Los resultados podrían conducir a mejoras en la tecnología de seguridad y ayudar al desarrollo de sensores cuánticos.

El estudio, publicado en Nano Letters , empleó el efecto Seebeck, un fenómeno termoeléctrico descubierto hace dos siglos, para identificar las firmas de calor y luz de las moléculas medidas por el attograma (una quintillónésima parte de un gramo, o 10 ¹⁸ ). veces más ligero que un billete de un dólar. La cantidad más pesada pesaba alrededor de 52 attogramos y la más ligera alrededor de 40 attogramos.

"Es esencialmente la primera vez que alguien informa una detección de la señal espectroscópica en esos niveles para ese pequeño material en condiciones normales", dijo Ali Passian, científico investigador del ORNL y coautor del estudio.

"La técnica en sí no es nueva. Pero explorar la física de la detección y hacer la pregunta correcta es la clave. Este descubrimiento podría allanar el camino para el despliegue generalizado de sensores baratos, confiables y precisos para una amplia variedad de usos".

Passian colaboró ​​en el estudio con sus colegas científicos Yaoli Zhao, Patatri Chakraborty y Thomas Thundat, todos de la Universidad de Buffalo.

El efecto Seebeck, llamado así en honor al físico alemán Thomas Seebeck, describe el voltaje que resulta de una diferencia de temperatura en un circuito formado por dos conductores eléctricos diferentes, como dos cables hechos de metales diferentes, cuando se expone al calor.

El equipo de investigación se basó en una sonda microcantilever de silicona, similar a una versión microscópica de la aguja de un tocadiscos antiguo, que aprovechó el efecto Seebeck creando un circuito de este tipo y utilizando luz infrarroja de un láser para estimular las moléculas de los materiales. bajo estudio y crear calor.

Al poner la sonda en contacto con cantidades minúsculas del material, el equipo trabajó hacia atrás a partir de las señales espectroscópicas y los cambios en la diferencia de temperatura para identificar y calcular con precisión las cantidades del material presente:trinitrotolueno, más conocido como el explosivo TNT, y dimetilmetilfosfonato. , un compuesto utilizado en retardantes de llama y armas químicas.

"Es un sistema muy simple que funciona sorprendentemente bien", dijo Passian. "La sonda tiene una punta afilada que acercamos a la superficie y luego iluminamos la luz infrarroja. Generamos solo una pequeña cantidad de calor y esta sonda pudo leerlo. Estábamos muy emocionados de descubrir que podíamos detectar tan poco material, de manera tan confiable y de una manera tan no invasiva."

La sonda se ha utilizado para obtener imágenes a nivel de nanoescala (aproximadamente nueve órdenes de magnitud más grande que un attograma), pero Passian y el equipo fueron los primeros en utilizar este enfoque para espectroscopia a una escala tan pequeña.

"Piense en una moneda pequeña", dijo Passian. "Ahora reduzca esa moneda aproximadamente un millón de veces. Eso es comparable al tamaño de la sonda. Usamos la sonda de una manera nueva:medir el calor y la luz en lugar de capturar una imagen, y resultó ser incluso más útil que esperábamos. Estoy seguro de que podemos ampliar aún más los límites de detección".

La sensibilidad de la sonda y su costo relativamente bajo (se podrían fabricar miles por unos pocos cientos de dólares) abren posibilidades para una amplia gama de aplicaciones.

"Todo el mundo quiere sensores que sean baratos, pequeños, rápidos y sencillos, pero también muy precisos", afirmó Passian. "Este sistema cumple con todos esos criterios. Debido a que es tan pequeño, no requiere mucha maquinaria voluminosa y podríamos colocar cientos o miles de estas sondas en una sola superficie. Eso hace que el sistema sea ideal para espacios compactos, como puntos de control de seguridad en aeropuertos o aplicaciones subterráneas como la minería."

El equipo planea probar la sonda para detectar cantidades aún más pequeñas. Los resultados podrían apoyar la construcción de sensores cuánticos, que utilizarían las leyes de la física cuántica para detectar a nivel de átomos individuales.

"En algún momento, la cantidad de material será demasiado pequeña incluso para este sensor", afirma Passian. "Luego, el siguiente paso serán las mediciones cuánticas. Esperamos que esta técnica pueda ayudarnos a lograrlo".