بهبود حساسیت حسگرهای شیمیایی با نانواستارها

به گزارش واحد علم و فناوری خبرگزاری صبح اقتصاد  از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، فناوری SERS که سال‌ها مورد توجه دانشمندان بوده است، بر توانایی ساختارهای فلزی نانومقیاس برای تقویت میدان‌های الکترومغناطیسی و در نتیجه افزایش سیگنال رامان استوار است. این فناوری می‌تواند کوچک‌ترین ردهای شیمیایی را شناسایی کند و از این رو ابزار ارزشمندی در تشخیص‌های سریع و دقیق محسوب می‌شود. با این‌ حال، چالش همیشگی SERS ایجاد بستری صنعتی و پایدار بوده که بتواند در مقیاس بزرگ، سیگنال‌های قابل‌اعتماد و همسان تولید کند.

اکنون پژوهش تازه‌ای که در نشریهٔ Advanced Optical Materials منتشر شده، مسیر تازه‌ای برای عبور از این محدودیت‌ها ارائه کرده است. گروه پژوهشی به‌کمک نانوساخت و کنترل شیمی سطح، بستری پلاسمونیکی طراحی کرده‌اند که نانودیسک‌های طلا را به ساختارهای ستاره‌ای‌ تبدیل می‌کند؛ ساختارهایی که نوک‌های تیز و هندسهٔ پیچیدهٔ آن‌ها قادر است میدان‌های الکترومغناطیسی فوق‌العاده شدید ایجاد کند. این نقاط تقویت موسوم به «نقاط داغ» نقشی کلیدی در افزایش چشمگیر حساسیت سامانه دارند.

فرآیند تولید این بسترها از لیتوگرافی پرتو الکترونی آغاز می‌شود؛ روشی که امکان ایجاد آرایه‌هایی منظم از نانودیسک‌ها را با دقتی در حد چند نانومتر فراهم می‌کند. در مرحلهٔ بعد، واکنش‌های رشد شیمیایی کنترل‌شده این نانودیسک‌ها را به نانواستارهایی تبدیل می‌کند که به دلیل شکل هندسی ویژهٔ خود می‌توانند سیگنال SERS را به‌طور چشمگیری تقویت کنند.

پژوهشگران گزارش داده‌اند که این نانواستارها در مقایسه با نانودیسک‌های اولیه، تقویت‌های موضعی بسیار قوی‌تری ایجاد می‌کنند؛ به‌طوری‌که نوک‌های تیز آن‌ها در نقش نقاط متمرکزکنندهٔ میدان، بازده سیگنال را افزایش می‌دهند. شبیه‌سازی‌های انجام‌شده توسط «تمپل داگلاس» از گروه نیِدر (Nieder Group)، همراه با آزمایش‌های تجربی، این افزایش سیگنال را تأیید کرده است.

یکی از نکات مهم این تحقیق، اثبات امکان استفادهٔ مقرون‌به‌صرفه از روش‌های ساخت بالا به پایین است؛ روشی که اغلب به دلیل هزینهٔ بالا و دشواری در تولید انبوه، برای کاربردهای گسترده مناسب قلمداد نمی‌شد. اما تیم پژوهشی با استفاده از روش‌هایی همچون تنظیم بهینهٔ تابش و روش «dots-on-the-fly»، زمان و هزینهٔ ساخت را کاهش داده است، بدون آنکه دقت ساخت نانومقیاس قربانی شود.

این روش جدید کنترل کم‌نظیری بر فاصلهٔ ذرات، شکل، چیدمان و توزیع آن‌ها فراهم می‌آورد؛ پارامترهایی که برای تولید سیگنال‌های پایدار و قابل‌اعتماد در فناوری SERS حیاتی هستند. آرایه‌های نانواستاری تولیدشده نشان می‌دهند که چگونه طراحی دقیق هندسی می‌تواند مستقیماً به افزایش کیفیت و کارایی سامانه‌های سنجشی منجر شود.

افزون بر این، پژوهشگران تأکید کرده‌اند که این دستاورد می‌تواند آیندهٔ سامانه‌های SERS را دگرگون کند. ترکیب اصلاح سطحی با فرآیندهای موجود و استفاده از روش‌های لیتوگرافی گسترده، مانند نانوایمپریش یا لیتوگرافی فرابنفش عمیق، می‌تواند مسیر تولید انبوه و ارزان‌تر این بسترهای پیشرفته را هموار کند.

بر پایه این پژوهش، ترکیب نانوساخت دقیق و رشد کنترل‌شدهٔ شیمیایی می‌تواند پایهٔ نسل تازه‌ای از بسترهای SERS با عملکرد بالا باشد؛ بستری که کاربردهای آن از تشخیص‌های زیست‌پزشکی و پایش آلاینده‌های محیطی تا آنالیزهای شیمیایی و سنجش اپتیکی گسترده است. گزارش منتشرشده این تحول را «مسیر روشنی برای توسعهٔ بسترهای SERS ویژهٔ کاربرد و قابل‌گسترش» توصیف کرده است.

انتشار این نتایج در یکی از معتبرترین مجلات مواد پیشرفته نشان می‌دهد که نانواستارها می‌توانند به‌عنوان ابزارهای حسگر نسل آینده، نقش مهمی در فناوری‌های تشخیص سریع و دقیق ایفا کنند. اکنون که کاربردهای SERS در صنایع مختلف رو به گسترش است، بسترهای پایدار و دقیق، همچون سامانهٔ معرفی‌شده توسط گروه INL، گامی اساسی در مسیر عملیاتی‌سازی این فناوری پیشرفته به شمار می‌رود.