فناوری لیزر جدید هوشمند می‌تواند گازهای گلخانه‌ای را سریع‌تر و با حساسیت بیشتر نظارت کند

(NIST: Gaithersburg، MD) — دانشمندان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) یک تکنیک جدید مبتنی بر لیزر را توسعه داده‌اند که می‌تواند به طور چشمگیری توانایی ما را در تجزیه و تحلیل انواع مواد و گازها، از جمله گازهای گلخانه‌ای، بهبود بخشد. این روش جدید که «طیف‌سنجی دو شانه‌ای شکل آزاد» نام دارد، روشی سریع‌تر، انعطاف‌پذیرتر و حساس‌تر برای تجزیه و تحلیل مواد موجود در هوا و سایر مواد ارائه می‌دهد.

در این مطالعه خاص، منتشر شده در فوتونیک طبیعت، محققان نشان دادند که سیستم مبتنی بر آزمایشگاه آنها می تواند یک گاز منفرد، در این مورد گاز قوی گلخانه ای متان، با حساسیت 22 برابر بیشتر از یک سیستم دو شانه سنتی را تشخیص دهد. این افزایش حساسیت روزی می‌تواند به شناسایی نشت‌های کوچک یا انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند که در غیر این صورت ممکن است مورد توجه قرار نگیرند و به طور بالقوه به تلاش‌ها برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی کمک کند.

پیشرفت های تکنولوژیکی

طیف سنجی یک تکنیک پیچیده است که به دانشمندان اجازه می دهد تا مواد مختلف را با مشاهده نحوه تعامل آنها با نور شناسایی و اندازه گیری کنند. درست همانطور که یک منشور نور سفید را به رنگین کمانی از رنگ ها جدا می کند، طیف سنجی نیز نوری را که از یک ماده می آید یا از آن عبور می کند جدا می کند و “اثر انگشت” منحصر به فرد آن را آشکار می کند و اطلاعات ارزشمندی در مورد خواص و ترکیب آن ارائه می دهد.

محققان NIST نسخه بهبودیافته ای از یک روش اندازه گیری مبتنی بر لیزر به نام طیف سنجی دو شانه ای ایجاد کرده اند. طیف سنجی دو شانه ای شکلی از طیف سنجی با وضوح بالا است که امکان بررسی همزمان بسیاری از رنگ های نور را با جزئیات دقیق فراهم می کند.

روش جدید اندازه‌گیری لیزری روش‌های قدیمی‌تر را بهبود می‌بخشد و به دانشمندان اجازه می‌دهد زمان‌بندی پالس‌های لیزر را با دقت باورنکردنی کنترل کنند. این کنترل دقیق به آن‌ها اجازه می‌دهد روی مهم‌ترین بخش‌های اثر انگشت نمونه تمرکز کنند و مناطقی را که اطلاعات مفیدی ارائه نمی‌دهند نادیده بگیرند. در نتیجه، سیستم هوشمندتر می تواند مواد را بسیار سریعتر از قبل شناسایی و اندازه گیری کند.

استر باومن در آزمایشگاهی کار می کند که در آن تیمی از محققان نسخه بهبودیافته ای از روش اندازه گیری مبتنی بر لیزر به نام طیف سنجی دو شانه ای را توسعه داده اند. اعتبار: R.Jacobson/NIST

این رویکرد جدید را می توان به روش های مختلفی مورد استفاده قرار داد. به عنوان مثال، دانشمندان می توانند از آن برای ایجاد سریع تصاویری استفاده کنند که نشان می دهد چگونه گاز در فضا توزیع می شود. از طرف دیگر، اگر محققین دقیقاً ندانند چه نوع گازی در منطقه مورد بررسی قرار دارد، می توانند از یک تکنیک عمومی به نام نمونه برداری فشرده استفاده کنند. این یک روش «هوشمندانه» برای اندازه‌گیری، تمرکز بر مناطقی است که احتمالاً اطلاعات مهمی دارند و اندازه‌گیری‌های کمتری را در جاهای دیگر انجام می‌دهند. این استراتژی کل فرآیند را 10 تا 100 برابر کارآمدتر از روش های سنتی می کند.

تجسم ستون های گاز

این فناوری می تواند تصاویر سریع و دقیقی از انواع ابرهای گازی ایجاد کند. در این مطالعه، محققان تصاویری در زمان واقعی از توده های متان ایجاد کردند. متان یک گاز گلخانه‌ای قوی است که به تغییرات آب و هوایی کمک می‌کند، بنابراین شناسایی و رفع این نشت‌ها می‌تواند روزی به حفاظت از محیط زیست و بهبود کیفیت هوا کمک کند. با تولید سریع تصاویری از توده های متان، دانشمندان می توانند به سرعت محل خروج گاز را شناسایی کنند.

