Μια νέα τεχνική για τη συνεχή παρακολούθηση τόσο του μεγέθους όσο και των οπτικών ιδιοτήτων μεμονωμένων αιωρούμενων σωματιδίων θα μπορούσε να προσφέρει έναν καλύτερο τρόπο παρακολούθησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Είναι ιδιαίτερα πολλά υποσχόμενο για την ανάλυση λεπτών σωματιδίων με μέγεθος μικρότερο από 2,5 μικρά (PM2,5), τα οποία μπορούν να φτάσουν βαθιά στους πνεύμονες και να προκαλέσουν προβλήματα υγείας.
"Η ατμοσφαιρική ρύπανση έχει γίνει ουσιαστικό πρόβλημα σε πολλές χώρες", δήλωσε ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Shangran Xie από την ομάδα του Prof. Philip Russell στο Ινστιτούτο Max Planck για την Επιστήμη του Φωτός στη Γερμανία. "Δεδομένου ότι η εγκατάσταση μας είναι πολύ απλή και συμπαγής, θα πρέπει να είναι δυνατή η μετατροπή της σε επιτραπέζια συσκευή για συνεχή παρακολούθηση των αερομεταφερόμενων PM2.5 σε αστικές περιοχές και βιομηχανικές περιοχές."
Στο περιοδικό Optics Express της Optical Society (OSA), οι ερευνητές περιγράφουν πώς χρησιμοποίησαν οπτικές δυνάμεις για να συλλάβουν αυτόματα σωματίδια στον αέρα και να τα ωθήσουν σε μια ίνα κοίλου πυρήνα για ανάλυση. Η προσέγγιση ξεπερνά αρκετούς περιορισμούς των υπαρχουσών μεθόδων, προσφέροντας αποτελέσματα υψηλής αναπαραγωγής, σε πραγματικό χρόνο και απεριόριστη διάρκεια ζωής της συσκευής.
"Το πιο μοναδικό χαρακτηριστικό της τεχνικής μας είναι ότι μπορεί να μετρήσει τον αριθμό των σωματιδίων - που σχετίζεται με το επίπεδο ρύπανσης - ενώ ταυτόχρονα παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο σχετικά με την κατανομή μεγέθους σωματιδίων και τη χημική διασπορά", είπε Xie. «Αυτές οι πρόσθετες πληροφορίες θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες για γρήγορη και συνεχή παρακολούθηση της ρύπανσης σε ευαίσθητες περιοχές, για παράδειγμα."
Παγίδευση σωματιδίων με φως
Για τη νέα προσέγγιση ανάλυσης, τα αιωρούμενα σωματίδια παγιδεύονται μέσα σε μια δέσμη λέιζερ με οπτικές δυνάμεις και προωθούνται προς τα εμπρός με πίεση ακτινοβολίας. Η δύναμη παγίδευσης είναι αρκετά ισχυρή ώστε να υπερνικήσει τη βαρυτική δύναμη που επενεργεί σε πολύ μικρά σωματίδια όπως το PM2,5 και ευθυγραμμίζει αυτόματα τα σωματίδια με μια ίνα φωτονικών κρυστάλλων κοίλου πυρήνα. Αυτές οι ειδικές ίνες διαθέτουν έναν κεντρικό πυρήνα που είναι κοίλος και περιβάλλεται από μια γυάλινη μικροδομή που περιορίζει το φως μέσα στην ίνα.
Μόλις ευθυγραμμιστεί, το φως λέιζερ ωθεί το σωματίδιο μέσα στην ίνα, προκαλώντας το φως του λέιζερ μέσα στην ίνα να διασκορπιστεί και να δημιουργήσει μια ανιχνεύσιμη μείωση στη μετάδοση της ίνας. Οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο αλγόριθμο επεξεργασίας σήματος για να ανακτήσουν χρήσιμες πληροφορίες από τα δεδομένα σκέδασης σωματιδίων σε πραγματικό χρόνο. Μετά την ανίχνευση, το σωματίδιο απλώς εκτοξεύεται από την ίνα χωρίς να υποβαθμίζεται η συσκευή.
"Το σήμα μετάδοσης από την ίνα μας επιτρέπει επίσης να μετρήσουμε το χρόνο πτήσης, που είναι ο χρόνος που χρειάζεται το σωματίδιο για να ταξιδέψει μέσα από την ίνα", είπε ο Abhinav Sharma, ο διδακτορικός φοιτητής που εργάζεται σε αυτό το έργο."Η πτώση στη μετάδοση των ινών μαζί με τις πληροφορίες χρόνου πτήσης μας επιτρέπουν να υπολογίσουμε με σαφήνεια το μέγεθος των σωματιδίων και τον δείκτη διάθλασης. Ο δείκτης διάθλασης μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό του υλικού των σωματιδίων επειδή αυτή η οπτική ιδιότητα είναι ήδη γνωστή για τους περισσότερους κοινούς ρύπους."
Μετρήσεις ακριβείας
Οι ερευνητές δοκίμασαν την τεχνική τους χρησιμοποιώντας σωματίδια πολυστυρενίου και πυριτίου πολλών διαφορετικών μεγεθών. Διαπίστωσαν ότι το σύστημα μπορούσε να διαχωρίσει με ακρίβεια τους τύπους σωματιδίων και μπορούσε να μετρήσει το σωματίδιο πυριτίου των 0,99 μικρομέτρων με ανάλυση τόσο μικρή όσο 18 νανόμετρα.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν να δοκιμάσουν την ικανότητα του συστήματος να αναλύει σωματίδια που βρίσκονται πιο συχνά στην ατμόσφαιρα. Θέλουν επίσης να δείξουν την ικανότητα της τεχνικής να εκτελεί μετρήσεις σε υγρό, κάτι που θα ήταν χρήσιμο για την παρακολούθηση της ρύπανσης των υδάτων. Έχουν καταθέσει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για αυτήν την τεχνική και σχεδιάζουν να συνεχίσουν να αναπτύσσουν πρωτότυπες συσκευές, όπως αυτές που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης έξω από το εργαστήριο.
