Magasabb szintre léphet a fotoakusztikus mérőműszer fejlesztése a Szegedi Tudományegyetemen, írja közleményében az intézmény, metaanyagok bevonásával növelik a rendszer érzékenységét. A HU-RIZONT támogatású kutatásban neves partnerintézményekkel, a Glasgow-i, a Szingapúri és a Szöüli Egyetemmel dolgoznak együtt a szegedi kutatók.

Az általuk fejlesztett műszer felhasználási területe rendkívül szerteágazó és ígéretes, segítségével például a kilélegzett levegő összetételéből következtethetnek az orvosok az emberi vérveszteség mennyiségére, vagy egy földrengés esetén segíthet beazonosítani, hogy a romok alatt fekszenek-e túlélők vagy van-e esetlegesen gázszivárgás. 

Hogyan működik a fotoakusztikus mérőműszer? Egy lézert hangolnak rá a mérendő komponens elnyelésére. Ha például vízgőzt akarnak mérni, keresnek egy megfelelő hullámhosszt, ahol a vízgőz elnyeli a lézerfényt és ezt kilohertz, tehát az emberi fül által hallható frekvencián megmodulálják. A fény elnyelődik, amelynek hatására hang keletkezik. Ezt detektálják egy mikrofon segítségével. Minél több van a mérendő komponensből, annál hangosabb hang keletkezik. Ezek az emberi hallásküszöb alatt vannak, speciális elektronika, jelfeldolgozás szükséges a mérésükhöz.

A mérőműszer elektronikáját, a mikrofont, az akusztikát az évek során folyamatosan fejlesztették, így mostanra elért egy olyan szintet, amelyet csak egy új irányba történő lépéssel lehet tovább fejleszteni: metaanyagokkal forradalmasítják a műszert.

„Az előrejelzések szerint számos területet forradalmasítanak majd, például a légiközlekedésben lehetőség látszik a turbinák zajának drasztikus csökkentésére. Felmerült bennünk az a gondolat, hogy meg kellene próbálni a metaanyagokat a fotoakusztikában is alkalmazni hasonló előrelépés reményében” – ismertette Prof. Dr. Bozóki Zoltán, az SZTE IKIKK kutatója.

A metaanyagok a természetben nem létező, mesterséges módon előállított anyagok. Tulajdonságaik nem annyira az összetételüknek, hanem elsősorban a szerkezetüknek köszönhetők. Bármilyen jól ismert anyagból, például fémekből, vagy félvezetőkből is felépülhetnek, ám mivel belső szerkezetük eltér a hagyományostól, fizikai jellemzőik alaposan megváltoznak.

Kis méretük miatt olyan tulajdonságokat lehet velük elérni, amit természetes anyagokkal csak több nagyságrenddel nagyobb méretben. Ilyen például a fotoakusztikában kiemelten fontos zajcsillapítás.

Hagyományos módszerek esetén több tíz centiméteres elemekkel lehetne csak megvalósítani azt, amit a metaanyagok segítségével milliméteres méretben el lehet érni. A szegedi egyetem kutatói által kialakított fotoakusztikus kamrák így mobiltelefon méretűre csökkenhetnek. A cél, hogy a projekt végére ezek a metaanyagokkal integrált fotoakusztikus rendszerek a jelenlegi állapothoz képest legalább háromszor (de akár nagyságrendekkel) pontosabb mérések végzésére legyenek alkalmasak.

A metaanyagok előállításában neves nemzetközi partnerintézmények lesznek a Szegedi Tudományegyetem szakembereinek segítségére. A Szingapúri Egyetem és a Glasgow-i Egyetem optikai metaanyagok előállítását vállalta a projektben, míg a Szöuli Egyetemen akusztikus metaanyagokat terveznek majd, amelyek előállításán, mérésén már jelenleg is dolgoznak.

A metaanyagok tervezése és tulajdonságaik feltérképezése, előrejelzése számítógépes szimulációval Csókási Áron végzős mesterszakos fizikushallgató feladata a projektben. Modelljei által újfajta akusztikus vagy optikai jelenségeket ismerhetnek fel a kutatók. Az ötletek szimulációja, modellezése és az eredmények kiértékelése is számítógép segítségével történik. Ezt követően kerülnek az akusztikus, valamint optikai metaanyagokat felhasználó fotoakusztikus rendszer egyes elemei megvalósításra.

A fotoakusztikus mérőműszer felhasználási területe szerteágazó. Alkalmas többek között a levegőminőség monitorozására, a földgáz, biogáz és más gázok bizonyos összetevőinek detektálására, koncentrációjának mérésére.

Orvosi diagnosztikában is bevethető a mérőműszer, amelyet legutóbb az ELI-ben egy önkéntes véradás során teszteltek.

A kilélegzett levegő gázösszetételének meghatározásával következtetni lehet a vérveszteség mennyiségére.

A levegő kondenzcsík képző képességét is mérni lehet vele. Ha a repülő száraz levegőben repül, a kondenzcsík gyorsan szétoszlik, míg nedves levegő esetén nem tud feloszlani. Az ilyen módon kicsapódott víz akár napokon keresztül valamilyen formában ott marad, a napfényt csapdázza és ezáltal klímamódosító hatása lesz.

A kutatócsoport által fejlesztett mérőrendszerek segítségével megállapítható, hogy a mezőgazdasági területeken alkalmazott műtrágya hány százaléka hasznosul. Ezt a kialakuló ammónia mennyiségének és előfordulásának detektálásával végzik. Az egyik legújabb kutatási területük pedig olyan mérőegység fejlesztése, amely alkalmas egy földrengés esetén beazonosítani, hogy a romok alatt vannak-e túlélők, vagy gázszivárgás, úgy, hogy nem kerül veszélybe sem állat, sem ember a kutató csapatból.

Az interdiszciplináris kutatásban az SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, a HUN-REN Fotoakusztikus Környezetmegfigyelési Kutatócsoport, és az SZTE Kísérleti Fizika Tanszék munkatársai vesznek részt.