I ricercatori dell'Università del Michigan hanno sviluppato un metodo basato su laser che potrebbe essere utilizzato per rilevare sostanze chimiche come esplosivi e gas pericolosi in modo rapido e preciso.

Infine, questo metodo potrebbe essere utilizzato nei sistemi collocati negli aeroporti, per il monitoraggio ambientale degli inquinanti o anche nei campi di battaglia, ha detto l'autore Steven Cundiff, professore di fisica alla Facoltà di Lettere, Scienza, e le Arti. Lo studio, condotto dal ricercatore in fisica Bachana Lomsadze, pubblica oggi in Scienza .

Il metodo di Lomsadze e Cundiff combina due tecniche che accelerano il rilevamento di sostanze chimiche basato su laser mentre lo fanno in modo accurato. La prima tecnica si basa sulla stessa idea della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, che utilizza le radiofrequenze per identificare la struttura delle molecole. Qui, i ricercatori utilizzano un metodo chiamato spettroscopia coerente multidimensionale, o MDCS. MDCS utilizza impulsi laser ultracorti per leggere tipi di gas come un codice a barre. Quando gli scienziati fanno rimbalzare gli impulsi laser attraverso la miscela di gas, quegli impulsi possono "leggere" le lunghezze d'onda specifiche della luce, o del colore, che i gas specifici assorbono.

"Se hai la luce che passa attraverso il gas, e, Per esempio, usi un prisma per separare la luce bianca in luce colorata, nello spettro dell'arcobaleno vedresti che ci sarebbero strisce nere, Cundiff ha detto. "Dove le strisce nere sono quasi ti dà un codice a barre che ti dice che tipo di molecola è nel campione."

Gli scienziati hanno lavorato su simili, metodi più semplici. Molte molecole importanti hanno uno spettro molto ricco per alcuni colori della luce, sebbene i "colori" possano effettivamente essere nell'infrarosso, quindi non visibili all'occhio umano, il che li rende facilmente identificabili. Ma questo diventa difficile quando gli scienziati cercano di identificare i gas in una miscela. In precedenza, gli scienziati si sono basati sul confronto di ciò che hanno misurato con un catalogo di molecole, un processo che richiede computer ad alte prestazioni e una notevole quantità di tempo.

"È come cercare di guardare le impronte digitali di tre persone una sopra l'altra. Questo è un ostacolo per l'utilizzo di questi metodi in una situazione del mondo reale, " Ha detto Cundiff. "Il nostro metodo richiede circa 15 minuti a poche ore utilizzando approcci tradizionali a MDCS".

Per accelerare il processo preservandone l'accuratezza, i ricercatori della UM hanno combinato la MDCS con un altro metodo chiamato spettroscopia a doppio pettine.

I pettini di frequenza sono sorgenti laser che generano spettri costituiti da linee nette equidistanti che vengono utilizzate come righelli per misurare le caratteristiche spettrali di atomi e molecole con altissima precisione. Nella spettroscopia, utilizzando due pettini di frequenza, nota come spettroscopia a doppio pettine, fornisce un modo elegante per acquisire rapidamente uno spettro ad alta risoluzione senza elementi meccanici in movimento come un "cubo angolare, " che sono tre specchi disposti a fare un angolo, utilizzato per riflettere un raggio laser direttamente su se stesso. Questo elemento di solito limita il tempo necessario ai ricercatori per misurare uno spettro.

"Questo approccio potrebbe consentire al metodo della spettroscopia coerente multidimensionale di sfuggire al laboratorio ed essere utilizzato per applicazioni pratiche come il rilevamento di esplosivi o il monitoraggio di componenti atmosferici, " Disse Cundiff.

Lomsadze e Cundiff hanno applicato il loro metodo a un vapore di atomi di rubidio che conteneva due isotopi di rubidio. La differenza di frequenza tra le linee di assorbimento per i due isotopi è troppo piccola per essere osservata utilizzando approcci tradizionali a MDCS, ma usando i pettini, Lomsadze e Cundiff sono stati in grado di risolvere queste righe e assegnare gli spettri degli isotopi in base a come i livelli di energia erano accoppiati tra loro. Il loro metodo è generale e può essere utilizzato per identificare le sostanze chimiche in una miscela senza conoscere preventivamente la composizione della miscela.

Prossimo, i ricercatori hanno in programma di aggiungere un terzo laser che potrebbe accelerare ulteriormente la loro capacità di identificare i gas. Hanno anche in programma di utilizzare laser basati su fibre ottiche in modo da poter guardare ulteriormente nella luce infrarossa, che amplierebbe il numero di sostanze chimiche che sarebbero in grado di identificare.