Η παρακολούθηση της μάζας μέσα από σκληρά περιβάλλοντα απαιτεί υποκατάστατα σωματίδια που αντέχουν στο συμβάν και αντέχουν μέχρι τη δειγματοληψία. Οι επιστήμονες έχουν αναφέρει προηγουμένως τη δυνατότητα επιβίωσης των ανθεκτικών ανιχνευτών σωματιδίων κατά τη διάρκεια εκρήξεων.
Σε μια νέα μελέτη από Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού (PNNL), οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει τραχιά σωματίδια ιχνηθέτη που θα μπορούσαν να επιβιώσουν και να ευδοκιμήσουν σε ακραίες συνθήκες.
Οι φθορίζουσες βαφές και άλλα οργανικά υλικά χρησιμοποιούνται συχνά ως ιχνηθέτες στη βιολογική έρευνα για τον εντοπισμό των κυττάρων και την ανίχνευση διαρροών νερού. Αποδίδουν θαυμάσια σε ορισμένες περιπτώσεις, αλλά είναι λιγότερο αποτελεσματικά στον εντοπισμό υλικού σε εκρήξεις. Το πρόβλημά τους είναι: καίγονται.
Σε αυτή τη μελέτη, αντί να χρησιμοποιήσουν οργανικά υλικά, οι επιστήμονες επικεντρώθηκαν σε ανόργανα υλικά για να αναπτύξουν τους τραχείς ιχνηθέτες τους—ιδίως κβαντικές κουκίδες.
Η συνάδελφος ερευνήτρια του PNNL, April Carman, είπε, «Αν και τα πήγαν πολύ καλύτερα από τα οργανικά υλικά σε σκληρές συνθήκες, η ερευνητική ομάδα χρειαζόταν ακόμα να προστατεύσει τις κβαντικές κουκκίδες από τις ακραίες συνθήκες μιας χημικής έκρηξης».
«Η εύρεση ενός τρόπου προστασίας του ιχνηθέτη διατηρώντας παράλληλα τη φωτεινή του ένταση αποδείχθηκε δύσκολη».
Το τοπικό περιβάλλον επηρεάζει σημαντικά τη φωτεινότητα ή την ένταση φωταύγειας του ιχνηθέτη. Ορισμένα προληπτικά μέτρα μπορούν να μειώσουν τη φωτεινότητα, καθιστώντας τον ιχνηθέτη πιο δύσκολο να βρεθεί. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν ενυδατωμένο πυρίτιο - «βασικά εμποτισμένο με νερό γυαλί» για να προστατεύσουν τις κβαντικές κουκκίδες και να διατηρήσουν τη φωτεινότητά τους.
Οι επικαλυμμένοι ιχνηθέτες που δημιουργήθηκαν από την ομάδα PNNL ήταν σχεδόν τόσο φωτεινοί όσο οι αρχικές κβαντικές κουκκίδες, παρόλο που οι προηγούμενες τεχνικές επίστρωσης πυριτίου μείωσαν σημαντικά τη φωτεινότητα του ιχνηθέτη. Πρόσθετες δοκιμές αποκάλυψαν ότι τα σωματίδια θα μπορούσαν να αντέξουν διάφορα επίπεδα pH για παρατεταμένες περιόδους.
Ο Χάμπαρντ είπε, «Ξέραμε ότι δημιουργήσαμε κάτι ξεχωριστό όταν είδαμε τα αποτελέσματά μας».
Ευτυχώς για την ομάδα PNNL, η μέθοδος σύνθεσής τους σχεδιάστηκε ώστε να είναι πλήρως επεκτάσιμη ώστε να παράγει μαζικές ποσότητες—από κιλά έως πιθανούς τόνους ανά ημέρα.
Ο συνάδελφος ερευνητής του PNNL Michael Foxe είπε, «Όχι μόνο μπορούν να φτιάξουν μεγάλες ποσότητες του ιχνηθέτη, αλλά μπορούν επίσης να τις προσαρμόσουν. «Μπορούμε να συντονίσουμε το μέγεθος και το χρώμα του ιχνηθέτη σε οποιαδήποτε ιδιαιτερότητα. Ο ιχνηθέτης μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια για να δημιουργήσει μια μίμηση της μάζας ή του υλικού που παρακολουθείται. Μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε μια ποικιλία μεγεθών με διαφορετικά χρώματα για να απεικονίσουμε πώς μια έκρηξη επηρεάζει σωματίδια διαφορετικών μεγεθών».
Επιστήμονες Σημειώνεται, «Οι ανιχνευτές είναι αρκετά ανθεκτικοί ώστε να αναπτύσσονται σε σκληρά περιβάλλοντα για να παρακολουθούν τη μάζα και να βελτιώνουν την κατανόηση των επιστημόνων για την περιβαλλοντική τύχη και τις μεταφορές. Μπορούν να λειτουργήσουν υπό συνθήκες που είναι πολύ σοβαρές για τους παραδοσιακούς ιχνηθέτες - όπως σε διυλιστήρια πετρελαίου και φυσικού αερίου ή γεωθερμικές εγκαταστάσεις. Με ρυθμιζόμενες παραμέτρους και ένα εύχρηστο σύστημα, αυτοί οι ιχνηθέτες έχουν πολλές πιθανές εφαρμογές για την παρακολούθηση της τύχης και της μεταφοράς του υλικού σε σκληρά περιβάλλοντα.»
Η Κάρμαν είπε, «Είμαστε χαρούμενοι που μπορέσαμε να συνεχίσουμε αυτό το έργο παρά τον αρχικό σκεπτικισμό. Είμαστε επίσης ενθουσιασμένοι που βλέπουμε πού θα μας οδηγήσει στη συνέχεια».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Hubbard, L., Reed, C., Uhnak, Ν. et αϊ. Μικροσυσσωματώματα φωταυγούς πυριτίου, σύνθεση και περιβαλλοντικές δοκιμές. MRS Communications 12, 119–123 (2022). DOI: 10.1557/s43579-022-00150-3
