Mikro-spektrometer åbner døren til et væld af nye smartphone-funktioner

Brug din smartphone til at kontrollere, hvor ren luften er, om mad er frisk eller en klump er ondartet. Alt dette er kommet et skridt tættere på takket være et nyt spektrometer, der er så lille, at det let og billigt kan inkorporeres i en mobiltelefon. Den lille sensor udviklet på TU Eindhoven er lige så præcis som de normale bordplademodeller, der bruges i videnskabelige laboratorier. Forskerne præsenterer deres opfindelse den 20. december i tidsskriftet Naturkommunikation .

Spektrometri, analyse af synligt og usynligt lys, har et enormt anvendelsesområde. Hvert materiale og hvert væv har sit eget 'fodaftryk' med hensyn til lysabsorbering og refleksion, og kan dermed genkendes ved spektrometri. Men præcise spektrometre er store, da de opdeler lyset i forskellige farver (frekvenser), som derefter måles separat. Lige efter at lyset er delt, bjælkerne, som har forskellige frekvenser, stadig overlapper hinanden; meget præcise målinger kan derfor kun foretages nogle titalls centimeter efter opdelingen.

Eindhoven -forskerne udviklede en genial sensor, der er i stand til at foretage sådanne præcise målinger på en helt anden måde ved hjælp af et specielt 'fotonisk krystalhulrum', en 'fælde' på kun få mikrometer, som lyset falder i og ikke kan slippe ud af. Denne fælde er indeholdt i en membran, hvori det fangede lys genererer en lille elektrisk strøm, og det måles. Ph.d. studerende Žarko Zobenica lavede hulrummet, så det er meget præcist, bevarer kun et meget lille frekvensinterval og måler derfor kun lys ved denne frekvens.

For at kunne måle et større frekvensområde, forskerne placerede to af deres membraner meget tæt over hinanden. De to membraner påvirker hinanden:hvis afstanden mellem dem ændres lidt, derefter den lysfrekvens, som sensoren også er i stand til at registrere skift. Til dette formål forskerne, vejledt af professor Andrea Fiore og lektor Rob van der Heijden, indarbejdet et MEMS (et mikroelektromekanisk system). Denne elektromekaniske mekanisme gør det muligt at variere afstanden mellem membranerne, og derved den målte frekvens. Ultimativt, derefter, sensoren dækker et bølgelængdeområde på omkring tredive nanometer, inden for hvilket spektrometeret kan skelne nogle hundrede tusinde frekvenser, hvilket er usædvanligt præcist. Dette gøres muligt ved, at forskerne er i stand til præcist at bestemme afstanden mellem membranerne til blot et par ti femtometer (10 ^-15 meter).

For at demonstrere nytten, forskergruppen demonstrerede flere anvendelser, inklusive en gassensor. De lavede også en ekstremt præcis bevægelsessensor ved smart at bruge det faktum, at den detekterede frekvens ændres, når de to membraner bevæger sig i forhold til hinanden.

Professor Fiore forventer, at det vil tage yderligere fem år eller mere, før det nye spektrometer faktisk kommer ind i en smartphone, fordi det dækkede frekvensområde i øjeblikket stadig er for lille. I øjeblikket, sensoren dækker kun et par procent af det mest almindelige spektrum, den nær-infrarøde. Så hans gruppe vil arbejde på at udvide det påviselige spektrum. De vil også integrere et ekstra element med mikrospektrometeret:en lyskilde, som vil gøre sensoren uafhængig af eksterne kilder.

I betragtning af den enorme bredde af applikationer, mikrospektrometre forventes i sidste ende at blive et lige så vigtigt element i smartphonen som kameraet. For eksempel, at måle CO2, opdage røg, afgøre, hvilken medicin du har, måle madens friskhed, dit blodsukkerniveau, og så videre.