包括俄勒岡州立大學(xué)材料研究人員在內(nèi)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種更好的光測(cè)量工具，為光學(xué)光譜學(xué)領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)，從而可以改善從智能手機(jī)相機(jī)到環(huán)境監(jiān)測(cè)的方方面面。
今天發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)研究由芬蘭阿爾托大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，并產(chǎn)生了一種功能強(qiáng)大的超小型光譜儀，該光譜儀可以安裝在微芯片上，并使用人工智能進(jìn)行操作。
該研究涉及一種相對(duì)較新的超薄材料，稱為二維半導(dǎo)體，其結(jié)果是光譜儀的概念驗(yàn)證，可以很容易地融入各種技術(shù)，包括質(zhì)量檢測(cè)平臺(tái)、安全傳感器、生物醫(yī)學(xué)分析儀和太空望遠(yuǎn)鏡。
俄勒岡州立大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)教授EthanMinot說(shuō)：“我們已經(jīng)展示了一種制造光譜儀的方法，這種方法比今天通常使用的要小得多。”“光譜儀測(cè)量不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)度，在許多行業(yè)和所有科學(xué)領(lǐng)域都非常有用，可用于識(shí)別樣品和表征材料。”
傳統(tǒng)的光譜儀需要笨重的光學(xué)和機(jī)械部件，而新設(shè)備可以安裝在人類頭發(fā)的末端，邁諾特說(shuō)。新的研究表明，這些組件可以用新型半導(dǎo)體材料和人工智能代替，從而使光譜儀的尺寸從目前最小的(大約是葡萄大小)大幅縮小。
“我們的光譜儀不需要組裝單獨(dú)的光學(xué)和機(jī)械組件或陣列設(shè)計(jì)來(lái)分散和過(guò)濾光，”與阿爾托大學(xué)同事ZhipeiSunYoon一起領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的HoonHahnYoon說(shuō)。“此外，它可以實(shí)現(xiàn)與臺(tái)式系統(tǒng)相當(dāng)?shù)母叻直媛剩庋b要小得多。”
研究人員說(shuō)，該設(shè)備在其吸收的光的顏色方面是100%電子可控的，這使其具有巨大的可擴(kuò)展性和廣泛可用性的潛力。
“將其直接集成到智能手機(jī)和無(wú)人機(jī)等便攜式設(shè)備中可以改善我們的日常生活，”Yoon說(shuō)。“想象一下，我們的下一代智能手機(jī)相機(jī)可能是高光譜相機(jī)。”
這些高光譜相機(jī)不僅可以捕獲和分析可見(jiàn)波長(zhǎng)的信息，還可以進(jìn)行紅外成像和分析。
“令人興奮的是，我們的光譜儀為各種新的日常小工具以及進(jìn)行新科學(xué)的儀器開(kāi)辟了可能性，”邁諾特說(shuō)。
例如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光譜儀已經(jīng)在測(cè)試其識(shí)別人體組織細(xì)微變化的能力，例如腫瘤和健康組織之間的差異。
對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)，邁諾特補(bǔ)充說(shuō)，光譜儀可以準(zhǔn)確地檢測(cè)空氣、水或地面中存在什么樣的污染，以及有多少污染。
“如果有低成本的便攜式光譜儀為我們做這項(xiàng)工作，那就太好了，”他說(shuō)。“在教育環(huán)境中，使用廉價(jià)、緊湊的光譜儀進(jìn)行科學(xué)概念的實(shí)踐教學(xué)會(huì)更有效。”
邁諾特說(shuō)，科學(xué)愛(ài)好者的應(yīng)用也比比皆是。
“如果你對(duì)天文學(xué)感興趣，你可能會(huì)對(duì)測(cè)量用望遠(yuǎn)鏡收集到的光譜并讓這些信息識(shí)別恒星或行星感興趣，”他說(shuō)。“如果地質(zhì)學(xué)是你的愛(ài)好，你可以通過(guò)測(cè)量寶石吸收的光譜來(lái)識(shí)別寶石。”
邁諾特認(rèn)為，隨著二維半導(dǎo)體工作的進(jìn)展，“我們將迅速發(fā)現(xiàn)利用其新穎光學(xué)和電子特性的新方法。”對(duì)二維半導(dǎo)體的研究只進(jìn)行了十幾年，首先是研究石墨烯，碳排列成一個(gè)原子厚度的蜂窩晶格。
“這真的很令人興奮，”邁諾特說(shuō)。“我相信通過(guò)研究二維半導(dǎo)體，我們將繼續(xù)取得有趣的突破。”
除了Minot、Yoon和Sun，合作伙伴還包括來(lái)自上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、四川大學(xué)、延世大學(xué)和劍橋大學(xué)的科學(xué)家，以及來(lái)自阿爾托大學(xué)的其他研究人員。
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