Uma equipe de pesquisadores descobriu uma maneira de detectar gases traço em concentrações no nível de partes por quatrilhão usando uma nova variação do efeito fotoacústico, uma técnica que mede o som gerado quando a luz interage com as moléculas.

"De muitas maneiras, o efeito fotoacústico já é o método mais prático disponível para detecção de poluentes na atmosfera, "disse Gerald Diebold, professor de química na Brown University e co-autor de um novo artigo que descreve a pesquisa de seu laboratório. "Mas quando a concentração das moléculas que você está tentando detectar atinge o nível de partes por trilhão, o sinal ficou muito fraco para ser detectado. Desenvolvemos uma nova técnica fotoacústica que aumenta o sinal e nos permite descer ao nível de partes por quatrilhão, que até onde sabemos é um recorde. "

O estudo, que foi uma colaboração entre o laboratório de Diebold em Brown e o laboratório de Fapeng Yu na Universidade de Shandong na China, é publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências .

O efeito fotoacústico ocorre quando um feixe de luz é absorvido por um gás, líquido ou sólido fazendo com que ele se expanda. A expansão é um movimento mecânico que resulta no lançamento de uma onda sonora. O efeito foi descoberto por Alexander Graham Bell na década de 1880, mas tinha pouco valor prático até a invenção do laser, que - como resultado de sua largura de linha tipicamente estreita e alta potência - torna os sinais fotoacústicos grandes o suficiente para serem facilmente detectáveis.

Os detectores fotoacústicos funcionam eletrocutando um material com um laser sintonizado em um comprimento de onda que é absorvido pela molécula de interesse. Em um experimento fotoacústico típico, o feixe de laser é ligado e desligado em uma frequência que pode ser detectada por um microfone sensível para ouvir quaisquer ondas sonoras produzidas. Diferentes moléculas absorvem luz em diferentes frequências, então, ajustando a frequência do laser, é possível ajustar um detector para substâncias específicas. Então, para procurar amônia no ar, por exemplo, o laser seria ajustado para a frequência de absorção específica das moléculas de amônia. Alguém então dispararia uma amostra de ar, e se o microfone capta ondas sonoras, isso significa que a amostra contém amônia.

Mas quanto menor a concentração da substância alvo, mais silencioso é o sinal. Então Diebold e seus colegas usaram uma técnica não convencional para aumentar a amplitude do sinal.

"O que fizemos foi desenvolver um método que se baseia em três ressonâncias diferentes, "Diebold disse." O sinal fica maior a cada ressonância.

Em vez de um único feixe de laser, Diebold e seus colegas combinam dois feixes em uma frequência e ângulo específicos. A união dos feixes cria uma grade - um padrão de interferência entre os dois feixes. Quando as frequências do laser são ajustadas corretamente, a grade viaja em uma célula de detecção na velocidade do som, criando um efeito de amplificação em cada um dos picos na grade.

A segunda ressonância é criada por um cristal piezoelétrico usado no experimento, que vibra precisamente na frequência dos feixes de laser combinados. As pequenas forças compressivas nas ondas de pressão induzem gradualmente o movimento em um cristal da mesma forma que pequenas, empurrões repetidos de um balanço de playground podem causar um movimento de grande amplitude do balanço.

A terceira ressonância é gerada ajustando o comprimento da cavidade na qual o cristal está montado de forma que ele ressoe quando um número inteiro de meios comprimentos de onda do som corresponder exatamente ao comprimento da cavidade. A saída do cristal, que é piezoelétrico, de modo que gera uma tensão proporcional ao seu movimento oscilatório, é enviado para amplificadores e dispositivos eletrônicos sensíveis para registrar o sinal acústico.

"Uma das razões pelas quais o método de grade móvel funcionou tão bem é que o grupo do professor Yu na Universidade de Shandong cultivou um cristal especial que dá sinais muito grandes em resposta às ondas de pressão, "Diebold disse." Disseram-nos que levaram três meses para sintetizar o cristal. "

Em seus experimentos, os pesquisadores mostraram que, ao usar essas três ressonâncias, eles foram capazes de detectar o hexafluoreto de enxofre gasoso em quantidades que chegam a partes por quatrilhão.

Diebold acredita que a técnica será útil no desenvolvimento de detectores que são sensíveis a concentrações de gases poluentes muito baixas, ou para detectar moléculas com absorção fraca que as torna inerentemente difíceis de detectar.

Diebold observou que, ao realizar os experimentos, ele e seus colegas ficaram "surpresos ao descobrir que, porque as frequências são tão altas - na faixa de centenas de quilohertz - que virtualmente não há interferência de fundo, de fontes elétricas ou acústicas do ruído da sala, vento ou vibrações de um edifício. Isso significa que podemos fazer experimentos em uma cavidade aberta sem ter que bloquear o ruído externo. Então, se você tem um aterro sanitário e está tentando detectar metano, por exemplo, você acabou de pegar este detector, sente-o ao ar livre e monitore continuamente a produção. "

Resta algum trabalho de engenharia de um instrumento compacto antes que esta técnica possa ser usada ao ar livre, mas este estudo oferece uma prova de conceito convincente, dizem os pesquisadores.