Naukowcy opracowali niedawno nowatorską metodę pozwalającą na detekcję niewielkich ilości toksycznych gazów - na przykład drobną ilość gazowych neurotoksyn - z odległości dochodzącej do jednego kilometra.
Nowa technologia jest w stanie rozróżnić rodzaj napotkanego gazu z precyzją nieporównywalną z żadnym innym sposobem zdalnego monitorowania - nawet skomplikowane mieszaniny podobnych do siebie chemikaliów możliwe są do skutecznej analizy i to w ciśnieniu atmosferycznym. Dotychczasowo nie było to możliwe.
Naukowcy twierdzą, iż możliwe będzie wykorzystanie tej techniki do monitorowania skażenia wypadków w elektrowniach atomowych oraz do monitorowania rozbrajania i naruszeń traktatów dotyczących broni chemicznej. Z wykorzystaniem proponowanego układu da się monitorować, np. płonące fabryki i badać poziom skażenia chemicznego powietrza.
"Można wyobrazić sobie instalację tego typu układu wokół rejonu gdzie stacjonują żołnierze jako rodzaj wykrywacza np. neurotoksyn" - mówi Henry Everitt, jeden z autorów tego odkrycia i naukowiec pracujący jako adiunkt na wydziale fizyki Duke University.
Technika do działania wykorzystuje promieniowanie terahercowe, tak zwane promienie T. Są one już wykorzystywane do detekcji komórek rakowych oraz do inwigilacji pasażerów na lotniskach. Promieniowanie T, na skali energetycznej promieniowania elektromagnetycznego, wypada pomiędzy mikrofalami a promieniowaniem podczerwonym.
Oświetlanie molekuł gazu z pomocą promieniowania terahercowego dostarcza jej dostatecznie dużej energii, aby zmieniać poziomu rotacyjne molekuły, co pozwala na pomiar unikalnego widma absorpcyjnego molekuły, niejako jej odcisku palca lub kodu kreskowego, który pozwala ją zidentyfikować.
Sensory terahercowe są już od dekady wykorzystywane do identyfikacji śladowych ilości gazów w suchych warunkach pod niskim ciśnieniem - na przykład w przestrzeni kosmicznej lub w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Pozwala to na pewną i bardzo czułą detekcję molekuł, nawet jednej molekuły na trylion molekuł powietrza.
Dotychczasowo wykorzystanie tej techniki do detekcji gazów w warunkach atmosferycznych nie było możliwe, ponieważ ciśnienie powietrza i obecna w nim para wodna zacierały 'odciski' detekowanych gazów i obniżały czytelność widm.
W niedawno opublikowanym artykule w Physical Review Applied, Everitt wraz z Frankiem De Lucia, fizykiem z Uniwersytetu Stanu Ohio i współpracownikami opublikowali rozwiązanie pozwalające obejść opisany powyżej problem.
Ich podejście polega na oświetlaniu chmury gazu dwoma promieniami naraz. Jednym jest promień światła terahercowego o długości fali dostosowanej do konkretnego przejścia rotacyjnego, molekuły, która jest poszukiwana. Drugim promieniowaniem jest promień impulsowego lasera podczerwonego o bardzo krótkim czasie trwania impulsu.
W centrum Badań, Rozwoju i Inżynierii Lotnictwa i Rakiet US Army, niedaleko Huntsvill w Alabamie w USA naukowcy zainstalowali taki właśnie laser podczerwony. Ten unikalny układ skonstruowany przez firmę STI Optronics, zdolny jest do generacji dużej ilości ultrakrótkich impulsów podczerwonych. Jeden impuls jest krótszy niż jedna miliardowa sekundy.
"To trochę jakby uderzać molekułę podczerwonym młotkiem" - tłumaczy Everitt. Ciśnienie atmosferyczne wokół molekuły nadal rozmazuje linie chemicznego, unikatowego kodu paskowego molekuły, produkowanego przez promieniowanie T, jednakże ultrakrótki impuls podczerwonego lasera wybija molekułę z stanu równowagi, co powoduje, iż linie zaczynają migać. Dzięki odpowiedniemu dobraniu długości fali możliwa jest superprecyzyjna detekcja molekuł.
Naukowcy testowali urządzenie kierując wiązki na próbki fluorku metylu, chlorku metylu i bromku metylu w warunkach laboratoryjnych, co pozwalało na determinację jaka kombinacja długości fal laserów potrzebna będzie do detekcji poszczególnych gazów w różnych warunkach, w tym też w zmiennych warunkach atmosferycznych. Everitt mówi, iż "Promieniowanie terahercowe propaguje tylko na tyle daleko, na ile pozwala zawartość pary wodnej w powietrzu, gdyż jest przez nią absorbowana. Oznacza to, iż układ ten lepiej pracować będzie w zimny, zimowy dzień niż w gorący letni". Udało się wykryć śladowe ilości gazów toksycznych z odległości kilometra, jednakże nawet w idealnych warunkach atmosferycznych technologia ta nie jest na tyle sprawna, aby można było ją zaaplikować w realnym polu bitwy. No i wielkość systemu pozostawia wiele do życzenia. Konwersja układu z dwumetrowego tonowego układu do wielkości walizki zajmie trochę czasu.
Po zademonstrowaniu, iż opisywana technika działa, następnym krokiem jest dostrojenie promieni do detekcji dodatkowych gazów. Wstępnie naukowcy planują skupić się na toksycznych gazach przemysłowych takich jak amoniak, siarczek węgla oraz kwasy azotowy i siarkowy. Dalsze plany obejmują dostosowanie techniki do wymagań policyjnych, na przykład detekcji gazów generowanych przez nielegalne wytwórnie amfetaminy i inne aplikacje, gdzie konieczna jest detekcja śladowych ilości gazów.
"Lokalna detekcja gazów jest zawsze skuteczniejsza niż zdalne ich wykrywanie, o ile oczywiście można ją zrealizować, jednakże nie zawsze jest to możliwe. Opracowana przez nas metoda pozwala na zdalne zbieranie informacji na temat składu atmosfery, zanim wybierzemy się na miejsce" - podsumowuje Everitt.
Źródło:
http://phys.org/news/2014-12-laser-toxic-gases-afar.html#jCp
P.S. Proszę moderatora o niezmienianie tytułu!
Cool? Ranking DIY
.
