Лазеры, роботы, действие: семинар в Массачусетском технологическом институте посвящен рамановской спектроскопии.

Подпись : Научный сотрудник Массачусетского технологического института Ламия Альмехмади (слева) в сотрудничестве с Центром битов и атомов MIT провела в январе семинар по рамановской спектроскопии — методу, использующему лазерный свет для «идентификации» материалов. Фото : Гретхен Эртль Подпись : На семинаре участникам была представлена методика, которая сейчас используется в самых разных отраслях, включая правоохранительные органы, реставрацию произведений искусства и фармацевтику. Альмехмади , химик-аналитик из Департамента материаловедения и инженерии, призвал студентов задуматься о ее потенциале для инноваций. Фото : Гретхен Эртль Подпись : Семинар по методу Рамана, проводившийся в рамках самостоятельной работы, был открыт для всех сотрудников Массачусетского технологического института, от административного персонала до аспирантов, студентов и докторантов в области инженерии и физики. Фото : Гретхен Эртл Подпись : Трехчасовой мастер-класс был практическим, участники использовали портативные устройства для анализа материалов и пульт дистанционного управления для управления роботом-собакой. Фото : Гретхен Эртль Подпись : Участники принесли такие предметы, как косметика, морской камень и шоколадный батончик, для анализа с помощью портативных устройств, которые излучают лазерный свет и измеряют его обратное рассеяние. Фото : Гретхен Эртль Подпись : В одной из демонстраций была показана собака-робот с портативным рамановским детектором, что продемонстрировало возможность применения этой технологии в опасных условиях, таких как места преступлений или токсичные промышленные объекты. Фото : Гретхен Эртль Подпись : После того, как участники освоили основы, Альмехмади призвал их творчески подойти к поиску новых применений рамановской спектроскопии. Фото : Гретхен Эртль

Может ли трехчасовой мастер-класс по передовой методике анализа материалов превратить человека в детектива — или, возможно, в реставратора произведений искусства?

В конце января в Центре битов и атомов (CBA) Массачусетского технологического института около дюжины студентов исследовали эту возможность в рамках семинара по рамановской спектроскопии — методу, использующему лазерный свет для «идентификации» материалов. На занятии даже была представлена роботизированная собака, оснащенная сенсорным оборудованием, демонстрирующая, как можно проводить химический анализ дистанционно.

Семинар, проведенный постдокторантом Массачусетского технологического института Ламией Альмехмади в сотрудничестве с Центром рамановской спектроскопии (CBA), познакомил участников с мощным методом, который в настоящее время используется правоохранительными органами и службами экстренного реагирования для идентификации наркотиков и взрывчатых веществ, геммологами для аутентификации драгоценных камней и фармацевтическими компаниями для проверки сырья и обеспечения качества продукции. Аспирант-исследователь CBA Цзямин Лю выступил в качестве соведущего, прочитав лекции, продемонстрировав оборудование для рамановской спектроскопии и внеся свой вклад в учебную программу и практические демонстрации.

«Это может открыть новые возможности для инноваций во многих областях», — сказала Альмехмади, химик-аналитик из Департамента материаловедения и инженерии (DMSE). После того, как участники ознакомились с основами, она призвала их творчески подойти к поиску новых применений: «Я надеюсь вдохновить всех вас на то, чтобы придумать что-то новое с помощью рамановской спектроскопии, чего никто раньше не делал».

Материалы для снятия отпечатков пальцев

Участники приносили на занятия предметы для анализа с помощью портативных устройств, которые излучают лазерный свет и измеряют, как он отражается. Полученный рисунок ведет себя как молекулярный отпечаток пальца, идентифицируя материалы, содержащиеся в предмете — будь то скрепка, кусок древесной коры или миска для смешивания.

Участница семинара Сара Чириелло, административный помощник в DMSE, которая принесла камень, найденный на пляже, была поражена результатами. Рамановский прибор показал 39-процентную вероятность того, что образец содержит материал, похожий на бетон, а остальные показания соответствовали синтетическим соединениям, что размывает грань между природными и искусственными материалами.

«Это рукотворное — я был удивлен», — сказал Чириелло.

