Разработка датчиков для обнаружения смертельных взрывчатых веществ
Развитие датчиков важно для безопасности во всем мире. Узнайте, как ученые разрабатывают датчики для триацетона трипероксида (TATP), одного из самых известных взрывчатых веществ в мире.
После террористических взрывов в Брюсселе в начале этого года сенатор Чак Шумер попросил антитеррористическое агентство американского правительства ускорить тестирование новейшей технологии для обнаружения взрывчатого вещества, используемого при нападении.
В результате бомбардировки, в которой погибло по меньшей мере 31 человек, использовался триацетон триароксида. Взрывчатка также была основным элементом парижской атаки в прошлом году.
Триацетон трипероксид (ТАТФ)
Триацетон-трипероксид, перекисное взрывчатое вещество, все чаще используется террористами в течение последних десятилетий. Это происходит главным образом из-за того, что исходные вещества взрывчатого вещества, то есть ацетона, перекиси водорода и кислоты, все коммерчески доступны в аптеках и магазинах. Кроме того, процесс синтеза триацетона триароксида или ТАТФ для краткости является простым и доступным в Интернете.
TATP почти такой же сильный, как TNT, который является наиболее часто используемым военным взрывчаткой. Однако, в отличие от TNT, TATP настолько чувствителен к теплоте, шоку и трению, что у него нет военного использования. Поскольку TATP может взорваться во время производства, это создает опасность для создателя, как и для цели, объясняя другое название взрывчатки «Мать сатаны».
Интересно, что взрыв ТАТП связан с редким явлением, известным как энтропийный взрыв. Это означает, что реакция обычно не вызывает никакого тепла или пламени. Вместо этого он вызывает значительное изменение объема путем образования четырех газофазных молекул из каждой молекулы TATP в твердом состоянии. Это напоминает нам реакцию, которая возникает в безопасных подушках безопасности и быстро производит большое количество газа во время несчастных случаев.
Флакон, содержащий фильтровальную бумагу TATP лаборатории URI. Изображение предоставлено Phys
Проблемы обнаружения TATP
Поскольку TATP не содержит нитрогрупп или металлических элементов, он не обладает значительным поглощением в ультрафиолетовой области и не флуоресцирует. В результате обычные методы обнаружения взрывчатых веществ, такие как методы спектроскопии, неэффективны в случае TATP.
Предыдущие исследования по детектированию ТАТП, такие как спектроскопия ионной подвижности, масс-спектрометрия, флуоресцентная спектроскопия и абсорбционная спектроскопия, недостаточно быстры и / или не могут обеспечить достаточную точность. Эти методы обычно требуют дорогостоящей и не переносной аппаратуры и основаны на обширной выборке.
Обнаружение фазы пара TATP
Взрывное вещество имеет давление пара около 0, 03 торр при комнатной температуре. Давление паров, которое представляет собой давление, оказываемое паром соединения в термодинамическом равновесии с его твердой (или жидкой) формой, является показателем скорости сублимации (испарения) соединения.
Обладая высоким давлением паров, TATP может легко сублимировать при комнатной температуре. Это делает хранение взрывчатого вещества трудным и опасным. Тем не менее, исследователи использовали эту функцию для выполнения определения фазы пара TATP.
Исследование, опубликованное в 2009 году группой инженеров-химиков, использует массив датчиков, каждый элемент которого представляет собой транзистор с полевым эффектом. Затвор каждого из этих устройств заменяется монослоем рецепторных молекул. При воздействии пара TATP ток, проходящий через устройство, изменяется. Однако было установлено, что предел обнаружения для этой схемы составляет около 100 п.п.б. (частей на миллиард).
Схема устройства на основе GaAs и матрицы, содержащей 20 устройств. Изображение предоставлено ScienceDirect
В 2010 году исследования, проведенные в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн, использовали колориметрическую сенсорную матрицу для обнаружения пара TATP с пределами обнаружения ниже 2ppb.
Колориметрический датчик основан на газочувствительном материале, который испытывает изменение цвета, поскольку он подвергается воздействию целевого газа. Эти датчики способны обнаруживать такие газы, как монооксид углерода, аммиак, диоксид азота и этилен.
Исследователи из Университета штата Иллинойс предварительно обработали поток пара TATP с помощью твердого кислотного катализатора Amberlyst-15 и выставили матрицу датчиков на продукт разложения кислоты. В зависимости от концентрации пара TATP эксперимент привел к разным цветовым картам, как показано на следующем рисунке.
Карты разности цветов для различных концентраций паров TATP. Изображение предоставлено JACS
Используя эти образцы, можно обнаружить различные концентрации паров ТАТФ. Согласно исследованию, выбор подходящей каталитической кислоты играет значительную роль в минимальной концентрации, которая может быть обнаружена. К сожалению, этот метод основан на одноразовом использовании и не может использоваться при непрерывном обнаружении в реальном времени.
Метод обнаружения, разработанный URI
Исследовательская группа химического машиностроения Университета Род-Айленда изучила сложный пар, который получен из сублимации ТАТФ. Они спроектировали датчик, который чувствителен как к пероксидным связям в TATP, так и к его органическим побочным продуктам.
Исследование привело к созданию термодинамического газового сенсора, который мог бы обнаруживать ТАТФ с высокой селективностью и высокой чувствительностью. Датчик измерял тепло, поглощенное или генерируемое катализатором, в присутствии TATP и продуктов его разложения. Для обнаружения в реальном времени с минимальным количеством ложных тревог использовалось множество различных катализаторов.
До нападений в Брюсселе технология должна была быть оспариваема осенью на объектах в Атлантик-Сити, Нью-Джерси и в Саванне, штат Джорджия. Однако после атаки Шумер сказал, что детекторы могут сэкономить бесчисленные жизни и что тестирование должно быть сделано как можно скорее, не теряя ни минуты.
В 2008 году Министерство национальной безопасности США начало финансировать работу университета через центр исследований взрывчатых веществ.
Шумер добавил, что лабораторные эксперименты показали, что детектор может непрерывно контролировать воздух и вынюхивать очень небольшое количество взрывчатого вещества. По мнению Шумера, необходимо проверить только реальную жизнь и работу на месте системы.
Отто Грегори, профессор технологии химической инженерии Университета Род-Айленда, отметил, что устранение проблем, связанных с исследованиями, и предоставление приоритета технологическим правительствам позволят ускорить тестирование на несколько месяцев. Он добавил, что детектор может конкурировать с полицейской бомбой-нюхающей собакой и, в отличие от собаки, ему не нужна подготовка или перерывы!
Он ожидал, что первый прототип будет стоить от $ 1, 000 до $ 2000, но, по оценкам, его последним устройством будет карманный продукт на несколько сотен долларов.
Профессор Отто Грегори проводит кремниевую пластину, которая содержит датчики для обнаружения TATP. Изображение предоставлено Phys
Брюссельские атаки снова привлекли внимание к тому, насколько опасен ТАТП. Он также напомнил нам, что быстрое, чувствительное и надежное обнаружение взрывчатого вещества имеет первостепенное значение.