Kỹ thuật quang âm mới có thể phát hiện chất khí có nồng độ cực kỳ thấp

0
92

Một công trình hợp tác nghiên cứu hợp tác giữa Đại học Brown và Đại học Sơn Đông (Trung Quốc) đã tìm ra được một phương pháp có thể phát hiện các khí thải có nồng độ dưới mức ppq (1 phần triệu tỷ) bằng cách sử dụng một biến thể mới dựa trên hiệu ứng quang – âm, một phương pháp kỹ thuật dùng để đo âm thanh phát ra khi ánh sáng tương tác với các phân tử.

Hiệu ứng quang – âm là một phương pháp sẵn có rất hữu dụng dùng để phát hiện các chất gây ô nhiễm trong bầu khí quyển. Tuy nhiên, khi nồng độ của các phân tử trong chất nào đó ở dưới mức 1 phần nghìn tỷ (ppt) thì sẽ rất khó khăn để có thể phát hiện ra. Kỹ thuật quang âm mới này, do chúng tôi phát triển, có thể làm gia tăng các tín hiệu phát hiện và từ đó có thể cho phép chúng tôi tìm ra được các chất ô nhiễm có nồng độ dưới mức 1 phần triệu tỷ (ppq). Con số này được xem là một kỷ lục mới”, Gerald Diebold, giáo sư hóa học tại Đại học Brown và đồng tác giả nghiên cứu cho biết.

Công trình nghiên cứu đã được nhóm nghiên cứu Phòng thí nghiệm Diebol (Đại học Brown) và Phòng thí nghiệm Fapeng Yu ( Đại học Sơn Đông) công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences gần đây.

Hiệu ứng quang âm xảy ra khi một chùm ánh sáng phát ra được hấp thụ bởi chất khí, lỏng hoặc rắn khiến các chất này bị phồng nở rộng ra. Sự nở rộng này, là một chuyển động cơ học, sẽ khiến cho nó tạo ra các sóng âm. Hiệu ứng này, lần đầu tiên được phát hiện bởi nhà khoa học Alexander Graham Bell vào thập kỷ nhưng nó ít có giá trị thực tiễn cho đến khi các nhà khoa học phát minh ra tia laser, có thể khiến cho các tín hiệu quang âm trở nên“đủ lớn” để có thể dễ dàng bị phát hiện.

Thiết bị dò quang âm hoạt động bằng cách biến đổi vật liệu bằng tia laser đã được điều chỉnh bước sóng thích hợp để hấp thụ các phân tử cần thiết. Trong một thí nghiệm quang âm điển hình, chùm tia laser được bật, tắt ở tần số máy vi âm cảm biến có thể phát hiện được bất kỳ sóng âm thanh nào phát ra. Các phân tử khác nhau hấp thụ ánh sáng ở các mức tần số khác nhau, do đó bằng cách điều chỉnh tần số của tia laser, sẽ có thể tinh chỉnh máy dò cho từng chất cụ thể. Ví dụ như, để tìm ammoniac trong không khí, laser sẽ được điều chỉnh theo tần số hấp thụ đặc trưng của các phân tử amoniac. Tuy nhiên, sẽ rất khó dò tìm được tín hiệu của chất nào đó khi nồng độ của chất đó ở mức rất nhỏ, vì vậy, để có thể phát hiện được các chất nào đó dù chỉ có nồng độ rất nhỏ, Diebold và các đồng nghiệp đã dùng một kỹ thuật độc đáo để có thể tăng biên độ tín hiệu phát hiện.

Theo Diebold cho biết, “Thứ mà chúng tôi tạo ra được đó là phát minh ra được một phương pháp có thể dựa vào 3 cộng hưởng khau nhau để tìm ra tín hiệu chất. Với mỗi cộng hưởng, tín hiệu sẽ được khuếch đại lớn dần lên”.

Thay vì chỉ sử dụng một chùm laser đơn, Diebold và các đồng nghiệp của ông kết hợp hai chùm laser có tần số và góc rất đặc biệt. Sự kết hợp của hai chùm này đã tạo ra một mạng lưới – một kiểu giao thoa – giữa hai chùm laser. Khi tần số laser được điều chỉnh đúng, mạng lưới này sẽ lan truyền trong phạm vi tế bào có thể phát hiện với tốc độ âm thanh, tạo ra một hiệu ứng khuyến đại ở mỗi đỉnh cộng hưởng trong mạng lưới này.

Cộng hưởng thử hai được tạo ra bởi tinh thể áp điện (piezoelectric). Tinh thể này có thể tạo rung chính xác ở tần số của các tia laser kết hợp.

Cộng hưởng thứ 3 được tạo ra bằng cách điều chỉnh bề rộng lỗ hổng ở trong tinh thể được gắn kết để nó tạo ra cộng hưởng khi một số nguyên nửa độ dài bước sóng của âm thanh bằng với độ dài của lỗ hổng. Nó phát ra điện áp tỷ lệ với sự dao động của nó, và gửi tín hiệu âm thanh cần ghi lại đến bộ khuếch đại và thiết bị cảm biến điện tử.

Một trong những lý do để phương pháp dạng lưới hoạt động này làm việc tốt là do nhóm nghiên cứu của giáo su Yu, Đại học Sơn Đông đã phát triển được một tinh thể đặc biệt có thể nhận được tín hiệu lớn trong phản ứng với sóng áp lực. Họ đã mấy 3 tháng để tổng hợp tinh thể này”, Diebold nói.

Trong thí nghiệm nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu cho thấy bằng việc sử dụng 3 cộng hưởng này họ có thể phát hiện ra khí hexafluorua lưu huỳnh với nồng độ chất dưới 1 phần triệu tỷ.

Diebold cho rằng kỹ thuật này sẽ hữu ích trong việc phát triển các máy dò cảm biến phát hiện ra các chất gây ô nhiễm có nồng độ rất thấp, hoặc phát hiện ra các phân tử có khả năng hấp thụ yếu và rất khó phát hiện.

P.T.T (NASATI), Theo https://phys.org/news/2017-06-photoacoustic-technique-gases-parts-per-quadrillion.html, 28/6/2017