Кремний — ключ к созданию высокочувствительных сенсоров для медицины и экологии
Группа ученых из МФТИ и Санкт-Петербурга представила новый высокочувствительный сенсор, который использует кремниевые нанонити для анализа состава жидких растворов и паров с кислотами и щелочами. Этот сенсор можно интегрировать в мобильные устройства, что позволяет определять наличие вредных примесей как в промышленных, так и в бытовых условиях. Кроме того, его можно использовать его для создания высокочувствительных датчиков, которые применяются в медицине. Такие датчики помогут обнаруживать и анализировать вредные вещества в организме, что может быть полезно для диагностики и контроля здоровья.
Кремний является наиболее распространенным и технологичным материалом, используемым в современной электронике. Ученые из МФТИ нашли новое применение кремниевым наноструктурам, которые имеют высокую площадь поверхности и зависят от окружающей среды и адсорбированных молекул на их поверхности. Кремниевые нанонити — нанометровые структуры, которые имеют форму тонких проволок или столбиков, выращенных на кремниевой подложке. Они обладают уникальными свойствами, такими как большая площадь поверхности, высокая чувствительность к окружающей среде и возможность модификации химическими или биологическими агентами. Благодаря этому они могут служить основой для разработки различных сенсоров, которые могут регистрировать изменения концентрации различных химических соединений в жидкостях или газах.
— Валерий Кондратьев, младший научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ.
Созданный сенсор предлагает новый селективный метод для качественного и количественного анализа. Он может обнаруживать вещества важные для биологии и медицины даже при их удельной доле менее чем один на миллион.
Сенсор представлен в виде пластинки стекла с кремниевыми нанонитями и золотыми электрическими контактами. Нанонити представляют собой резисторы, сопротивление которых изменяется при изменении состава окружающей среды. Он может использоваться, чтобы экономично обнаруживать кислоты и щелочи, погружая его в жидкость или помещая над поверхностью биологической пробы для анализа кислотных и алкалиновых паров.

Верхнее слева — фото сенсора, где сам сенсор — это круг 7 мм в диаметре. Справа — его оптическое изображение (предоставлено авторами исследования). Справа внизу — концепт работы сенсора, то, каким образом на нити адсорбируются молекулы газов.
Сенсор может быть использован для оценки качества воздуха и контроля доли кислот и вредных солей в сточной воде. Он также может быть перспективным инструментом для предварительного тестирования в медицине, позволяя зафиксировать различные химические соединения, которые могут указывать на сбои в работе организма.
В лаборатории были разработаны три типа сенсоров, которые позволяют оптимизировать производительность. Один из них основан на кремниевых нанопроволоках, другой — на нанопроволоках, обработанных плавиковой кислотой, а третий — на нанопроволоках с наночастицами серебра. В ходе тестирования было выяснено, что чувствительность датчиков сильно зависит от подготовки нитей. Обработка плавиковой кислотой приводит к поверхностному окислению, что повышает плотность областей адсорбции, и эта методика оказывается перспективной для обнаружения химических составляющих, которые изучались в рамках исследования.
Результаты исследования были опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.
Кремний является наиболее распространенным и технологичным материалом, используемым в современной электронике. Ученые из МФТИ нашли новое применение кремниевым наноструктурам, которые имеют высокую площадь поверхности и зависят от окружающей среды и адсорбированных молекул на их поверхности. Кремниевые нанонити — нанометровые структуры, которые имеют форму тонких проволок или столбиков, выращенных на кремниевой подложке. Они обладают уникальными свойствами, такими как большая площадь поверхности, высокая чувствительность к окружающей среде и возможность модификации химическими или биологическими агентами. Благодаря этому они могут служить основой для разработки различных сенсоров, которые могут регистрировать изменения концентрации различных химических соединений в жидкостях или газах.
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 (¼ 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
— Валерий Кондратьев, младший научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ.
Созданный сенсор предлагает новый селективный метод для качественного и количественного анализа. Он может обнаруживать вещества важные для биологии и медицины даже при их удельной доле менее чем один на миллион.
