TNT vangen in een kooi

Door de terreurdreiging controleren douaniers en politiemensen steeds strenger wat we allemaal meenemen in het vliegtuig en op een festivalterrein. Ook zetten ze steeds vaker honden in om eventuele explosieven op te sporen. Helaas is dit systeem niet waterdicht en glipt er af en toe nog iemand met slechte bedoelingen door de beveiliging. Onderzoekers van de TU Delft, Universiteit Twente, Philips en enkele buitenlandse instellingen slaan de handen ineen om de opsporing van explosieven een stuk makkelijker te maken.

In de kooi

Ze ontwikkelden een nieuw systeem, dat een TNT-molecuul vangt in een kleine kooi gemaakt van een metaal-organische polyhedra (MOP). “Aan de Universiteit Twente hebben ze de MOP zo aangepast dat er precies één TNT-molecuul in de kooi past”, vertelt Louis de Smet, die als oppervlaktechemicus aan de TU Delft aan dit project werkte maar afgelopen zomer verhuisde naar de Wageningen Universiteit. Deze MOP lijkt een beetje op een lantaarn: vier moleculaire ‘spijlen’ worden bij elkaar gehouden door verbindingen aan de boven- en onderkant.

Deze kooi heeft een inhoud van ongeveer één kubieke nanometer, en dat is precies de grootte van een TNT-molecuul. Er moeten ook niet meer moleculen in kunnen, want dan beïnvloeden ze elkaar en krijgen de onderzoekers geen eenduidig signaal. Als de sensor in de oplossing staat die hij moet testen, vloeien er stoffen door of langs de kooi en alleen TNT-moleculen die tussen de spijlen doorglippen worden vastgegrepen. “Zodra het molecuul in de kooi zit gaat het interacties aan met de binnenwand.” Deze interacties zorgen ervoor dat de TNT stevig blijft zitten, maar ook dat de ladingsdichtheid – de hoeveelheid elektrische lading per oppervlakte – verandert.

Deze verandering vormt de basis voor het volgende onderdeel van de sensor. De Smet: “Je kunt wel moleculen opvangen, maar je moet ook op de een of andere manier uitlezen wanneer dit gebeurt.” Hiervoor combineerden de Delftenaren een systeem van Philips met de Twentse kooi. Silicium nanodraadjes onder de kooi pikken de verandering in de ladingsdichtheid op en geven vervolgens een signaal: er is TNT gedetecteerd.

Gevoelig voor water

Het signaal geeft niet alleen aan of er TNT aanwezig is, maar vertelt ook de hoeveelheid. Om dit voor elkaar te krijgen zette promovendus Anping Cao van de TU Delft vele kooitjes op een gevoelige chip, en mat zij bij verschillende concentraties TNT in een ethanol-oplossing of de sensor het nog kon signaleren. De sensor bleek erg gevoelig. “We kunnen de TNT al meten bij een concentratie van enkele nanomol TNT per liter ethanol”, vertelt De Smet.

Interessante resultaten, maar een concrete toepassing kan De Smet niet direct verzinnen, want de sensor werkt nog niet in water of lucht; de kooi valt uit elkaar als het in aanraking komt met water. Zelfs het kleine beetje water dat in de lucht zit maakt de kooi al erg instabiel. “We willen de sensor het liefst gebruiken om verontreinigingen in water te detecteren of koffers te testen op vliegvelden”, zegt De Smet. “Maar voor al deze toepassingen zullen we ervoor moeten zorgen dat de sensor tegen water kan. Voor nu hebben we in ieder geval bewezen dat de kooi in principe werkt.”