• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
31.08.2023
ФизТех
393

В МФТИ разработали кремниевый сенсор для экспресс-анализа в медицине и экомониторинге

4.5

Ученые МФТИ разработали высокочувствительный сенсор на основе кремниевых нанонитей для анализа состава жидких растворов и паров, содержащих кислоты и щелочи. Его можно интегрировать в мобильные устройства и определять наличие вредных примесей в промышленных и бытовых условиях, а также создавать высокочувствительные датчики для медицины.

Верхнее слева — фото сенсора, где сам сенсор — это круг семь миллиметров в диаметре. Справа — его оптическое изображение (предоставлено авторами исследования). Справа внизу — концепт работы сенсора, то, каким образом на нити адсорбируются молекулы газов / © ACS Applied Nano Materials
Верхнее слева — фото сенсора, где сам сенсор — это круг семь миллиметров в диаметре. Справа — его оптическое изображение (предоставлено авторами исследования). Справа внизу — концепт работы сенсора, то, каким образом на нити адсорбируются молекулы газов / © ACS Applied Nano Materials / Автор: Екатерина Лебедева

Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials. Сегодня в мировом производстве активно используются полупроводниковые материалы, в том числе 0-, 1- и 2D- наноструктуры. Но при всем их разнообразии кремний остается самым распространенным, легкодоступным и технологичным полупроводниковым материалом современной электроники. В Центре фотоники и двумерных материалов МФТИ ученые нашли новое приборное применение кремниевым наноструктурам.

«В современной микро- и наноэлектронике имеется выраженный тренд к интеграции в классическую кремниевую технологию новых материалов. Однако совсем отойти от кремниевой электроники и фотоники не представляется возможным: все упирается в высокую технологичность и низкую себестоимость кремния и обратную ситуацию для новых материалов. Может показаться, что с кремнием все уже давно известно, однако мы показали, что наноструктуры кремния все еще недостаточно хорошо изучены и имеют потенциал для производства сенсоров.

В нашем устройстве используются кремниевые нити длиной 10 микрометров (1/4 от толщины человеческого волоса) и диаметром порядка 150 нанометров. Благодаря очень высокому соотношению длины к поперечному сечению нити обладают большой площадью поверхности при крайне небольшом объеме. Как следствие, свойства нанонитей кремния сильно зависят от окружающей среды, различных молекул, которые адсорбируются на поверхность нитей», — рассказал об исследовании Валерий Кондратьев, младший научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ.

Ученые предложили новый селективный метод качественного и количественного анализа. Созданный сенсор позволяет детектировать важные для биологии и медицины вещества при их удельной доле менее чем один на миллион.

Опытный образец сенсора — это пластинка стекла размером 7 на 7 миллиметров. Она представляет собой большое количество кремниевых нанонитей с электрическими контактами из золота. Нити — это параллельно подключенные резисторы, сопротивление которых меняется при изменении состава окружающей среды. При помощи такого наноразмерного чувствительного элемента можно экономично детектировать кислоты и щелочи, погружая сенсор в жидкость или помещая его над поверхностью биологической пробы для анализа пара.

В первую очередь мобильный и простой в обращении сенсор можно использовать для оценки качества воздуха, а поместив сенсор непосредственно в местах стока воды, возможно осуществлять эффективный контроль доли кислот и вредных солей в ее составе. Также перспективно использовать устройство для предварительного тестирования в медицине:

«Повышенное количество различных химических соединений (биологических маркеров) позволяет зафиксировать сбои организма на ранней стадии развития патологии. Например, соляная кислота необходима пищеварительной системе, и ее переизбыток доставляет весьма ощутимый дискомфорт. Повышенный аммиак дает неприятный запах изо рта, и это явный сигнал о сбое работы желудочно-кишечного тракта. Зная показатели нормы здорового организма, мы можем легко провести экспресс-тест и контролировать уровень маркеров в любое время. Например, достаточно снять немного пота с поверхности кожи, чтобы измерить долю аммиака», — добавил Валерий Кондратьев.

Для оптимизации производительности в лаборатории разработали три типа сенсоров: на основе кремниевых нанопроволок, нанопроволок, обработанных плавиковой кислотой, и нанопроволок с наночастицами серебра. В ходе тестирования датчики продемонстрировали высокую чувствительность, зависящую от подготовки нитей. Обработка плавиковой кислотой стимулирует поверхностное окисление, обеспечивая более высокую плотность мест адсорбции, и оказывается перспективной для обнаружения содержания исследуемых химических составляющих.

«Кремний не находит достойного своим качествам применения в области сенсорики, и мы решили это исправить. Мы рассмотрели его в геометрии нанокристаллов, обладающих развитой поверхностью, на которой осаждаются различные химические соединения. Химически модифицируя поверхность кристаллов, мы эту абсорбцию способны контролировать. Кроме того, мы в своей работе продемонстрировали новый подход к анализу электронных свойств различных структур, специфическим образом интерпретируя данные спектроскопии электрического импеданса, открыв, таким образом, новый метод исследования. Так мы расширяем сферы применение кремния, что позволит значительно удешевить сенсоры нового поколения», — подытожил заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ Алексей Большаков.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования России. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 20:03
Андрей

Человек множеством способов загрязняет природу вокруг себя, преимущественно воду. В Мировой океан попадают как отходы с производств, так и тонны пластикового мусора. Все это способно отравлять жизнь морских животных, особенно редких вроде акул. Одним из малоизученных токсичных источников можно назвать наркотики, в частности кокаин. Случайное употребление этого вещества акулами раньше только предполагали, но теперь бразильские биологи нашли прямые доказательства.

Вчера, 17:59
Дарья Г.

На сегодня удалось подтвердить существование тысяч экзопланет, но лишь около 25 из них получилось запечатлеть напрямую. Причем из них лишь шесть объектов старше 100 миллионов лет. И вот, наконец, ученые смогли сделать снимок взрослой экзопланеты.

Позавчера, 12:00
НИУ ВШЭ

Международная команда исследователей с участием ученых из НИУ ВШЭ изучила, как люди, владеющие двумя языками (билингвы), ассоциируют время с пространством. Оказалось, что и в первом, и во втором языке они связывают прошлое с левой частью пространства, а будущее — с правой. При этом чем выше уровень владения вторым языком, тем сильнее выражена эта связь.

22 июля
Татьяна

Исследуя глубоководные сообщества в районе Тихого океана, богатом железомарганцевыми конкрециями, ученые из Великобритании неожиданно обнаружили новый источник кислорода. Теперь они опасаются, что разработка этих месторождений может нарушить сложившиеся экосистемы.

Позавчера, 12:00
НИУ ВШЭ

Международная команда исследователей с участием ученых из НИУ ВШЭ изучила, как люди, владеющие двумя языками (билингвы), ассоциируют время с пространством. Оказалось, что и в первом, и во втором языке они связывают прошлое с левой частью пространства, а будущее — с правой. При этом чем выше уровень владения вторым языком, тем сильнее выражена эта связь.

Позавчера, 20:03
Андрей

Человек множеством способов загрязняет природу вокруг себя, преимущественно воду. В Мировой океан попадают как отходы с производств, так и тонны пластикового мусора. Все это способно отравлять жизнь морских животных, особенно редких вроде акул. Одним из малоизученных токсичных источников можно назвать наркотики, в частности кокаин. Случайное употребление этого вещества акулами раньше только предполагали, но теперь бразильские биологи нашли прямые доказательства.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

15 июля
Александр Березин

Авторы нового исследования впервые показали, что круглые провалы в лунной поверхности не просто близки к многокилометровым пещерам на естественном спутнике Земли, но и располагают тоннелями, ведущими в глубину.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно