Das Tool öffnet die Tür für den weit verbreiteten Einsatz von tragbaren Spektrometern.
Forscher auf dem Gebiet der optischen Spektrometrie haben ein besseres Instrument zur Lichtmessung entwickelt. Dieser Fortschritt könnte alles verbessern, von Smartphone-Kameras bis hin zur Umweltüberwachung.
Die Forschung, geführt von Finnlands Aalto-Universität, entwickelte ein leistungsstarkes, unglaublich kleines Spektrometer, das auf einen Mikrochip passt und von künstlicher Intelligenz gesteuert wird. Ihre Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.
Die Studie verwendete eine relativ neue Klasse von superdünnen Materialien, die als zweidimensionale Halbleiter bekannt sind, und das Ergebnis ist ein Machbarkeitsnachweis für ein Spektrometer, das leicht in eine Reihe von Technologien wie Qualitätsinspektionsplattformen, Sicherheitssensoren und biomedizinische Technologien integriert werden könnte Analysatoren und Weltraumteleskope.
„Wir haben einen Weg demonstriert, Spektrometer zu bauen, die weitaus kleiner sind als die heute üblichen“, sagte Ethan Minot, Professor für Physik an der Oregon State University College of Science, das an der Studie gearbeitet hat. „Spektrometer messen die Lichtstärke bei verschiedenen Wellenlängen und sind in vielen Branchen und allen Bereichen der Wissenschaft äußerst nützlich, um Proben zu identifizieren und Materialien zu charakterisieren.“
Minot behauptete, dass das neue Spektrometer auf die Spitze eines menschlichen Haares passen könnte, im Gegensatz zu herkömmlichen Spektrometern, die große optische und mechanische Komponenten benötigen. Der neuen Studie zufolge könnten solche Komponenten durch neuartige Halbleitermaterialien und künstliche Intelligenz ersetzt werden, wodurch Spektrometer gegenüber den derzeit kleinsten, die etwa die Größe einer Traube haben, drastisch verkleinert werden könnten.
„Unser Spektrometer erfordert keine Montage separater optischer und mechanischer Komponenten oder Array-Designs, um Licht zu zerstreuen und zu filtern“, sagte Hoon Hahn Yoon, der die Studie zusammen mit seinem Kollegen Zhipei Sun Yoon von der Aalto University leitete. „Darüber hinaus kann es eine hohe Auflösung erreichen, die mit Benchtop-Systemen vergleichbar ist, jedoch in einem viel kleineren Gehäuse.“
Das Gerät ist in Bezug auf die absorbierten Lichtfarben zu 100 % elektrisch steuerbar, was ihm ein enormes Potenzial für Skalierbarkeit und breite Verwendbarkeit verleiht, sagen die Forscher.
„Die direkte Integration in tragbare Geräte wie Smartphones und Drohnen könnte unser tägliches Leben voranbringen“, sagte Yoon. „Stellen Sie sich vor, die nächste Generation unserer Smartphone-Kameras könnten Hyperspektralkameras sein.“
Diese Hyperspektralkameras könnten nicht nur Informationen aus sichtbaren Wellenlängen erfassen und analysieren, sondern auch Infrarot-Bildgebung und -Analyse ermöglichen.
„Es ist aufregend, dass unser Spektrometer Möglichkeiten für alle möglichen neuen alltäglichen Geräte und Instrumente eröffnet, um auch neue Wissenschaft zu betreiben“, sagte Minot.
In der Medizin werden beispielsweise bereits Spektrometer auf ihre Fähigkeit getestet, feine Veränderungen im menschlichen Gewebe zu erkennen, etwa den Unterschied zwischen Tumoren und gesundem Gewebe.
Für die Umweltüberwachung, fügte Minot hinzu, können Spektrometer genau erkennen, welche Art von Verschmutzung sich in der Luft, im Wasser oder im Boden befindet und wie viel davon vorhanden ist.
„Es wäre schön, kostengünstige, tragbare Spektrometer zu haben, die diese Arbeit für uns erledigen“, sagte er. „Und im Bildungsbereich wäre die praktische Vermittlung wissenschaftlicher Konzepte mit kostengünstigen, kompakten Spektrometern effektiver.“
Anwendungen gibt es auch für wissenschaftsorientierte Bastler im Überfluss, sagte Minot.
„Wenn Sie sich für Astronomie interessieren, könnten Sie daran interessiert sein, das Lichtspektrum zu messen, das Sie mit Ihrem Teleskop sammeln, und anhand dieser Informationen einen Stern oder Planeten identifizieren zu können“, sagte er. „Wenn Geologie Ihr Hobby ist, könnten Sie Edelsteine identifizieren, indem Sie das Lichtspektrum messen, das sie absorbieren.“
Minot glaubt, dass wir mit fortschreitender Arbeit an zweidimensionalen Halbleitern „schnell neue Wege entdecken werden, um ihre neuartigen optischen und elektronischen Eigenschaften zu nutzen“. Die Erforschung von 2D-Halbleitern wird erst seit einem Dutzend Jahren ernsthaft betrieben, beginnend mit dem Studium von[{“ attribute=““>graphene, carbon arranged in a honeycomb lattice with a thickness of one atom.
“It’s really exciting,” Minot said. “I believe we’ll continue to have interesting breakthroughs by studying two-dimensional semiconductors.”
Reference: “Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction” by Hoon Hahn Yoon, Henry A. Fernandez, Fedor Nigmatulin, Weiwei Cai, Zongyin Yang, Hanxiao Cui, Faisal Ahmed, Xiaoqi Cui, Md Gius Uddin, Ethan D. Minot, Harri Lipsanen, Kwanpyo Kim, Pertti Hakonen, Tawfique Hasan and Zhipei Sun, 20 October 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.add8544
The study was funded by the Academy of Finland.