ENGINEERINGNET.BE - Het inademen van ultrafijnstof (UFP's) kan ernstige gezondheidsrisico’s met zich meebrengen.
Om dit te voorkomen, zijn nauwkeurige manieren nodig om UFP's te detecteren en zo de luchtkwaliteit te monitoren. Bij voorkeur door kleine, compacte, nauwkeurige en goedkope apparaten.
TU Eindhoven ontwikkelde daartoe een nanofotonische sensor die gevoelig is voor minuscule veranderingen in de omgeving rond de sensor. Zozeer dat het een enkel nanodeeltje kan detecteren. De sensor omvat een halfgeleider chip, die op het topje van de glasvezel wordt geplaatst.
Het sensorwerk is gebaseerd op een fotonisch kristal, een periodieke structuur die licht in alle richtingen kan reflecteren. “Er is een onregelmatigheid toegevoegd aan dit kristal: een ‘photonic crystal cavity’ (PhCC),” zegt promovendus Arthur Hendriks van TU Eindhoven.
Dit zorgt ervoor dat licht voor langere tijd in het kristal gevangen kan blijven. Hendriks: “Licht wordt zo opgesloten in een volume dat kleiner is dan 1 µm3. Dit staat bekend als het modusvolume, en dat moet heel klein zijn om minuscule nanodeeltjes te meten.”
De onderzoekers waren in staat om de PhCC op het topje van de vezel te plaatsen met behulp van een methode die eerder door TU Eindhoven is ontwikkeld. Wanneer een klein deeltje in de buurt komt van de PhCC in het kristal, verstoort het de holte door de brekingsindex te veranderen. “Het kleine deeltje verandert dus de golflengte van de holte, en we meten deze verandering.”
“Onze opzet biedt een ongekende gevoeligheid in vergelijking met eerdere technologieën,” stelt Hendriks. “Met behulp van de sensor konden we in real time afzonderlijke UFP’s detecteren met diameters van slechts 50 nanometer.”
De volgende stap voor Hendriks en zijn collega’s is om de holtes op te hangen, zodat de kwaliteitsfactor en de koppelingsefficiëntie nog hoger worden. Dit zou kunnen resulteren in nanofotonische holtes met eersteklas eigenschappen, die nog steeds uitleesbaar zijn via de glasvezel.
“Onze benadering zou gebruikt kunnen worden om nog kleinere deeltjes te detecteren. Of in andere toepassingen zoals single-foton emitters en nano-optomechanische sensoren,” zegt Hendriks. “Zelfs de detectie van enkelvoudige biologische moleculen kan mogelijk zijn.”
De volgende stap voor de UFP-sensor is het Europese project LEARN, dat zich richt op het controleren en evalueren van de luchtkwaliteit op scholen. TU Eindhoven is van plan om verder te werken aan de sensor en deze te testen als onderdeel van dit project.
