Dråper som inneholder kvanteprikker legges på en bildebrikke. Slik har forskere fra Kina og USA laget et lite, enkelt og lett spektroskop som kan gjøre analyser i verdensrommet og i medisinske laboratorier. (Illustrasjon: Mary O'Reilly.)
Liten fargemåler for romferder og helseapper
Erstatter dyre komponenter med billige fargestoffer og datakraft.
Forskere har utviklet et nytt apparat for fargeanalyse – et spektroskop– ved å bruke noe som ligner en blekkskriver til å legge en spesiell type fargestoff på bildebrikken i et mobilkamera.
Slike lette, små og robuste spektroskoper kan brukes på lange romferder for å utforske fjerne planeter, eller for å gjøre medisinske målinger, tror forskerne bak studien i tidsskriftet Nature.
Spektroskoper er viktige instrumenter for mange forskere – og i hverdagen. Når spektroskopet bryter lyset i alle regnbuens farger, kan nemlig fargene fortelle mye.
Leger kan måle oksygen eller blodsukker ut fra fargen på blodet. Astronomer kan se hvilke stoffer en stjerne er laget av, ut fra fargene til stjernelyset.
Geologen kan se hvilke mineraler en stein er laget av, ut fra fargene som steinen reflekterer. Fysikeren kan se hvilke gasser som er i lufta, ut fra hvilke farger gassen fjerner fra lyset.
Fra prisme til gitter
Den enkleste måten å lage et fargespektrum på er med et glassprisme. De fleste har sett et slikt prisme og et regnbuespektrum da de gikk på skolen.
I dag brukes sjelden prismer. Spektroskopene inneholder isteden et slags fine stripemønstre i en glassplate. De fungerer som et fint gitter med mange spalter.
Lysbølgene kommer ut av spaltene som smale stråler. Alle de smale strålene møtes, og lysbølgene forsterker eller svekker hverandre for ulike bølgelengder – ulike farger – på ulike steder. Slik kan de bryte opp lyset.
Slik virker gitterspektrografen – sterkt forenklet. Hvitt lys med alle farger kommer inn fra venstre mot gitteret (brunt), her tegnet med bare to åpninger. Det røde lyset har lengre bølger enn det blå. Derfor treffer bølgetoppene hverandre og forsterker hverandre på forskjellige steder for det røde og det blå lyset. Slik dras det hvite lyset ut i alle regnbuens farger på forskjellige steder bak gitteret, her bare vist for ytterpunktene rødt og blått i regnbuen. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Du kan selv se en lignende effekt på overflaten av en CD eller DVD. Regnbueglansen skyldes de små gropene i plata. Også fuglefjær kan ha regnbueglans på grunn av små spalter.
Kvanteprikker
Men gitterspektrografer stjeler mye lys. De må også lages med stor presisjon. Det gjør dem kostbare, ganske store og mindre effektive.
De to forskerne Jie Bao og Moungi G. Bawendi har utviklet en helt annen type spektroskop. De bruker noe som ligner en blekkskriver, og sprøyter en væske med ørsmå partikler på bildebrikken til et mobilkamera.
De små partiklene kalles kvanteprikker, på engelsk quantum dots. Størrelsen på kvanteprikkene bestemmer hvilke farger de slipper gjennom. Store prikker gir røde farger. Små prikker gir blå farger. Hvorfor er det slik?
Innestengt i krystallet
Annonse
Enkelt forklart er en kvanteprikk et ørlite krystall, et nanokrystall. Krystallet er laget av et halvlederstoff. Halvledere brukes også blant annet i solceller og transistorer.
Når kvanteprikken treffes av lys, blir elektronene slått løs fra plassene sine. Men det lille krystallet stenger dem inne. De forandrer hvor mye energi elektronene kan ta opp.
Når de halvfrie elektronene faller på plass i krystallet igjen, sender de ut et lite lysglimt, et foton. Energien til fotonet blir større jo mindre krystallet er.
Små blå, store røde
Energien henger igjen sammen med fargen. I regnbuen er det slik at det røde lyset har lavest energi. Så stiger energien mot gult og grønt lys og videre mot de høyeste energiene for blått og fiolett.
Det betyr at kvanteprikkene fungerer som et slags fargefiltre. Jo større de er, jo mer rødt energifattig lys slipper de gjennom. Jo mindre, desto blåere energirikt lys.
Men disse fargefiltrene er ganske grove og unøyaktige. Alene kan de ikke bryte opp lyset i et fargespektrum som er nøyaktig nok for et spektroskop.
Bao og Bawendi fant en løsning. De laget kvanteprikker med 195 forskjellige størrelser. Hver størrelse på kvanteprikkene ga et ganske grovt fargefilter, men forskjellen mellom hvilke farger de ulike kvanteprikkene fjernet var mye finere og mer nøyaktig.
Så sprøytet de en væske med disse 195 forskjellige kvanteprikkene ut på forskjellige steder av overflaten til en bildebrikke, en slik som finnes i et mobilkamera.
Et kvanteprikkspektrometer der et tynt lag av kvanteprikker dekker en vanlig bildebrikke av den typen som finnes i mobilkameraer. (Foto: Jie Bao.)
Annonse
Fra grovt til fint med data
Bildebrikken ble brukt til å måle lysstyrken under de 195 forskjellige fargefiltrene. Selv om hvert filter bare ga en grov fargeindikasjon, kunne forskerne bruke utnytte den finere forskjellen fra filter til filter.
Disse forskjellene kunne kjøres gjennom et dataprogram. Ut kom et fargespektrum som var nøyaktig ned til en fargeforskjell på en nanometer, målt i fargens bølgelengde.
Det kan høres nøyaktig ut. Det er likevel mye dårligere enn de mest nøyaktige spektroskopene som finnes for eksempel på store astronomiske observatorier. Her kan nøyaktigheten være helt nede i en hundredels nanometer.
Likevel kan slike små, billige og raske spektroskoper gjøre nytte for seg. De kan brukes på romsonder, fordi de er enkle og robuste og lette.
Romsonder bruker for eksempel spektroskoper til å måle temperaturen til atmosfæren på en fremmed planet og hva slags stoffer den inneholder, eller hva slags mineraler overflaten består av.
Små hverdagsvenner
De små spektroskopene kan også brukes i mange forskjellige apparater som etter hvert vil bli en del av hverdagen vår.
De kan også brukes til å gjøre medisinske målinger på legekontoret og hjemme, i det som kalles laboratoriet på en brikke – lab on a chip.
Referanse:
Annonse
Jie Bao & Moungi G. Bawendi: A colloidal quantum dot spectrometer, Nature 2. Juli 2015, vol. 523, 10.1038/nature14576, sammendrag.
