חוקרים מאוניברסיטת בר-אילן הצליחו לפתח שיטת חישה כימית חדשנית המבוססת על סיבים אופטיים העושים שימוש באור העובר דרכם לשם יצירת גלי קול מחוצה להם, תוך קבלת מידע עקיף באשר לסביבה האופפת את הסיב. השיטה החדשה תוכל לשפר את יכולות החישה עבור מגוון נרחב של יישומים, לרבות תהליכים תעשייתיים וגילוי מרחוק של כימיקלים
[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
חוקרים מאוניברסיטת בר-אילן הצליחו לפתח שיטת חישה כימית חדשנית המבוססת על סיבים אופטיים העושים שימוש באור העובר דרכם לשם יצירת גלי קול מחוצה להם, תוך קבלת מידע עקיף באשר לסביבה האופפת את הסיב. השיטה החדשה תוכל לשפר את יכולות החישה עבור מגוון נרחב של יישומים, לרבות תהליכים תעשייתיים וגילוי מרחוק של כימיקלים.
“מגבלה בסיסית ההופכת את החישה של כימיקלים למטלה מאתגרת היא שחייבים להתקיים יחסי גומלין בין האור לבין החומר הנבדק והנמדד”, מסביר פרופסור אבי צדוק מהפקולטה להנדסה ומהמכון לננו-טכנולוגיה באוניברסיטת בר-אילן, אשר הוביל את צוות המחקר. “מגבלה זו עיכבה אותנו במשך שנים רבות, אותנו החוקרים בתחום הגלאים מבוססי הסיבים האופטיים”. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב-העת המדעי Optica. “הצלחנו לרתום את יחסי הגומלין ההדדיים בין אור לקול, והשתמשנו בקול בתור השליח שלנו לעולם שבחוץ”.
סיבים אופטיים מהווים אמצעי יעיל ונוח לחישה כימית בזכות היותם זעירים מאוד, ניתנים לשימוש מרחוק (אפשר למדוד בעזרתם כימיקלים הנמצאים קילומטרים מאתנו) וניתנים להתקנה כמעט בכל מקום, לרבות בסביבות מסוכנות כגון בארות נפט שם אסור להשתמש בחשמל. יחד עם זאת, טכנולוגיות חישה קיימות המבוססות על סיבים אופטיים מאלצות את האור העובר בתוך הסיב לבוא במגע ישיר עם החומר הנבדק, תוצאה הסותרת את הייעוד של סיבים אופטיים: להבטיח כי האור לא נפלט החוצה. בעבר, ניסיונות להתגבר על מגבלה זו חייבו הכנסת שינויים משמעותיים, למשל ניקוב חרירים בסיב או איכולו לקבלת קוטר צר במיוחד שיאלץ את האור להיפלט החוצה. “על אף העובדה כי ניתן להשיג רמות רגישות גבוהות בעזרת גישות אלו, הצורך לבצע את השינויים הללו מקשה על ייצור גלאים מסוג זה ואפילו משפיע על יציבותם”, אומר צדוק.
במקום להשתמש ישירות באור, החוקרים הגו רעיון שמאפשר לנצל את האור המועבר דרך הסיב האופטי על מנת ליצור גלי קול, או תנודות אקוסטיות, תוך ניצול היתרונות של תופעה הידועה בשם ‘פיזור ברילואן מעורר’ (stimulated Brillouin scattering). למרות העובדה כי מנגנון זה משמש כיום בגלאי סיבים אופטיים מסחריים, הגלאים הקיימים משמרים בתוככי הסיב הן את האור ואת את גלי הקול. “השלב המכריע היה למצוא התנהגויות מכאניות מסוימות שמצליחות לצאת מחוץ לסיב, ולנצל את ההתנהגויות הללו”, מסביר החוקר הראשי. “מצאנו כי מנגנון הפיזור בכיוון החזית יכול לשמש לקבלת מידע באשר למה שקורה מחוץ לסיב”. הגישה החדשנית מבוססת על שימוש בגלים אופטיים עוצמתיים דיים ליצירת תנודה אקוסטית המגיעה אל מחוץ לסיב. תנודות אלו הולכות ודועכות כתלות בתכונות של החומר הנבדק הנמצא מסביב לסיב, תוצאה המספקת שיטה עקיפה לחישת התכולה הכימית של הסביבה בה נמצא הסיב. בזכות העובדה כי האור נותר בתוך הסיב, השיטה מאפשרת שימוש בסיבים אופטיים רגילים שלא עברו כל שינוי, כאשר כל מה שנותר לחוקרים לעשות הוא להסיר את כיסוי המגן הפלסטי של הסיב.
החוקרים הדגימו את יכולת השיטה שלהם בחומרים אתאנול ומים נטולי-יונים, תוך מדידת התנודות האקוסטיות המצביעות על צפיפותו של הנוזל ומהירות גלי הקול הנעים דרך אותו הנוזל. התוצאות שהתקבלו היו קרובות לערכים ידועים ברמת דיוק של 1%. בנוסף, החוקרים הצליחו בעזרת השיטה להבדיל בין דגימות מים עם ריכוזים שונים של מליחות. בעתיד, השיטה תוכל לשמש לניטור ההתפלה של מים, עבור יישומים של תהליכים אלקטרו-כימיים, כמו תאי-דלק, או למדידת השינויים בריכוזים של יונים או מלחים מומסים המשמשים בתהליכים כימיים בתעשייה. ייתכן וניתן יהיה להתאים את השיטה החדשה גם לגילוי של כימיקלים ספציפיים. החוקרים סבורים כי על ידי שינוי פני השטח החיצוני של הסיב הם יוכלו לגרום למשיכה של החומר רצוי, וכך הגלים האקוסטיים יעברו שינוי באופן מדיד כאשר החומר הכימי נקשר לסיב. על אף העובדה כי עדיין יש צורך בפיתוח ומחקר נוסף, גישה שכזו, אם תצליח, תוכל להיות שימושית לגילוי חומרי נפץ או חומרים מחוללי-מחלות. “למרות שכמובן נרצה לחקור עוד יישומים אפשריים בעתיד, בעבודתנו זו התמקדנו בפתרון הבעיה שנראתה כמו פרדוקס: לא ניתן להיות גם בתוך הסיב וגם מחוצה לו באותו הזמן”, אומר החוקר. ” אנחנו מצאנו דרך לעקוף את הפרדוקס הזה”.
תקציר המאמר
