Un equipo de investigadores ha encontrado una manera de detectar trazas de gases hasta concentraciones en el nivel de partes por cuatrillón utilizando una nueva variación en el efecto fotoacústico. una técnica que mide el sonido generado cuando la luz interactúa con las moléculas.

"De muchas maneras, el efecto fotoacústico es ya 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 cuando la concentración de las moléculas que está tratando de detectar desciende 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 al nivel de partes por cuatrillón, que a nuestro conocimiento 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 procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

El efecto fotoacústico se produce cuando un haz de luz es absorbido por un gas, líquido o sólido haciendo que se expanda. La expansión es un movimiento mecánico que da como resultado el lanzamiento de una onda de sonido. El efecto fue descubierto por primera vez por Alexander Graham Bell en la década de 1880, pero tenía poco valor práctico hasta la invención del láser. lo cual, 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 disparando 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 sensible para escuchar las ondas sonoras producidas. Diferentes moléculas absorben luz a diferentes frecuencias, así que ajustando la frecuencia del láser, es posible ajustar un detector para sustancias específicas. Entonces, para buscar amoníaco en el aire, por ejemplo, el láser se sintonizaría con la frecuencia de absorción específica de las moléculas de amoníaco. Luego se aplicaría una muestra de aire, y si el micrófono capta ondas sonoras, eso significa que la muestra contiene amoniaco.

Pero cuanto menor sea la concentración de la sustancia objetivo, cuanto más silenciosa es la señal. Entonces Diebold y sus colegas utilizaron una técnica poco convencional para aumentar la amplitud de la señal.

"Lo que hemos hecho es diseñar un método que se basa 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 haces con una frecuencia y un ángulo específicos. La unión de las vigas crea una rejilla, un patrón de interferencia entre las dos vigas. Cuando las frecuencias del láser están sintonizadas correctamente, 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 las pequeñas, Los empujones 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 entero de medias longitudes de onda del sonido coincida exactamente con la longitud de la cavidad. La salida del cristal, que es piezoeléctrico de modo que genera un voltaje proporcional a su movimiento oscilatorio, se envía a amplificadores y dispositivos electrónicos sensibles para registrar 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 emite señales muy grandes en respuesta a las ondas de presión, "Dijo Diebold." Nos dijeron que les tomó tres meses 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 partes por cuatrillón.

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 intrínsecamente difíciles de detectar.

Diebold señaló que al llevar a cabo los experimentos, él y sus colegas estaban "sorprendidos al descubrir que debido a que las frecuencias son tan altas, en el rango de cientos de kilohercios, prácticamente no hay interferencia de fondo, ya sea de fuentes eléctricas o acústicas del ruido de la habitación, viento o 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, solo toma este detector, siéntelo allí al aire libre y controle continuamente la salida ".

Queda algo de trabajo en la ingeniería de un instrumento compacto antes de que esta técnica se pueda utilizar en exteriores. pero este estudio ofrece una prueba de concepto convincente, dicen los investigadores.