A spektrométerek, az eszközök, amelyek a fényt hullámhosszelemekre bontva vizsgálják, kulcsfontosságú eszközök a tudományos és ipari anyagvizsgálatban, a kémiai azonosításban, valamint az élettudományi kutatásokban. A hagyományos, nagy felbontású spektrométerek azonban jellemzően nagyméretűek – gyakran akár több tíz centiméteresek is –, és bonyolult kalibrálást igényelnek, így a használatuk értelemszerűen laboratóriumokra, esetleg ipari környezetre korlátozódik. Vagyis semmiképp sem olyan műszerről beszélünk, amit a telefonunkba építhetnénk, hogy aztán vígan zsebre vágjunk.

Ennek az a praktikus oka, hogy a spektométerek működése prizmákra vagy diffrakciós rácsokra épül – olyan fénytörő elemekre tehát, amelyek a szivárványhoz hasonlóan bontják fel a fényt különböző hullámhosszakra. Ezek pedig nehezen miniatűrizálhatóak egy ponton túl.

A KAIST Biológiai és mérnöki Tanszékének kutatói, Mooseok Jang professzor vezetésével, most viszont egy új, forradalmi spektrométer-technológiát fejlesztettek ki, amely szakít a műszer eddigi klasszikus felépítésével. A Science Advances című folyóiratban bemutatott megoldás egy rendkívül kompakt, úgynevezett „rekonstrukción alapuló” spektrométer, amely két rétegben elhelyezett, rendezetlen metafelületeket alkalmaz. Ennek lényege, hogy ahelyett, hogy a fény hullámhosszát közvetlenül egy adott irányhoz rendelné, a kutatócsoport olyan metafelületeket használ, amelyek nanoszkopikus – mindössze tíz-száz nanométeres – struktúrák segítségével véletlenszerű, hullámhosszfüggő mintázatokat hoznak létre. Ezeket a bonyolult mintákat egy kamera rögzíti, majd fejlett algoritmusok rekonstruálják belőlük a fény pontos spektrális összetételét.

Az új spektrométer alig 1 centiméter átmérőjű – tehát elég kicsi ahhoz, hogy akár egy okostelefonba is beépíthető legyen –, és egyetlen kép alapján képes akár 1 nanométeres felbontással elemezni a 440 és 1300 nanométer közötti hullámhossz-tartományt, vagyis a látható fénytől a közeli infravörösig terjedő spektrumot.

„Ez a technológia közvetlenül integrálható a jelenlegi, kereskedelmi forgalomban kapható képérzékelőkkel” – mondta Dong-gu Lee, a tanulmány egyik vezető szerzője. – „Ezáltal lehetővé válik a spektrális elemzés hétköznapi alkalmazása, például mobileszközökön keresztül.”

Jang professzor a technológia sokoldalú felhasználási lehetőségeit is hangsúlyozta:

„Míg a hagyományos RGB-érzékelők csak három színsávot tudnak megkülönböztetni, ez a rendszer pontos, részletes spektrális adatokat szolgáltat. Ez számos területen hasznos lehet – például az élelmiszerek minőségének vizsgálatában, a mezőgazdasági megfigyelésekben, a bőrdiagnosztikában, a környezetszennyezés kimutatásában, sőt akár az orvosi diagnosztikában is.”

A PhD-hallgatók, Dong-gu Lee és Gookho Song által vezetett kutatás olyan élvonalbeli technológiák fejlődését is segítheti, mint a hiperspektrális képalkotás, a háromdimenziós optikai manipuláció vagy az ultragyors képalkotás. A nagy felbontású spektroszkópia ilyen mértékű miniatürizálásával ez a felfedezés teljesen átalakíthatja azt, ahogyan a fénnyel kapcsolatba kerülünk és ahogyan annak információtartalmát a mindennapi életben hasznosítani tudjuk. Kicsi lépésnek tűnik talán – szó szerint – de a lehetőségek végtelenek.

(Kép: Pixabay/congerdesign)