محققان از طیف‌سنجی دو شانه آزاد برای ساختن ویدیوهایی مانند این ابر متان دوبعدی استفاده می‌کنند. مناطق تاریک به این معنی است که متان کمی وجود دارد یا وجود ندارد، در حالی که رنگ‌های روشن‌تر نشان می‌دهند که در کجا متان بیشتری وجود دارد. از آنجایی که می‌تواند خیلی سریع عکس بگیرد، این فناوری می‌تواند نشان دهد که چگونه ابر متان الگوهای چرخشی و تغییراتی را در زمان واقعی ایجاد می‌کند، که قبلاً امکان‌پذیر نبود. این فناوری را می توان به راحتی برای جستجوی گازهای مختلف، نه فقط متان، تنظیم کرد.

این تکنیک نه تنها برای تشخیص گازهای گلخانه ای بلکه برای هر موقعیتی که دانشمندان نیاز به شناسایی و اندازه گیری گازها دارند مفید است.

دو لیزر بهتر از یک لیزر است

طیف سنجی دو شانه شکل آزاد ممکن است تلفظ آن لقمه‌ای باشد، اما درک نحوه عملکرد این فناوری را می‌توان با تقسیم کردن آن به چندین بخش که به طور یکپارچه با هم کار می‌کنند، آسان‌تر هضم کرد.

قلب این روش در برنده جایزه نوبل نهفته است شانه فرکانس نورییک ابزار لیزری است که نور را در یک سری فرکانس های دقیق و مساوی که شبیه دندانه های شانه است، تولید می کند. این شانه‌های فرکانس برای اهداف مختلفی استفاده می‌شوند، از زمان‌سنجی دقیق گرفته تا تشخیص‌های پزشکی و حتی جستجوی ماده تاریک گریزان.

جنبه “دو شانه” این فناوری به استفاده از دو شانه فرکانس نوری که با هم کار می کنند اشاره دارد. این رویکرد اندازه گیری سریع و دقیق مواد را با تجزیه و تحلیل نحوه تعامل آنها با نور هر دو شانه امکان پذیر می کند. این تکنیک بسیار سریعتر از یک شانه است و می تواند اطلاعات دقیق تری را نسبت به بسیاری از روش های طیف سنجی سنتی ارائه دهد.

فرم آزاد به انعطاف پذیری در کنترل فرکانس شانه بسیار دقیق اشاره دارد که اخیرا امکان پذیر شده است. شانه‌های فرکانس، پالس‌های نوری را منتشر می‌کنند که مدت زمان آن فقط 100 فمتوثانیه است. در داخل هر یک از این فوران های کوتاه نور، یک میدان الکتریکی وجود دارد که با سرعت بسیار زیاد، میلیون ها میلیون بار در ثانیه می لرزد. توانایی کنترل سریع و دقیق این نور سریع به محققان اجازه می دهد تا نحوه اندازه گیری خود را بهبود و تنظیم کنند.

جهش بزرگ بعدی Dual-comb

از آنجایی که جهان با چالش های زیست محیطی و نیاز به اقدامات ایمنی بهبود یافته دست و پنجه نرم می کند، این فناوری نوآورانه لیزر ابزار نویدبخش جدیدی را ارائه می دهد. با فعال کردن تشخیص هوشمندتر گازها و سایر مواد، می‌تواند نقش مهمی در حفاظت از سلامت عمومی و محیط زیست در سال‌های آینده ایفا کند.

محققان قصد دارند به بهبود سیستم خود در آزمایشگاه ادامه دهند، آن را حتی سریعتر کنند و رویکرد خود را برای کار با طیف گسترده ای از طول موج های لیزری تطبیق دهند.

استر باومن، محقق NIST می‌گوید: «انعطاف‌پذیری سیستم ما به این معنی است که می‌توان آن را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها تطبیق داد. در آینده، ممکن است حسگرهای همه کاره و کارآمدتری مبتنی بر این فناوری را در همه چیز از مانیتورهای کیفیت هوا گرفته تا آشکارسازهای ایمنی مواد غذایی و مطالعه نحوه سوختن مواد یا ارزیابی سلامت عضلات به صورت غیرتهاجمی ببینیم.

مقاله: Fabrizio R. Giorgetta، Simon Potvin، Jean-Daniel Deschênes، Ian Coddington، Nathan R. Newbury و Esther Baumann. طیف‌سنجی دو شانه آزاد برای سنجش و تصویربرداری فشرده. فوتونیک طبیعت. منتشر شده آنلاین در 30 سپتامبر 2024. DOI:10.1038/s41566-024-01530-y.

منتشر شده در 9 اکتبر 2024، در اخبار NIST.