Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC) siūlo sprendimą: mokslininkai sukūrė mažytį kvantinį kaskadinį lazerį, kuris yra itin tikslus ir kompaktiškas. Degtuko dėžutės dydžio prietaisas skleidžia infraraudonąją šviesą, kuri padeda aptikti atskiras dujų molekules – ir tai gali praversti tiek gamyklose, tiek karo lauke.
Šios technologijos idėją į Lietuvą atvežė centro Optoelektronikos skyriuje dirbantis fizikas dr. Jan Devenson, vėliau su juo tematiką toliau vystė ir dr. Karolis Stašys – buvęs Jano doktorantas ir FTMC Inovacijų skyriaus vadovas, o dabar – FTMC Gynybos projektų vadovas.
„Lietuvoje atsiradus aukštesnio lygio mokslinei infrastruktūrai ir gavus papildomos įrangos, atsivėrė galimybė šią technologiją toliau plėtoti. Galiausiai pasiekėme tokį lygį, kad Lietuvoje sušvito pirmieji lietuviški kvantiniai kaskadiniai lazeriai, kurie nuo pradžios iki pabaigos pagaminti mūsų Centre“, – sako K. Stašys.
Susiję straipsniai
Mažesnis ir tikslesnis prietaisas
Esminė lazerio dalis – laboratorijoje užaugintas dviejų puslaidininkių kristalų (konkrečiau, indžio arsenido ir aliuminio stibido) „sumuštinis“, telpantis ant piršto nago. Šių kristalų sluoksnių storiai lemia kvantines savybes, dėl kurių lazeris spinduliuoja infraraudonąją šviesą.
Beveik visos cheminės medžiagos turi savo „optinį pėdsaką“ infraraudonųjų spindulių spektro srityje, dėl to tam tikro bangos ilgio lazeris, aplinkoje susidūręs su konkrečių dujų molekule, apie ją praneš sistemai.
„Veikimo principas labai paprastas: yra šviesos šaltinis (lazeris) bei detektorius, kuris registruoja, kiek šviesos buvo sugerta. Tačiau praktikoje susiduriame su keletu iššūkių.
Pirmiausia – vienas iš būdų labai tiksliai detektuoti dujas yra naudoti Furjė transformacijų spektrometrą. Bet jis yra didžiulis, sunkus ir brangus: vienas toks įrenginys kainuoja mažiausiai 100 tūkst. eurų, o dar reikia papildomų priedų, tokių kaip dujų celė. Taigi visa sistema tampa dar brangesnė.
FTMC nuotr.
Be to, tokie prietaisai turi nepakankamą jautrumą labai mažiems dujų kiekiams aptikti. Yra tam tikrų pavojingų medžiagų, pavyzdžiui, fosgenas (nervus paralyžiuojančios dujos), kurių pakanka labai mažos koncentracijos, kad būtų padaryta žala.
Tokį didelį prietaisą vežtis į nelaimės vietą, pavyzdžiui, chemijos gamyklos avarijos atveju ar kitomis ekstremaliomis sąlygomis, yra labai nepatogu. Yra ir mažesnių sistemų, maždaug iki didelio stiklainio dydžio. Tačiau jos vis tiek gan didelės, o kai kurios kainuoja iki pusės milijono eurų.
O mes siekėme sukurti pigesnę ir gerokai mažesnę sistemą, kuri gebėtų šviesti labai konkrečiame dažnių ruože. Pavyzdžiui, mūsų visas lazerinis kristalų „sumuštinis“ yra vos dviejų milimetrų ilgio ir pusės milimetro pločio, o visas prietaiso korpusas prilygsta degtukų dėžutės dydžiui“, – pasakoja K. Stašys.
Jis pateikia namuose laikomo dūmų detektoriaus pavyzdį: jame yra angų, pro kurias patenka oras, o viduje esanti sistema analizuoja įeinančias medžiagas. Panašiu principu gali veikti ir FTMC sukurtas prietaisas.
Nuo karo lauko iki ligų diagnostikos
Kalbėdamas apie sistemos pritaikymo galimybes, FTMC gynybos projektų vadovas pirmiausia mini situacijas ginkluotų konfliktų ar provokacijų metu: šis išradimas gebėtų aptikti net ir mažus pavojingų dujų kiekius lauke bei patalpoje.
Kaskadiniai lazeriai praverstų ir pramonėje: „Pavyzdžiui, fabrike, kur gaminami aerozoliniai dažai ar kiti purškiami produktai, svarbu žinoti, ar įranga tinkamai užsandarina pakuotes. Jei sandarumas nepakankamas ir produktas išteka, ypač jeigu tai pavojingos ar nuodingos medžiagos, pasekmės gali būti rimtos.
Tokia sistema gali būti įrengta virš gamybinės linijos ir patikrinti kiekvieną aerozolio buteliuką, nustatydama, ar jis tinkamai užsandarintas pagal konkrečias ieškomas dujas.“
Kita svarbi sritis – medicina. Pašnekovas kalba apie „dirbtinę nosį“, neinvaziniu būdu gebančią aptikti tam tikras ligas kraujyje ar odos išskyrose: užtektų prietaisą pridėti prie rankos ar kitos kūno vietos.
Pasak pašnekovo, kad ši technologija virstų plačiai praktikoje naudojamu produktu, šiuo metu vyksta pokalbiai su verslu. Karolis pabrėžia, kad šiam tikslui pasiekti reikia laiko ir įdirbio – nes skirtingiems poreikiams būtina auginti su skirtingais dažniais veikiančius kristalus, o tai yra sudėtingas procesas.
„Jei susidomėtų, verslas šiuo klausimu gali kreiptis į FTMC Inovacijų skyrių. Kvantinių kaskadinių lazerių tematiką vystome ir dirbame toliau. Procesas vyktų dar sparčiau, jei turėtume pramoninį partnerį.
Verslui tikrai nereikėtų bijoti vadinamųjų giliųjų technologijų. Nors jų vystymas užtrunka, ilgalaikėje perspektyvoje jos dažniausiai atsiperka labai solidžiai“, – sako ekspertas.