Nanotubi di carbonio e api rivoluzioneranno la ricerca degli esplosivi

11 anni fa

6 minuti

Cercare un ago in un pagliaio diventerebbe facilissimo se quell’ago fosse un esplosivo.

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno ideato e creato un rilevatore per esplosivi talmente sensibile da riuscire ad individuarne anche solo una singola molecola.

Per creare tali sensori il gruppo di ingegneri chimici, guidati da Michael Strano, hanno rivestito dei nanotubi di carbonio con frammenti di una proteina (Bombolitina) solitamente trovata all’interno del veleno d’ape. E’ la prima volta che questa proteina si è vista reagire con degli esplosivi, in particolare con quelli della categoria dei nitroderivati aromatici come ad esempio il Tritolo (TNT).

Sensori di questo tipo, se sviluppati all’interno di dispositivi commerciali, risulterebbero ancora più sensibili rispetto agli attuali rilevatori di esplosivi (ad esempio quelli comunemente usati negli aeroporti) che utilizzano la spettrometria per analizzare le particelle cariche in movimento attraverso l’aria.

Spiega Michael Strano: “Gli spettrometri basati sul movimento ionico sono largamente utilizzati perchè poco costosi e molto affidabili. Tuttavia, questa nuova generazione di sensori porterebbe i dispositivi all’ultimo livello di rilevazione: percepire le singole molecole di esplosivo a temperatura ambiente e a pressione atmosferica normale.”

Un ex-studente laureato del laboratorio di Strano, Daniel Heller, ha pubblicato online nel corso della scorsa settimana un articolo descrivendo nei dettagli questa tecnologia, lo potete leggere in approfondimento.

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A unique fingerprint:

Strano has filed for a patent on the technology, which makes use of protein fragments called bombolitins. “Scientists have studied these peptides, but as far as we know, they’ve never been shown to have an affinity for and recognize explosive molecules in any way,” he says.

In recent years, Strano’s lab has developed carbon-nanotube sensors for a variety of molecules, including nitric oxide, hydrogen peroxide and toxic agents such as the nerve gas sarin. Such sensors take advantage of carbon nanotubes’ natural fluorescence, by coupling them to a molecule that binds to a specific target. When the target is bound, the tubes’ fluorescence brightens or dims.

The new explosives sensor works in a slightly different way. When the target binds to the bee-venom proteins coating the nanotubes, it shifts the fluorescent light’s wavelength, instead of changing its intensity. The researchers built a new type of microscope to read the signal, which can’t be seen with the naked eye. This type of sensor, the first of its kind, is easier to work with because it is not influenced by ambient light.

“For a fluorescent sensor, using the intensity of the fluorescent light to read the signal is more error-prone and noisier than measuring a wavelength,” Strano says.

Each nanotube-peptide combination reacts differently to different nitro-aromatic compounds. By using several different nanotubes coated in different bombolitins, the researchers can identify a unique “fingerprint” for each explosive they might want to detect. The nanotubes can also sense the breakdown products of such explosives.

“Compounds such as TNT decompose in the environment, creating other molecule types, and those derivatives could also be identified with this type of sensor,” Strano says. “Because molecules in the environment are constantly changing into other chemicals, we need sensor platforms that can detect the entire network and classes of chemicals, instead of just one type.”

The researchers also showed that the nanotubes can detect two pesticides that are nitro-aromatic compounds as well, making them potentially useful as environmental sensors. The research was funded by the Institute for Soldier Nanotechnologies at MIT.

Philip Collins, a professor of physics at the University of California at Irvine, says the new approach is a novel extension of Strano’s previous work on carbon-nanotube sensors. “It’s nice what they’ve done — combined a couple of different things that are not sensitive to explosives, and shown that the combination is sensitive,” says Collins, who was not involved in this research.

The technology has already drawn commercial and military interest, Strano says. For the sensor to become practical for widespread use, it would have to be coupled with a commercially available concentrator that would bring any molecules floating in the air in contact with the carbon nanotubes.

“It doesn’t mean that we are ready to put these onto a subway and detect explosives immediately. But it does mean that now the sensor itself is no longer the bottleneck,” Strano says. “If there’s one molecule in a sample, and if you can get it to the sensor, you can now detect and quantify it.”

Other researchers from MIT involved in the work include former postdocs Nitish Nair and Paul Barone; graduate students Jingqing Zhang, Ardemis Boghossian and Nigel Reuel; George Pratt ’10 and junior Adam Hansborough.
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Per chi non fosse molto ferrato con l’inglese ne faccio un breve riassunto:

I nanotubi di carbonio sono di per sè fluorescenti, cioè reagiscono emettendo luce a frequenza diversa da quella con cui vengono irradiati, e si è scoperto che la lunghezza d’onda della luce emessa cambia se le bombolitine (proteine estratte dal veleno d’ape) di cui sono ricoperti vengono a contatto con molecole di esplosivo disperse nell’aria.
Questa variazione di lunghezza d’onda non è percepibile ad occhio nudo, ma può essere facilmente rilevata con un apposito microscopio non essendo inoltre influenzata dalla luce ambientale.

La cosa più interessante riguarda il fatto che ogni composto di tipo nitro-aromatico reagisce in maniera differente a questi sensori, permettendo così di catalogarli associando ad ogni esplosivo la lunghezza d’onda relativa, come una sorta di “impronta digitale”.

Questi sensori riescono a rilevare due pesticidi di tipo nitro-aromatico rendendoli quindi potenzialmente utili a fini ambientali.

Fonte: MIT News, Popsci, Technews

Articolo di Noble bazingato qui.

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