Η ομάδα χημικών μηχανικών του Πανεπιστημίου του Wisconsin-Madison, μεταξύ των οποίων και ένας Έλληνας ερευνητής,ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για τη δημιουργία χημικών αισθητήρων, συνδυάζοντας τις γνώσεις τους πάνω στην υπολογιστική χημεία και τους υγρούς κρυστάλλους.

Οι ίδιες αρχές, τις οποίες οι ερευνητές χρησιμοποίησαν για να βελτιστοποιήσουν το υλικό τους και να ανιχνεύσουν ένα μόριο απομίμηση του θανατηφόρου αερίου σαρίν, θα ισχύουν επίσης και για κατασκευή αισθητήρων για άλλες ουσίες, όπως εκρηκτικά, βιομηχανικούς ρύπους, ή χημικούς δείκτες της νόσου που βρέθηκε στην αναπνοή ενός ατόμου. Οι ερευνητές δημοσίευσαν την έρευνα στο περιοδικό Nature Communications.

«Έχουμε δημιουργήσει ένα νέο πλαίσιο,» λέει ο Μάνος Μαυρικάκης, καθηγητής Χημικής και Βιολογικής Μηχανικής στο UW-Madison.

Το πλαίσιο αυτό αποτελεί μια νέα προσέγγιση για τη βελτιστοποίηση των διαφόρων συστατικών ενός αισθητήρα υγρών κρυστάλλων με βάση: μεταλλικά κατιόντα (θετικά φορτισμένα ιόντα), ανιόντα άλατος, διαλύτες, και τα μόρια που σχηματίζουν υγρούς κρυστάλλους-παρόμοια με εκείνα που χρησιμοποιούνται σε ψηφιακές οθόνες. Η έρευνα βασίστηκε στην εξειδίκευση στην Υπολογιστική Χημεία του Μ. Μαυρικάκη και την πειραματική εμπειρία του συνεργάτη του Νικολάου Άμποτ, επίσης καθηγητή Χημικής και Βιολογικής Μηχανικής στο UW-Madison.

Οι ερευνητές εναλλάσσονται μεταξύ κβαντικής χημικής μοντελοποίησης και εργαστηριακών πειραμάτων για να βελτιστοποιήσουν τα στοιχεία του αισθητήρα για μια στοχευμένη ουσία. Με μικροαλλαγές σε κάθε ένα από τα επιμέρους συστατικά κάθε φορά, εντόπισαν έναν ιδανικό συνδυασμό που ανταποκρίθηκε στο μόριο που ήθελαν να ανιχνεύσουν, το οποίο ονομάζεται αναλυτής.

Η ίδια προσέγγιση θα μπορούσε να αποφέρει καινοτόμους αισθητήρες για μια ολόκληρη σειρά διαφορετικών αναλυτών.

Στο μέλλον, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν τέτοια υλικά για να ανιχνεύεται η φρεσκάδα του ψαριού ή του κρέατος με βάση την παρουσία ιχνών του μορίου καδαβερίνη, το οποίο μυρίζει άσχημα. Μια άλλη παραλλαγή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση αναπνευστικών νόσων που βασίζονται στην ανάλυση των μικρών μορίων όπως το μονοξείδιο του αζώτου στην αναπνοή.

Το να δημιουργήσει κανείς αυτά τα ειδικά και ευαίσθητα υλικά στο εργαστήριο δεν είναι εύκολο εγχείρημα. Για πολύπλοκους αισθητήρες που περιλαμβάνουν πολλαπλά συστατικά, η μίξη των χημικών ουσιών με την ελπίδα να δημιουργηθεί ο τέλειος συνδυασμός είναι επίπονη και αναποτελεσματική.

Αντί να δαπανήσουν χρόνια σε δοκιμές, οι ερευνητές στράφηκαν προς προσομοιώσεις σε ηλεκτρονικό υπολογιστή πριν επιχειρήσουν πειράματα στο εργαστήριο.

«Είναι πράγματι η πρώτη φορά που η υπολογιστική χημεία με την κβαντική μηχανική έχει χρησιμοποιηθεί μαζί  για να δημιουργήσουν ένα συνεκτικό τρόπο σκέψης για τον περιορισμό των πιθανών λύσεων σε ένα «εκρηκτικά» περίπλοκο πρόβλημα», λέει ο Μαυρικάκης.

Και μετά τον εντοπισμό ελπιδοφόρα υποψηφίων συνδυασμών, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πραγματικές μετρήσεις για την περαιτέρω βελτίωση και τη βελτίωση των υπολογιστικών μοντέλων τους.

Το υλικό αυτό αποτελείται από μία λεπτή μεμβράνη μεταλλικού άλατος, με υγρούς κρυστάλλους συνδεδεμένους στην επιφάνεια με την ίδια κατεύθυνση. Οι ερευνητές έχουν σχεδιάσει ειδικά μόρια υγρών κρυστάλλων και κατιόντα μετάλλου, έτσι ώστε μικρές ποσότητες αναλυτή να διαταράσσουν τις αλληλεπιδράσεις των υγρών κρυστάλλων με την επιφάνεια και να δημιουργείται ένα οπτικό σήμα. Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Γραφείο Ερευνών του Στρατού υποστήριξε την έρευνα.

Ο Μάνος Μαυρικάκης είναι Χημικός και καθηγητής Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν-Μάντισον. Έχει συμπεριληφθεί στη λίστα των 100 καλύτερων χημικών του κόσμου για τη δεκαετία 2000-2010 από το Thomson Reuters.