Смартфоны научат определять чистоту воздуха

Инженеры создали миниатюрные спектрометры, которые можно будет устанавливать в мобильные устройства. Подобная модификация позволит оснастить гаджеты системой экологического мониторинга, способностью определять свежесть еды и даже оценивать злокачественность опухолей. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Nature Communications.

Спектрометрия излучения, то есть анализ относительных интенсивностей волн разных частот, применяется во многих областях. У каждого типа атомов или молекул есть свой уникальный спектральный «отпечаток», благодаря которому можно с высокой точностью определить, есть ли в изучаемом образце нужное вам вещество. Высокоточные спектрометры зачастую слишком громоздкие, так как они разделяют свет на различные длины волн, которые затем анализируются по отдельности. После расщепления пучки все еще перекрываются, поэтому наиболее точные измерения можно проводить только на расстоянии десятков сантиметров.

Исследователи из Технического университета Эйндховена разработали совершенно новый сенсор, который способен проводить точные измерения при помощи специальной ловушки для света — резонатора из фотонных кристаллов размером всего несколько микрометров. Ловушка заключена в мембрану, где запертый свет создает крохотный электрический ток, который и измеряется. Ученым удалось создать ловушки очень точной формы, что позволило удерживать лишь свет очень малого диапазона частот.

Чтобы увеличить регистрируемый диапазон, ученые расположили две мембраны близко друг к другу. Благодаря их взаимодействию, можно управлять частотой удерживаемого света, регулируя расстояние между мембранами. Для этого авторы применили технологию микроэлектромеханических систем (МЭМС). В результате получился нанооптоэлектромеханический сенсор, регистрируемую частоту которого можно изменять в диапазоне 30 нанометров. Внутри этого диапазона прибор может работать со спектральным разрешением (отношением всего диапазона к минимальному различимому шагу частоты) в несколько сотен тысяч. Это стало возможно благодаря тому, что расстоянием между мембранами ученые могут управлять с точностью всего несколько десятков фемтометров (1 фм = 10^-15 м).

Авторы продемонстрировали работоспособность прототипа, сделав из него газовый анализатор, а также датчик движения, воспользовавшись его невероятной чувствительностью к относительному расстоянию между мембранами. По словам создателей, в ближайшие пять лет устройство не будет встраиваться в смартфоны, так как оно пока покрывает лишь небольшую часть ближнего инфракрасного диапазона. В дальнейшем ученые намерены сфокусироваться именно на увеличении диапазона доступных частот.