéticas con plasmones de superficie, los electrones oscilantes que se encuentran en la superficie de los metales, los investigadores pudieron exprimir la luz en espacios de tamaño nanométrico, pero mantener la energía confinada fue un desafío porque la luz tiende a disiparse en la superficie de un metal.

El nuevo dispositivo se basa en un trabajo anterior en láseres de plasmón realizado por el laboratorio de Zhang que compensó esta fuga de luz mediante el uso de reflectores para hacer rebotar los plasmones de la superficie hacia adelante y hacia atrás dentro del sensor, de manera similar a la forma en que las ondas de sonido se reflejan en la habitación en una galería susurrante. y utilizar la ganancia óptica del semiconductor para amplificar la energía luminosa.

Zhang dijo que el sensor amplificado crea una señal mucho más fuerte que los sensores de plasmón pasivo actualmente disponibles. que funcionan detectando cambios en la longitud de onda de la luz. "La diferencia de intensidad es similar a pasar de una bombilla a una lámpara de mesa a un puntero láser, ", dijo." Creamos una señal más nítida que hace que sea más fácil detectar cambios aún más pequeños para pequeños rastros de explosivos en el aire ".