轻松检测环境的“芭啦芭啦小魔棒”

材料牛注：阿尔伯塔大学的研究人员发现，纳米谐振器可以帮助我们感觉到周围环境阻力的细微变化，并可用于检测环境中各种各样的化学物质。

从昆虫的解剖学中得到灵感，阿尔伯塔大学的跨学科研究团队想出了一个新方法，快速、准确地检测空气中危险的化学物质。

研究工作开始于化学与材料工程系的研究生Arindam Phani，他发现大多数昆虫的身体表面都有纤毛，但是并不清楚这些纤毛到底是什么。为了了解这些纤毛的用处，Phani在他的老师，加拿大油砂分子工程研究所主席Thomas Thundat，指导下设计了一系列实验包括将纤毛“移植”到振动芯片上。紧接着，阿尔伯塔大学的数学与统计科学的Vakhtang Putkaradze和Centennial教授加入该项目。以此实验和后续理论解释为核心的新研究项目，发表于9月6日出版的Scientific Reports上。

Putkaradze是数学家，同时也是力学领域的知名专家。他表示：“我们想做没有人做的事。当使用谐振器作为传感器，大多数人想消除讨厌的耗散或摩擦，因为这会影响你的测量结果。而我们却能够有效地利用耗散和摩擦。”

传感领域世界领先的专家Thundat表示：“在正常情况下，没有化学受体的感应化学物质是一个挑战。我们发现，机械谐振器运动过程中的摩擦损失中包含着丰富的信息，特别是在纳米尺度上更为显著。”

这个想法源于通过任何在空中迅速移动的物体都可以探测周围环境的属性。想象你来回挥舞手中的魔杖，甚至当你闭上眼睛时，都可以能感觉到魔杖穿过空气、水或者蜂蜜，这是因为能感觉到阻力。现在想象一根拥有数十亿纤毛的魔杖，以每秒几百万次的频率来回移动，可以预想其传感的可能性。

Putkaradze表示：“谐振器的纳米结构可以帮助我们感觉到周围环境阻力的细微变化，此类设备的灵敏性有利于检测各种各样的化学物质。”

论文的第一作者Phani相信：“类似的机械运动，包括纳米纤毛的波动可以用于生物传感。”因为摩擦会随着每分钟环境的变化而急剧变化且容易测量，它最终可能会产生一个大小相似或略大于一个魔方的能量单元并产生一定的破坏。

目前，该团队的设备主要用于感应空气中的化学气体。Putkaradze表示：“我们希望这个设备可以像一个更小、更便宜的光谱仪，测量百万之一的化学物质。”

除了规模和合理的成本，使得该设备区别于那些更大、更昂贵设备的是它的多功能性。Putkaradze解释：“因为我们的传感器不是定向地探测特定的化学物质，它有一个广泛的应用范围，实际上我们不需要用任何分子去创建一个机械反应，也就是说它也可重复使用。”该团队补充说，该设备最直接和明显的作用就是空气质量监测。Putkaradze表示：“我们愿意将其应用到执法和科学实验室中，但最显著的使用是对城市和资源化产业中大气污染的环境监测。”

设备未来的发展方向是针对颗粒物，如灰尘，以及空气中的病毒数量的检测，能够促进公共卫生水平的提高。

原文链接：Scientists create resonator with nanoscale features to detect dangerous chemicals in the environment。

文献链接：A nanostructured surface increases friction exponentially at the solid-gas interface。

本文由材料人编辑部杨超提供素材，牛效莹编译，薛文嘉审核，点我加入材料人编辑部。