Un equipo de investigadores ha encontrado una manera de detectar gases traza a concentraciones en el nivel de partes por cuadrilátero utilizando una nueva variación en el efecto fotoacústico, una técnica que mide el sonido generado cuando la luz interactúa con las moléculas.
"En muchos sentidos, el efecto fotoacústico ya es el método más práctico disponible para detectar contaminantes en la atmósfera", dijo Gerald Diebold, profesor de química en la Universidad de Brown y coautor de un nuevo artículo que describe la investigación de su laboratorio ". Pero cuandola concentración de las moléculas que está tratando de detectar se reduce al nivel de partes por billón, la señal se vuelve demasiado débil para detectarla. Hemos desarrollado una nueva técnica fotoacústica que aumenta la señal y nos permite llegar alnivel de partes por cuatrillón, que a nuestro entender es un registro "
El estudio, que fue una colaboración entre el laboratorio de Diebold en Brown y el laboratorio de Fapeng Yu en la Universidad de Shandong en China, se publica en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
El efecto fotoacústico ocurre cuando un rayo de luz es absorbido por un gas, líquido o sólido que lo hace expandirse. La expansión es un movimiento mecánico que resulta en el lanzamiento de una onda de sonido. El efecto fue descubierto por primera vez por Alexander GrahamBell en la década de 1880, pero era de poco valor práctico hasta la invención del láser, que, como resultado de su ancho de línea típicamente estrecho y alta potencia, hizo que las señales fotoacústicas fueran lo suficientemente grandes como para ser fácilmente detectables.
Los detectores fotoacústicos funcionan eliminando un material con un láser sintonizado a una longitud de onda que es absorbida por la molécula de interés. En un experimento fotoacústico típico, el rayo láser se enciende y apaga a una frecuencia que puede ser detectada por un micrófono sensiblepara escuchar cualquier onda de sonido producida. Las diferentes moléculas absorben la luz a diferentes frecuencias, por lo que al ajustar la frecuencia del láser, es posible ajustar un detector para sustancias específicas. Por lo tanto, para buscar amoníaco en el aire, por ejemplo, el láserse sintonizaría con la frecuencia de absorción específica de las moléculas de amoníaco. Luego se eliminaría una muestra de aire, y si el micrófono capta ondas sonoras, eso significa que la muestra contiene amoníaco.
Pero cuanto menor es la concentración de la sustancia objetivo, más baja es la señal. Entonces Diebold y sus colegas usaron una técnica poco convencional para aumentar la amplitud de la señal.
"Lo que hemos hecho es idear un método que se base en tres resonancias diferentes", dijo Diebold. "La señal se hace más grande con cada resonancia".
En lugar de un solo rayo láser, Diebold y sus colegas combinan dos rayos a una frecuencia y ángulo específicos. La unión de los rayos crea una rejilla, un patrón de interferencia entre los dos rayos. Cuando las frecuencias del láser se ajustan a la perfección, la rejilla viaja en una celda de detección a la velocidad del sonido, creando un efecto de amplificación en cada uno de los picos de la rejilla.
La segunda resonancia es creada por un cristal piezoeléctrico utilizado en el experimento, que vibra con precisión a la frecuencia de los rayos láser combinados. Las pequeñas fuerzas de compresión en las ondas de presión inducen gradualmente el movimiento en un cristal de la misma manera que los pequeños,Los impulsos repetidos de un columpio en el patio de recreo pueden causar un movimiento de gran amplitud del columpio.
La tercera resonancia se genera ajustando la longitud de la cavidad en la que está montado el cristal para que resuene cuando un número integral de medias longitudes de onda del sonido coincide exactamente con la longitud de la cavidad. La salida del cristal, que es piezoeléctricoque genera un voltaje proporcional a su movimiento oscilatorio, se envía a amplificadores y dispositivos electrónicos sensibles para grabar la señal acústica.
"Una de las razones por las que el método de rejilla móvil funcionó tan bien es que el grupo del profesor Yu en la Universidad de Shandong cultivó un cristal especial que da señales muy grandes en respuesta a las ondas de presión", dijo Diebold. "Nos dijeron que tomóellos tres meses para sintetizar el cristal "
En sus experimentos, los investigadores demostraron que al usar esas tres resonancias, pudieron detectar el hexafluoruro de azufre gaseoso en cantidades de hasta las partes por billón.
Diebold cree que la técnica será útil para desarrollar detectores que sean sensibles a concentraciones muy bajas de gases contaminantes, o para detectar moléculas que tienen absorciones débiles que las hacen inherentemente difíciles de detectar.
Diebold señaló que al llevar a cabo los experimentos, él y sus colegas estaban "sorprendidos de descubrir que debido a que las frecuencias son tan altas, en el rango de cientos de kilohercios, que prácticamente no hay interferencia de fondo, ya sea de fuentes eléctricas odel ruido de la habitación, el viento o las vibraciones de un edificio. Eso significa que podemos hacer experimentos en una cavidad abierta sin tener que bloquear el ruido exterior. Entonces, si tiene un vertedero y está tratando de detectar metano, por ejemplo, simplementetome este detector, siéntelo allí al aire libre y controle continuamente la salida "
Aún queda algo de trabajo en la ingeniería de un instrumento compacto antes de que esta técnica se pueda usar en exteriores, pero este estudio ofrece una prueba convincente de concepto, dicen los investigadores.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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