Конкурент собачьему носу
Фото: Geert Vanden Wijngaert / AP

Фото: Geert Vanden Wijngaert / AP

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.

Биполярная наука Далее в рубрике Биполярная наукаУченые призывают к созданию новой дисциплины о ментальных заболеваниях, которая объединила бы принципы психиатрии и неврологии Читайте в рубрике «Наука и технологии» Казань выбрала лучшие стартапыИнвесторы на Kazan Startup Weekend в ИТ-парке начали сотрудничество с несколькими стартапами Казань выбрала лучшие стартапы

Комментарии

21 июля 2014, 20:20
Здорово.еще бы они создали сенсор,который различает правду от лжи,не отходя от телевизора...
21 июля 2014, 23:14
когад-нибудь, когда все каналы и интернет СМИ будут принадлежать одной корпорации, уверен так и будет)
22 июля 2014, 16:24
Да нет, в таком случае как раз-таки будет практически сплошная ложь.
22 июля 2014, 15:39
Новость обнадеживающая, надеюсь осечек не будет, а американские спецы, в свою очередь, не будут заниматься фальсификациями данных.
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Дискуссии без купюр.
Читайте «Русскую планету» в социальных сетях и участвуйте в обсуждениях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»