Un team di ricercatori ha trovato un modo per rilevare tracce di gas fino a concentrazioni a livello di parti per quadrilioni utilizzando una nuova variazione sull'effetto fotoacustico, una tecnica che misura il suono generato quando la luce interagisce con le molecole.

"In molti modi, l'effetto fotoacustico è già il metodo più pratico disponibile per rilevare gli inquinanti nell'atmosfera, " disse Gerald Diebold, un professore di chimica alla Brown University e coautore di un nuovo articolo che descrive la ricerca del suo laboratorio. "Ma quando la concentrazione delle molecole che stai cercando di rilevare scende al livello di parti per trilione, il segnale diventa troppo debole per essere rilevato. Abbiamo sviluppato una nuova tecnica fotoacustica che amplifica il segnale e ci consente di scendere al livello delle parti per quadrilioni, che a nostra conoscenza è un record."

Lo studio, che era una collaborazione tra il laboratorio di Diebold alla Brown e il laboratorio di Fapeng Yu presso la Shandong University in Cina, è pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

L'effetto fotoacustico avviene quando un raggio di luce viene assorbito da un gas, liquido o solido facendolo espandere. L'espansione è un movimento meccanico che provoca il lancio di un'onda sonora. L'effetto fu scoperto per la prima volta da Alexander Graham Bell nel 1880, ma fu di scarso valore pratico fino all'invenzione del laser, che, a causa della sua larghezza di riga tipicamente stretta e dell'elevata potenza, ha reso i segnali fotoacustici abbastanza grandi da essere facilmente rilevabili.

I rilevatori fotoacustici funzionano zappando un materiale con un laser sintonizzato su una lunghezza d'onda che viene assorbita dalla molecola di interesse. In un tipico esperimento fotoacustico, il raggio laser viene acceso e spento ad una frequenza che può essere rilevata da un microfono sensibile per ascoltare eventuali onde sonore prodotte. Molecole diverse assorbono la luce a frequenze diverse, quindi regolando la frequenza del laser, è possibile mettere a punto un rilevatore per sostanze specifiche. Quindi, per cercare l'ammoniaca nell'aria, Per esempio, il laser sarebbe sintonizzato sulla frequenza di assorbimento specifica delle molecole di ammoniaca. Si potrebbe quindi eliminare un campione d'aria, e se il microfono capta le onde sonore, ciò significa che il campione contiene ammoniaca.

Ma minore è la concentrazione della sostanza bersaglio, più basso è il segnale. Quindi Diebold e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica non convenzionale per aumentare l'ampiezza del segnale.

"Quello che abbiamo fatto è ideare un metodo che si basa su tre diverse risonanze, " Diebold ha detto. "Il segnale diventa più grande con ogni risonanza."

Invece di un singolo raggio laser, Diebold e i suoi colleghi combinano due raggi con una frequenza e un angolo specifici. L'unione delle travi crea un reticolo, uno schema di interferenza tra le due travi. Quando le frequenze laser sono sintonizzate correttamente, il reticolo viaggia in una cella di rilevamento alla velocità del suono, creando un effetto di amplificazione a ciascuno dei picchi nel reticolo.

La seconda risonanza è creata da un cristallo piezoelettrico utilizzato nell'esperimento, che vibra precisamente alla frequenza dei raggi laser combinati. Le piccole forze di compressione nelle onde di pressione inducono gradualmente il movimento in un cristallo molto simile a quello piccolo, spinte ripetute di un'altalena da parco giochi possono causare un movimento di grande ampiezza dell'altalena.

La terza risonanza viene generata regolando la lunghezza della cavità in cui è montato il cristallo in modo che risuoni quando un numero intero di mezze lunghezze d'onda del suono corrisponde esattamente alla lunghezza della cavità. L'uscita del cristallo, che è piezoelettrico in modo da generare una tensione proporzionale al suo moto oscillatorio, viene inviato ad amplificatori e dispositivi elettronici sensibili per registrare il segnale acustico.

"Uno dei motivi per cui il metodo del reticolo mobile ha funzionato così bene è che il gruppo del professor Yu all'Università di Shandong ha coltivato un cristallo speciale che fornisce segnali molto grandi in risposta alle onde di pressione, " Diebold ha detto. "Ci è stato detto che ci sono voluti tre mesi per sintetizzare il cristallo".

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che utilizzando queste tre risonanze, sono stati in grado di rilevare l'esafluoruro di zolfo gassoso in quantità fino alle parti per quadrilione.

Diebold pensa che la tecnica sarà utile nello sviluppo di rivelatori sensibili a concentrazioni di gas inquinanti molto basse, o per rilevare molecole che hanno deboli assorbimenti che le rendono intrinsecamente difficili da rilevare.

Diebold notò che nell'effettuare gli esperimenti, lui e i suoi colleghi sono rimasti "sbalorditi nello scoprire che, poiché le frequenze sono così alte, nell'intervallo delle centinaia di kilohertz, che non c'è praticamente alcuna interferenza di fondo, sia da fonti elettriche che acustiche dal rumore ambientale, vento o vibrazioni di un edificio. Ciò significa che possiamo fare esperimenti in una cavità aperta senza dover bloccare il rumore esterno. Quindi se hai una discarica e stai cercando di rilevare il metano, Per esempio, prendi solo questo rilevatore, mettilo lì all'aria aperta e monitora continuamente l'uscita."

Rimane ancora del lavoro sulla progettazione di uno strumento compatto prima che questa tecnica possa essere utilizzata all'aperto, ma questo studio offre una prova convincente del concetto, dicono i ricercatori.