Använd din smartphone för att kontrollera hur ren luften är, om maten är färsk eller en klump är elakartad. Allt detta har kommit ett steg närmare tack vare en ny spektrometer som är så liten att den enkelt och billigt kan integreras i en mobiltelefon. Den lilla sensorn som utvecklats vid TU Eindhoven är precis lika exakt som de vanliga bordsmodellerna som används i vetenskapliga laboratorier. Forskarna presenterar sin uppfinning den 20 december i tidskriften Naturkommunikation .

Spektrometri, analys av synligt och osynligt ljus, har ett enormt utbud av applikationer. Varje material och varje vävnad har sitt eget "fotavtryck" när det gäller ljusabsorption och reflektion, och kan således kännas igen med spektrometri. Men exakta spektrometrar är stora eftersom de delar upp ljuset i olika färger (frekvenser), som sedan mäts separat. Strax efter att ljuset har splittrats, balkarna, som har olika frekvenser, fortfarande överlappar varandra; mycket exakta mätningar kan därför endast göras några tiotals centimeter efter klyvningen.

Eindhoven-forskarna utvecklade en genialisk sensor som kan göra så exakta mätningar på ett helt annat sätt med hjälp av en speciell "fotonisk kristallhålighet", en "fälla" på bara några mikrometer som ljuset faller ner i och inte kan fly. Denna fälla finns i ett membran, i vilket det fångade ljuset genererar en liten elektrisk ström, och det mäts. Ph.D. studenten Žarko Zobenica gjorde hålrummet så att det är mycket exakt, behåller bara ett mycket litet frekvensintervall och mäter därför endast ljus vid den frekvensen.

För att kunna mäta ett större frekvensområde, forskarna placerade två av sina membran mycket tätt ovanför varandra. De två membranen påverkar varandra:om avståndet mellan dem ändras något, då ändras ljusfrekvensen som sensorn kan detektera också. För detta ändamål har forskarna under ledning av professor Andrea Fiore och docent Rob van der Heijden, inkorporerade ett MEMS (ett mikroelektromekaniskt system). Denna elektromekaniska mekanism gör att avståndet mellan membranen kan varieras, och därmed den uppmätta frekvensen. I sista hand, sedan, sensorn täcker ett våglängdsområde på cirka trettio nanometer, inom vilken spektrometern kan urskilja några hundra tusen frekvenser, vilket är exceptionellt exakt. Detta möjliggörs av det faktum att forskarna kan exakt bestämma avståndet mellan membranen till bara några tiotal femtometer (10 ^-15 meter).

För att visa användbarheten, forskargruppen visade flera tillämpningar, inklusive en gassensor. De gjorde också en extremt exakt rörelsesensor genom att på ett smart sätt utnyttja det faktum att den detekterade frekvensen ändras när de två membranen rör sig i förhållande till varandra.

Professor Fiore förväntar sig att det kommer att ta ytterligare fem år eller mer innan den nya spektrometern faktiskt kommer in i en smartphone eftersom det täckta frekvensområdet för närvarande fortfarande är för litet. Just nu, sensorn täcker bara några få procent av det vanligaste spektrumet, det nära-infraröda. Så hans grupp kommer att arbeta med att utöka det detekterbara spektrumet. De kommer också att integrera ett extra element med mikrospektrometern:en ljuskälla, vilket gör sensorn oberoende av externa källor.

Med tanke på den enorma bredd av applikationer, mikrospektrometrar förväntas så småningom bli en lika viktig del av smarttelefonen som kameran. Till exempel, att mäta CO2, upptäcka rök, bestämma vilken medicin du har, mäta matens färskhet, nivån på ditt blodsocker, och så vidare.