В Университете штата Северная Каролина (NCSU) разработан спектрометр настолько крошечный, что им можно оснастить смартфон. Изобретение делает мощную научную технологию потенциально доступной любому пользователю гаджета.
«Спектрометры — это важнейшие инструменты, помогающие нам определять химические и физические свойства различных материалов, анализируя изменения света при взаимодействии с ними. Они используются в самых разных областях — от производства до биомедицинской диагностики», — говорит профессор Брендан О’Коннор с факультета машиностроения и аэрокосмической техники NCSU.
Однако, по его словам, даже самые маленькие такие приборы слишком громоздки.
«Мы создали спектрометр, который работает быстро, при низком напряжении и чувствителен к широкому спектру света. Наш демонстрационный прототип занимает всего несколько квадратных миллиметров — он может поместиться в вашем телефоне. При желании его можно уменьшить до размера одного пикселя», — продолжает разработчик.
Технология использует крошечный фотодетектор, способный улавливать свет в широком диапазоне — от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного (400–1000 нм). Меняя приложенное детектору напряжение, можно сдвигать максимум чувствительности по спектральной линейке, что устраняет необходимость в оптических фильтрах.
«Если быстро подавать на фотодетектор диапазон напряжений и фиксировать все длины волн света, которые он улавливает при каждом напряжении, то с помощью простой вычислительной программы можно точно восстановить спектральную характеристику света, проходящего через материал или отражающегося от него, — объясняет О’Коннор. — Диапазон напряжений не превышает одного вольта, а весь процесс занимает менее миллисекунды».
Предыдущие попытки создать миниатюрные фотодетекторы требовали сложной оптики, высокого напряжения или не обладали такой широкой спектральной чувствительностью.
Эксперименты, с результатами которых можно ознакомиться в журнале Device, показали, что спектрометр размером с пиксель так же точен, как обычный спектрометр, и обладает чувствительностью, сравнимой с коммерческими фотодетекторами.
«В долгосрочной перспективе наша цель — вывести спектрометры на потребительский рынок. Благодаря размерам и энергопотреблению эту технологию можно интегрировать в смартфоны, что открывает множество интересных возможностей. С исследовательской точки зрения это также упрощает доступ к спектроскопии визуализации, микроскопической спектроскопии и другим лабораторным применениям», — заключил О’Коннор.
Возможно, в скором будущем к нескольким камерам смартфона добавится еще один «глазок», который поможет с высочайшей точностью (детектор различает длины волн с разрешением 0,18 нм; для сравнения: человеческий глаз — ~5–10 нм, камера — ~50–100 нм) определять качество продуктов питания, состав воздуха в комнате или состояние кожи.
Идея, к слову, не нова — в 2018 году в Новгородском государственном университете имени Ярослава Мудрого был разработан мини-спектрометр для смартфона, хотя и с куда более скромными характеристиками.
Как работает масс-спектрометрия, позволяющая узнать состав чего угодно
В Японии изобрели алкосенсор для смартфона
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram