Silicio negro para detectar contaminantes
Imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de picos de silicio negro después de la irradiación con láser de fs. Foto: Sedao/CNRS

Investigadores rusos de la Universidad Federal del Lejano Oriente (FEFU), junto con expertos de la Universidad de Swinburne y el Centro de Nanofabricación de Melbourne, utilizan silicio negro para detectar contaminantes altamente tóxicos y explosivos.

compuestos nitroaromáticos
(a) Ilustración esquemática del procedimiento de fabricación. (b) La imagen SEM de vista lateral (ángulo de visión de 40º) del recuadro funcionalizado de b-Si muestra b-Si desnudo para comparación). (c) Espectro XPS de alta resolución Si 2p (curva sólida) equipado con tres componentes o estados químicos (curvas discontinuas). (d) Espectro FTIR de absorbancia de orden cero normalizado (1-R) ​​de cbz-bSi. El recuadro muestra esquemáticamente la estructura de la molécula de carbazol. Las áreas coloreadas resaltan varias bandas de vibración identificadas del carbazol. Imagen: Oficina de prensa de FEFU

En la década de los noventa del siglo pasado, en la Universidad estadounidense de Harvard, el físico Eric Mazur descubrió por casualidad un nuevo material que denominó silicio negro. A partir de entonces, se le ha encontrado múltiples aplicaciones como, por ejemplo, en fotografía digital, en la fabricación de células solares y para matar bacterias.

Este ingenio, publicado en ACS Sensors, es capaz de detectar trazas de compuestos nitroaromáticos y puede aplicarse para identificar la mayoría de los explosivos o contaminantes altamente tóxicos para evaluaciones médicas y forenses.

Como describen estos científicos en su trabajo, se fabrica mediante grabado reactivo de alto rendimiento de sustratos de silicio disponibles comercialmente. Tiene una superficie puntiaguda nanoestructurada, que exhibe propiedades ópticas únicas.

Funcionalización química

Después del grabado, la superficie se cubre con una monocapa de moléculas de carbazol. Este proceso se denomina funcionalización química, ya que las moléculas unidas imparten al sustrato una función importante, que es la capacidad de unir y concentrar compuestos nitroaromáticos en la superficie.

De esta forma, la monocapa de carbazol hace que el dispositivo sea sensible a sustancias nitroaromáticas tan difundidas como nitrobenceno, o-nitrotolueno, 2,4-dinitrotolueno, etc. Sin embargo, el sensor no reacciona a la presencia de otras moléculas, como benceno, tolueno, tetraclorometano, metanol, etanol, entre otras.

Vídeo: Universitat Rovira i Virgili

Alexander Kuchmizhak, miembro de este equipo de la FEFU, aclara que “los compuestos nitroaromáticos se pueden encontrar en aguas residuales de plantas de pintura o instalaciones militares, y son extremadamente peligrosos para el medio ambiente. También son parte de muchos explosivos. Su detección en la concentración de trazas representa una tarea práctica importante y compleja”.

El sensor de la plataforma identifica la presencia de compuestos nitroaromáticos mediante el registro de los cambios en el espectro de luminiscencia de la capa funcional de carbazol que reacciona selectivamente a las moléculas nitroaromáticas.

Alta sensibilidad del silicio negro

Como explica el investigador, el silicio negro nanoestructurado utilizado como base del dispositivo le otorga una alta sensibilidad y un rango de medición dinámica sin precedentes. En el laboratorio, el sensor puede proporcionar información sobre la presencia de moléculas tóxicas en líquidos o gases en varios minutos.

Por su parte, Alexander Mironenko, diseñador del sensor, subraya que la combinación de propiedades ópticas y morfológicas únicas del silicio negro, “se combina con métodos fáciles de implementar de la química de la superficie utilizados para la superficie del silicio con moléculas de carbazol permitidas para lograr una sensibilidad nunca antes vista”.

El sensor de silicio negro es capaz de detectar compuestos nitroaromáticos contaminantes en concentraciones de hasta ppt (parte por trillón). El rango de medición dinámica extremadamente amplio lo causa la morfología puntiaguda única del silicio negro que proporciona una concentración local desigual de moléculas de carbazol creando sitios de superficie con diferente sensibilidad.

Los científicos esperan que la fabricación de la nueva plataforma de sensores sea bastante barata en comparación con los análogos existentes. Además, el mismo sensor se puede usar varias veces. Puede formar parte de los sistemas de sensores de gas que garantizan la seguridad pública y ecológica.

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