Лазерный детектор способен обнаружить взрывчатку быстрее и лучше собаки, утверждают ученые
Физики из США создали уникальный детектор взрывчатки на базе нанолазера, способный находить миллиардные доли молекул тринитротолуола, нитрата аммония и других взрывчатых веществ в воздухе. Как пишет Nature Nanotechnology, делает он это намного быстрее и точнее, чем специально обученные собаки, в отличие от которых лазерный «нюхач» не устает и незаметен для террористов. Его использование позволит в ближайшее время заметно улучшить безопасность аэропортов и других публичных мест, утверждают авторы статьи.
«У собак, способных находить взрывчатку, есть свои минусы: на их обучение нужно много времени и чувствительность их носа может снижаться от усталости и с возрастом. Существуют и другие методы поиска взрывчатки в аэропорту, например, сбор мазков с поверхности предметов и стен. Все они как правило требуют физического контакта. Наша технология может стать основой для особых чипов-детекторов для смартфонов и других наладонных устройств, которые смогут находить следы взрывчатки прямо в воздухе», — рассказывает о преимуществах новой технологии один из ее изобретателей Женьминь Ма из университета Калифорнии в Беркли.
Ма, его коллеги по университету и физики из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли создали потенциальную замену для собак-«нюхачей», экспериментируя с так называемыми плазмонными резонаторами. Они представляют собой особые структуры, способные поглощать и испускать энергию в виде световых волн и других форм электромагнитного излучения. В последние годы плазмоны активно используются при разработке экзотических оптических устройств, в том числе сверхэффективных солнечных батарей, абсолютно плоских линз и особой «краски» для печати с разрешением, многократно превосходящим чувствительность человеческого глаза.
Размеры плазмонов обычно составляют всего несколько десятков или сотен нанометров. Благодаря столь небольшим габаритам сила излучения плазмонов, его цвет и другие параметры могут заметно меняться при взаимодействии резонатора с крупными частицами материи и одиночными молекулами. Это свойство ученые уже активно используют на практике для создания детекторов и счетчиков вирусов, бактерий и других больших объектов микромира. С поиском одиночных молекул не все так просто. Их обнаружению в этом случае мешает другой физический феномен — дифракция света, искажающая излучение плазмонов и не позволяющая отличить световой сигнал о детектировании молекула от соседних с ним «пустых» фотонов.
Еще несколько лет назад авторы статьи нашли потенциальное решение для этой ситуации: они заметили, что проблему дифракции можно обойти, если свет плазмона будет похож по своей структуре на лазерное излучение. Когда физики воплотили эту идею на практике, их ждало разочарование: лазерный детектор молекул обладал крайне низкой чувствительностью и заметно уступал другим «нюхачам» на базе плазмонов.
Микрофотография лазерного детектора взрывчатки. Источник: Ren-Min Ma and Sadao Ota
Микрофотография лазерного детектора взрывчатки. Источник: Ren-Min Ma and Sadao Ota
Тем не менее неудача не заставила Ма и его коллег забросить эту идею. Вместо этого физики попытались улучшить чувствительность детектора. Для этого они обратили внимание на химические свойства одного класса веществ, который интересовал их больше всего, — взрывчатку. По их словам, почти все виды современных взрывчатых веществ обладают одним общим признаком: их молекулы содержат в себе большое количество «хвостов» азотной кислоты. Эти «хвосты» обладают интересным физическим свойством — достаточно сильным отрицательным зарядом. Авторы статьи учли эту особенность молекул взрывчатки и спроектировали лазерный плазмонный резонатор таким образом, что его поверхность могла легко захватывать и взаимодействовать с молекулами тротила и других азотистых веществ.
Детектор Ма и его коллег крайне миниатюрен: его длина составляет всего 600 нанометров, а толщина — 50 нанометров. По своей структуре он похож на бутерброд: лазерный «нюхач» состоит из серебряной подложки, тонкого слоя диэлектрика-изолятора из соединения фтора и магния и, собственно, самого резонатора — пластинки из чистейшего сульфида кадмия — полупроводника, широко используемого при изготовлении солнечных батарей. Его поверхность была обработана таким образом, что на ней присутствует всего 20 тысяч электронов, участвующих в выработке лазерного излучения. Прикрепление даже одной молекулы взрывчатого вещества заметно меняет характер движения этих электронов, что сильно сказывается на силе и других параметрах лазерного излучения.
Как показали первые эксперименты, это устройство гораздо лучше находит взрывчатку, чем собаки. К примеру, детектор авторов статьи способен находить тротил и похожие на него вещества даже в том случае, если на миллиард молекул воздуха приходится меньше молекулы взрывчатки. Схожая чувствительность — 0,4 части на миллиард — была продемонстрирована при поиске нитрата аммония — вещества, популярного среди террористов, изготовляющих самодельные бомбы и мины. Чуть хуже лазерный детектор находил молекулы нитробензола — азотосодержащего вещества, используемого в качестве сырья для производства некоторых видов взрывчатки и ракетного топлива.
Как полагают Ма и его коллеги, у их изобретения есть множество практических применений. В первую очередь, речь идет о безопасности аэропортов, вокзалов и других публичных учреждений, где подобные датчики помогут незаметным для террористов образом идентифицировать смертников и боевиков, вооруженных гранатами и взрывчаткой. Кроме того, установка лазерных «нюхачей» в смартфоны и другие переносные устройства может помочь жителям развивающихся стран и зон конфликтов и миротворцам избегать мин и других скрытых взрывных устройств, от которых ежегодно гибнет около 20 тысяч человек.