Forskere udvikler teknik, der kan opdage sprængstoffer, farlige gasser hurtigt og fjernt

Forskere fra University of Michigan har udviklet en laserbaseret metode, der kan bruges til at detektere kemikalier som eksplosiver og farlige gasser hurtigt og præcist.

Til sidst, denne metode kunne bruges i systemer placeret i lufthavne, til miljøovervågning af forurenende stoffer eller endda på slagmarker, sagde forfatter Steven Cundiff, fysikprofessor ved Litteraturhøjskolen, Videnskab, og kunsten. Studiet, udført af fysikforsker Bachana Lomsadze, udgiver i dag i Videnskab .

Lomsadze og Cundiffs metode kombinerer to teknikker, der fremskynder laserbaseret detektion af kemikalier, mens de gør det præcist. Den første teknik er baseret på samme idé som nuklear magnetisk resonansspektroskopi, som bruger radiofrekvenser til at identificere strukturen af ​​molekyler. Her, forskerne bruger en metode kaldet multidimensionel kohærent spektroskopi, eller MDCS. MDCS bruger ultrakorte laserimpulser til at aflæse gastyper som en stregkode. Når forskerne kaster laserimpulserne gennem blandingen af ​​gasser, disse pulser kan "læse" de specifikke bølgelængder af lys - eller farve - som specifikke gasser absorberer.

"Hvis du har lys, der går gennem gassen, og, for eksempel, du bruger et prisme til at adskille hvidt lys til farvet lys, i regnbuespektret ville du se, at der ville være sorte striber, " sagde Cundiff. "Hvor de sorte striber er, giver dig næsten en stregkode, der fortæller dig, hvilken slags molekyle der er i prøven."

Forskere har arbejdet på lignende, enklere metoder. Mange vigtige molekyler har et meget rige spektre for visse farver af lys - selvom "farverne" faktisk kan være i det infrarøde, så ikke synligt det menneskelige øje - hvilket gør dem let identificerbare. Men dette bliver svært, når forskere forsøger at identificere gasser i en blanding. Tidligere, videnskabsmænd stolede på at sammenligne, hvad de målte med et katalog af molekyler, en proces, der kræver højtydende computere og en betydelig mængde tid.

"Det er som at prøve at se på tre personers fingeraftryk oven på hinanden. Dette er en anstødssten for at bruge disse metoder i en situation i den virkelige verden, " sagde Cundiff. "Vores metode tager omkring 15 minutter til et par timer ved at bruge traditionelle tilgange til MDCS."

For at fremskynde processen og samtidig bevare dens nøjagtighed, UM-forskerne kombinerede MDCS med en anden metode kaldet dobbeltkamspektroskopi.

Frekvenskamme er laserkilder, der genererer spektre, der består af lige store, skarpe linjer, der bruges som linealer til at måle de spektrale træk ved atomer og molekyler med ekstrem høj præcision. I spektroskopi, ved hjælp af to frekvenskamme, kendt som dobbeltkamspektroskopi, giver en elegant måde til hurtigt at opnå et højopløsningsspektrum uden mekaniske bevægelige elementer såsom en "hjørneterning, "som er tre spejle arrangeret til at lave et hjørne, bruges til at reflektere en laserstråle direkte tilbage på sig selv. Dette element begrænser normalt, hvor lang tid det tager for forskerne at måle et spektrum.

"Denne tilgang kunne gøre det muligt for metoden til multidimensionel kohærent spektroskopi at undslippe laboratoriet og bruges til praktiske anvendelser såsom påvisning af sprængstoffer eller overvågning af atmosfæriske bestanddele, " sagde Cundiff.

Lomsadze og Cundiff anvendte deres metode på en damp af rubidiumatomer, der indeholdt to rubidiumisotoper. Frekvensforskellen mellem absorptionslinjer for de to isotoper er for lille til at kunne observeres ved brug af traditionelle tilgange til MDCS, men ved at bruge kamme, Lomsadze og Cundiff var i stand til at løse disse linjer og tildele isotopernes spektre baseret på, hvordan energiniveauerne var koblet til hinanden. Deres metode er generel og kan bruges til at identificere kemikalier i en blanding uden på forhånd at kende blandingens sammensætning.

Næste, forskerne planlægger at tilføje en tredje laser, der endnu mere kan fremskynde deres evne til at identificere gasser. De planlægger også at bruge lasere baseret på fiberoptik, så de kan se længere ind i infrarødt lys, hvilket ville udvide antallet af kemikalier, de ville være i stand til at identificere.