Рамановская спектроскопия, разработанная в 1928 году индийским ученым Ч. В. Раманом, который впоследствии получил Нобелевскую премию по физике, стала новаторским методом, поскольку использовала видимый свет для исследования материалов без их разрушения, что являлось существенным преимуществом перед другими методами того времени, такими как хроматография или масс-спектрометрия. Однако на протяжении десятилетий рамановский сигнал — свет, рассеянный от образца, — был слабым, а приборы — большими и громоздкими, что ограничивало его практическое применение.

Достижения в области лазеров, вычислительной мощности и миниатюрной оптики превратили рамановскую спектроскопию в портативный инструмент. Современные портативные устройства могут мгновенно сравнивать молекулярный отпечаток образца с обширными цифровыми библиотеками, позволяя пользователям идентифицировать тысячи материалов за считанные секунды. Поскольку рамановская спектроскопия не разрушает образец, она особенно полезна в областях, требующих сохранения материалов, — например, в правоохранительных органах, где доказательства должны оставаться нетронутыми, и в реставрации произведений искусства.

Собственные исследования Альмехмади сосредоточены на развитии рамановской спектроскопии путем разработки высокочувствительных полупроводниковых датчиков, которые позволяют проводить портативный химический анализ, находящий применение в самых разных областях, от медицинской диагностики до криминалистики и экологического мониторинга.

«Рамановский спектрометр можно использовать для анализа любого материала, — говорит Альмехмади. — Именно поэтому я решил познакомить с ним студентов из разных социальных слоев».

Занятия в рамках программы IAP открыты для студентов и сотрудников всего Массачусетского технологического института, и семинар Рамана отразил этот широкий круг участников — от административного персонала до аспирантов, студентов и докторантов из различных отделов и лабораторий, включая DMSE, кафедру машиностроения, Медиа-лабораторию и Институт Броуда.

Выгул собаки-робота

Одним из самых запоминающихся моментов мастер-класса стало использование робота-собаки из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL). Демонстрация показала, как рамановская технология может применяться в опасных условиях, таких как места преступлений или токсичные промышленные объекты.

Портативное устройство было прикреплено к роботу с помощью скотча, и Альмехмади продемонстрировала, как она может направить собаку к пластиковому пакету, наполненному белым порошком — пищевой содой.

Но в реальных условиях, как мы можем определить, пищевая это сода или нет, говорит она? «Поэтому мы просто посветили фонариком, и прибор показал нам, что это такое».

Участники использовали приложение Wi-Fi на своих телефонах для просмотра результатов и небольшой пульт дистанционного управления для самостоятельного управления роботизированной собакой.

«Мне очень понравился робот-собака, — говорит Чириелло. — Я смог немного им управлять, но это было непросто, потому что датчик был очень чувствительным».

Майкл Китчер, научный сотрудник кафедры DMSE, также высоко оценил демонстрацию робота.

«Учитывая, что мы просто приклеили устройство к собаке скотчем, было здорово увидеть, что оно действительно работает», — говорит он.

Взгляд в будущее

Китчер, занимающийся исследованиями магнитных материалов для электронных применений, присоединился к семинару, чтобы узнать больше о рамановской спектроскопии, о которой он читал, но никогда не использовал. Он был впечатлен ее универсальностью — помимо морского камня и пищевой соды, прибор смог идентифицировать материалы в контактной линзе, косметике и даже алмазе.

Хотя анализ принесенного им кусочка шоколада оказался затруднительным — мешали другие сигналы от шоколада, — Китчер видит большой потенциал для своих собственных исследований. Одна из областей, которая его интересует, — это нетрадиционные магнитные материалы, такие как альтермагнетики, обладающие необычным магнитным поведением, которое исследователи надеются лучше понять и контролировать для создания более энергоэффективной электроники.

«В последние пару лет люди пытались лучше понять, почему эти материалы ведут себя именно так — как мы можем контролировать этот нетрадиционный магнитный порядок», — говорит он. Рамановская спектроскопия позволяет исследовать колебания атомов в материале, помогая исследователям выявлять закономерности в кристаллической структуре, лежащие в основе необычного магнитного поведения. Понимая эти колебания, ученые могли бы раскрыть правила проектирования материалов, которые позволят создавать сверхбыстрые и энергоэффективные вычисления.

По словам Альмехмади, практические семинары, подобные этому, которые вдохновляют на создание инновационных приложений будущего, лежат в основе образования в MIT.

«Я всегда лучше всего училась на практике, — говорит она. — Лекции и чтение важны, но настоящее понимание приходит с опытом работы».

Источник: news.mit.edu