Сенсор представлен в виде пластинки стекла с кремниевыми нанонитями и золотыми электрическими контактами. Нанонити представляют собой резисторы, сопротивление которых изменяется при изменении состава окружающей среды. Он может использоваться, чтобы экономично обнаруживать кислоты и щелочи, погружая его в жидкость или помещая над поверхностью биологической пробы для анализа кислотных и алкалиновых паров.

Верхнее слева — фото сенсора, где сам сенсор — это круг 7 мм в диаметре. Справа — его оптическое изображение (предоставлено авторами исследования). Справа внизу — концепт работы сенсора, то, каким образом на нити адсорбируются молекулы газов.
Сенсор может быть использован для оценки качества воздуха и контроля доли кислот и вредных солей в сточной воде. Он также может быть перспективным инструментом для предварительного тестирования в медицине, позволяя зафиксировать различные химические соединения, которые могут указывать на сбои в работе организма.
В лаборатории были разработаны три типа сенсоров, которые позволяют оптимизировать производительность. Один из них основан на кремниевых нанопроволоках, другой — на нанопроволоках, обработанных плавиковой кислотой, а третий — на нанопроволоках с наночастицами серебра. В ходе тестирования было выяснено, что чувствительность датчиков сильно зависит от подготовки нитей. Обработка плавиковой кислотой приводит к поверхностному окислению, что повышает плотность областей адсорбции, и эта методика оказывается перспективной для обнаружения химических составляющих, которые изучались в рамках исследования.
Результаты исследования были опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.
- Евгения Бусина
- МФТИ
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Вопреки пропаганде Гитлера: почему немцы на фронте ценили советское оружие?
Брали все: пистолеты-пулеметы, винтовки, минометы, танки и даже самолеты...
«Цирк Шубикова» с бомбами: как в СССР создали «невозможный» авианосец
Самолеты атаковали противника, срываясь с летающей авиабазы. Это пытались сделать и США, и Германия, но получилось только у Советского Союза...
Необъяснимые взрывы в небе: темная история первого реактивного лайнера
Почему серия катастроф с британскими самолетами отдала воздух Советскому Союзу?...
Медный парадокс: почему электричество никогда не придет в каждый дом
Эксперты считают, что развитие цивилизации уперлось в мощный геологический барьер. Кто виноват и как выходить из этой ситуации?...
Тайна разгадана: почему люди — это единственные приматы с подбородком
Оказалось, что эволюция действует не так, как столетиями считали ученые...
«Проклятие» Романовых: отчего на самом деле умер брат Петра I, царь Федор?
Российские ученые разгадали болезнь, которая свела в могилу старшую ветвь царской семьи...
Обнаружены, но обречены: кто угрожает гробницам, которые старше первых пирамид?
6000-летняя культура, обнаруженная спутниками, была уникальной. Она застала времена, когда Сахара была еще зеленой...
60 млрд Солнц в одной точке: что скрывает самая тяжелая пара черных дыр?
Секрет абсолютной пустоты, похоже, разгадан. Там нет вообще ничего: Ни пыли, ни газа, ни звезд...
Назад в будущее: почему Швеция запрещает смартфоны в школах и возвращается к бумажным учебникам?
По словам экспертов, отмена цифровизации сейчас происходит во многих странах. Неужели человечество одумалось и начинает выздоравливать?...
СССР был первым в энергии ветра: что помешало стать лидером планеты?
Это был невероятный и прорывной проект советского конструктора Юрия Кондратюка. Того самого, по расчетам которого, американцы полетели на Луну...
Новое исследование: Христофор Колумб — вообще не тот, кем его считали историки
Ученые даже назвали подлинное имя великого мореплавателя...
Еще одна тайна Аркаима разгадана: ученые объяснили, почему древний город построен именно на этом месте
Оказалось, что наши далекие предки очень умело использовали природную инфраструктуру и обладали инженерными знаниями...
Мы все «марсиане»: ученые доказали, что жизнь с Красной планеты могла долететь за несколько лет
Компьютерное моделирование подтвердило: бактерии способны пережить Великий перенос с Марса на Землю. И этот процесс может идти прямо сейчас...