Los investigadores de la Universidad de Michigan han desarrollado un método basado en láser que podría usarse para detectar sustancias químicas como explosivos y gases peligrosos de forma rápida y precisa.

Finalmente, este método podría utilizarse en sistemas instalados en aeropuertos, para el monitoreo ambiental de contaminantes o incluso en campos de batalla, dijo el autor Steven Cundiff, profesor de física en la Facultad de Letras, Ciencias, y las artes. El estudio, realizado por la investigadora en física Bachana Lomsadze, publica hoy en Ciencias .

El método de Lomsadze y Cundiff combina dos técnicas que aceleran la detección de productos químicos basada en láser y al mismo tiempo lo hacen con precisión. La primera técnica se basa en la misma idea que la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, que utiliza radiofrecuencias para identificar la estructura de moléculas. Aquí, los investigadores utilizan un método llamado espectroscopia coherente multidimensional, o MDCS. MDCS utiliza pulsos de láser ultracortos para leer tipos de gases como un código de barras. Cuando los científicos hacen rebotar los pulsos láser a través de la mezcla de gases, esos pulsos pueden "leer" las longitudes de onda específicas de la luz (o el color) que absorben gases específicos.

"Si tiene luz pasando por el gas, y, por ejemplo, utilizas un prisma para separar la luz blanca en luz de color, en el espectro del arcoíris verías que habría rayas negras, "Dijo Cundiff." Donde están las rayas negras casi te da un código de barras que te dice qué tipo de molécula hay en la muestra ".

Los científicos han estado trabajando en similares métodos más simples. Muchas moléculas importantes tienen espectros muy ricos para ciertos colores de luz, aunque los "colores" pueden estar en el infrarrojo, por lo que no son visibles para el ojo humano, lo que los hace fácilmente identificables. Pero esto se vuelve difícil cuando los científicos intentan identificar gases en una mezcla. Previamente, los científicos se basaron en comparar lo que midieron con un catálogo de moléculas, un proceso que requiere computadoras de alto rendimiento y una cantidad significativa de tiempo.

"Es como intentar ver las huellas dactilares de tres personas una encima de la otra. Este es un obstáculo para usar estos métodos en una situación del mundo real, ", Dijo Cundiff." Nuestro método tarda entre 15 minutos y algunas horas utilizando enfoques tradicionales de MDCS ".

Para acelerar el proceso preservando su precisión, los investigadores de la U-M combinaron MDCS con otro método llamado espectroscopia de doble peine.

Los peines de frecuencia son fuentes de láser que generan espectros que consisten en líneas nítidas igualmente espaciadas que se utilizan como reglas para medir las características espectrales de átomos y moléculas con una precisión extremadamente alta. En espectroscopia, usando dos peines de frecuencia, conocida como espectroscopia de doble peine, proporciona una forma elegante de adquirir rápidamente un espectro de alta resolución sin elementos mecánicos móviles como un "cubo de esquina, "que son tres espejos dispuestos en una esquina, utilizado para reflejar un rayo láser directamente sobre sí mismo. Este elemento suele limitar el tiempo que tardan los investigadores en medir un espectro.

"Este enfoque podría permitir que el método de espectroscopia coherente multidimensional se escape del laboratorio y se utilice para aplicaciones prácticas como la detección de explosivos o el seguimiento de componentes atmosféricos, "Dijo Cundiff.

Lomsadze y Cundiff aplicaron su método a un vapor de átomos de rubidio que contenía dos isótopos de rubidio. La diferencia de frecuencia entre las líneas de absorción de los dos isótopos es demasiado pequeña para ser observada utilizando métodos tradicionales de MDCS. pero usando peines, Lomsadze y Cundiff pudieron resolver estas líneas y asignar los espectros de los isótopos en función de cómo se acoplaban los niveles de energía entre sí. Su método es general y se puede utilizar para identificar productos químicos en una mezcla sin conocer previamente la composición de la mezcla.

Próximo, los investigadores planean agregar un tercer láser que podría acelerar aún más su capacidad para identificar gases. También planean usar láseres basados ​​en fibra óptica para poder mirar más a la luz infrarroja, lo que ampliaría el número de sustancias químicas que podrían identificar.