نجح باحثون من جامعة بار إيلان في تطوير طريقة مبتكرة للاستشعار الكيميائي تعتمد على الألياف الضوئية التي تستخدم الضوء المار من خلالها لتكوين موجات صوتية خارجها، مع تلقي معلومات غير مباشرة عن البيئة المحيطة بالألياف. ويمكن للطريقة الجديدة أن تحسن قدرات الاستشعار لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك العمليات الصناعية والكشف عن المواد الكيميائية عن بعد
[ترجمة د.نحماني موشيه]
نجح باحثون من جامعة بار إيلان في تطوير طريقة مبتكرة للاستشعار الكيميائي تعتمد على الألياف الضوئية التي تستخدم الضوء المار من خلالها لتكوين موجات صوتية خارجها، مع تلقي معلومات غير مباشرة عن البيئة المحيطة بالألياف. ويمكن للطريقة الجديدة أن تحسن قدرات الاستشعار لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك العمليات الصناعية والكشف عن المواد الكيميائية عن بعد.
"أحد القيود الأساسية التي تجعل استشعار المواد الكيميائية مهمة صعبة هو أنه يجب أن يكون هناك تفاعل بين الضوء والمادة التي يتم اختبارها وقياسها"، يوضح البروفيسور آفي صادوق من كلية الهندسة ومعهد تكنولوجيا النانو في جامعة بار إيلان. ، الذي قاد فريق البحث. "لقد أعاقنا هذا القيد لسنوات عديدة، نحن الباحثون في مجال أجهزة الكشف المعتمدة على الألياف الضوئية." وقد نُشرت نتائج البحث منذ فترة طويلة في المجلة العلمية Optica. "لقد تمكنا من تسخير التفاعل بين الضوء والصوت، واستخدمنا الصوت كرسولنا إلى العالم الخارجي."
تعتبر الألياف الضوئية وسيلة فعالة ومريحة للاستشعار الكيميائي نظرا لصغر حجمها، ويمكن استخدامها عن بعد (يمكننا استخدامها لقياس المواد الكيميائية التي تبعد أميالا عنا) ويمكن تركيبها في أي مكان تقريبا، بما في ذلك البيئات الخطرة مثل آبار النفط حيث يحظر استخدام الكهرباء. وفي الوقت نفسه، فإن تقنيات الاستشعار الحالية القائمة على الألياف الضوئية تجبر الضوء الذي يمر عبر الألياف على الاتصال المباشر بالمادة التي يتم اختبارها، وهي نتيجة تتعارض مع غرض الألياف الضوئية: ضمان عدم انبعاث الضوء. في الماضي، تطلبت محاولات التغلب على هذا القيد إدخال تغييرات كبيرة، على سبيل المثال، عمل ثقوب في الألياف أو تعليبها للحصول على قطر ضيق للغاية من شأنه أن يجبر الضوء على الانطلاق. يقول صادوق: "على الرغم من إمكانية تحقيق مستويات عالية من الحساسية باستخدام هذه الأساليب، إلا أن الحاجة إلى إجراء هذه التغييرات تجعل من الصعب إنتاج هذا النوع من أجهزة الكشف، بل وتؤثر على استقرارها".
وبدلاً من استخدام الضوء مباشرة، توصل الباحثون إلى فكرة تجعل من الممكن استخدام الضوء المنقول عبر الألياف الضوئية لإنشاء موجات صوتية، أو اهتزازات صوتية، مع الاستفادة من ظاهرة تعرف باسم "تشتت Brillouin المحفز". وعلى الرغم من أن هذه الآلية تستخدم حاليا في أجهزة الكشف عن الألياف الضوئية التجارية، إلا أن الكاشفات الموجودة تحافظ على كل من الضوء والموجات الصوتية داخل الألياف. "كانت الخطوة الحاسمة هي العثور على بعض السلوكيات الميكانيكية التي تمكنت من الخروج من الألياف، والاستفادة من هذه السلوكيات"، يوضح الباحث الرئيسي. "وجدنا أن آلية التشتت في اتجاه المقدمة يمكن استخدامها للحصول على معلومات بشأن ما يحدث خارج الألياف." يعتمد النهج المبتكر على استخدام موجات ضوئية قوية بما يكفي لإنشاء اهتزاز صوتي يصل إلى خارج الألياف. وتتلاشى هذه التقلبات تدريجياً تبعاً لخصائص المادة التي تم اختبارها حول الألياف، وهي النتيجة التي توفر طريقة غير مباشرة لاستشعار المحتوى الكيميائي للبيئة التي تتواجد فيها الألياف. وبفضل بقاء الضوء داخل الألياف، تسمح الطريقة باستخدام ألياف بصرية عادية لم تخضع لأي تعديل، في حين أن كل ما على الباحثين فعله هو إزالة الغطاء البلاستيكي الواقي للألياف.
وأثبت الباحثون قدرة طريقتهم على استخدام الإيثانول والماء منزوع الأيونات، مع قياس الاهتزازات الصوتية التي تشير إلى كثافة السائل وسرعة الموجات الصوتية التي تتحرك عبر ذلك السائل. وكانت النتائج التي تم الحصول عليها قريبة من القيم المعروفة وبدقة 1%. بالإضافة إلى ذلك، تمكن الباحثون من استخدام الطريقة للتمييز بين عينات المياه ذات تراكيز مختلفة من الملوحة. وفي المستقبل، يمكن استخدام هذه الطريقة لمراقبة تحلية المياه، لتطبيقات العمليات الكهروكيميائية، مثل خلايا الوقود، أو لقياس التغيرات في تركيزات الأيونات أو الأملاح الذائبة المستخدمة في العمليات الكيميائية في الصناعة. وقد يكون من الممكن تكييف الطريقة الجديدة أيضًا لاكتشاف مواد كيميائية محددة. ويعتقد الباحثون أنه من خلال تغيير السطح الخارجي للألياف سيكونون قادرين على جذب المادة المرغوبة، وبالتالي ستتغير الموجات الصوتية بشكل قابل للقياس عندما ترتبط المادة الكيميائية بالألياف. وعلى الرغم من أنه لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من التطوير والبحث، فإن مثل هذا النهج، إذا نجح، يمكن أن يكون مفيدًا للكشف عن المتفجرات أو العوامل المسببة للأمراض. "على الرغم من أننا نرغب بالطبع في استكشاف المزيد من التطبيقات الممكنة في المستقبل، إلا أننا في هذا العمل ركزنا على حل المشكلة التي بدت وكأنها مفارقة: ليس من الممكن أن تكون داخل الألياف وخارجها في نفس الوقت"، يقول الباحث. "لقد وجدنا طريقة للتغلب على هذه المفارقة."
ملخص المقال
