טכנולוגיית זיהוי חדשה מבית MIT מציעה פתרון קומפקטי, חסכוני ועתיר ביצועים לניתוח ספקטרלי של חומרים כימיים. מדובר במסרק לייזר הפועל בתחום התת־אדום (infrared) – מערכת אופטית זעירה הפועלת על שבב יחיד, שמסוגלת לזהות “טביעות אצבע מולקולריות” במהירות ובדיוק גבוה במיוחד.
המערכת פותחה כדי לענות על צורך גובר בתעשיות כמו ניטור סביבתי, בטיחות תעשייתית, אבטחה ביולוגית ואפילו רפואה מותאמת. בשונה ממערכות לייזר מסורתיות, המתקן החדש מצליח לשלב רוחב ספקטרלי יוצא דופן עם אופטיקה מותאמת שבב – מה שמאפשר לפרוס את הטכנולוגיה במכשירים ניידים ובתנאי שטח, ללא צורך במערכות מגושמות או מקור כוח גדול.
מהו Frequency Comb?
בבסיס ההמצאה עומד רכיב לייזר מיוחד הקרוי frequency comb – “מסרק תדרים”. זהו מקור אור הפולט רצף של תדרים אופטיים מדודים בקפדנות, בדומה לשיני מסרק צפופות. כל “שן” מייצגת תדר שונה ומדויק, מה שמאפשר לבצע מדידות ספקטרליות מדויקות ולזהות חומרים לפי התגובה שלהם לאורך ספקטרום שלם של אור.
הטכנולוגיה פותחה לראשונה בשנות ה־2000, וזיכתה את מפתחיה בפרס נובל. אך עד כה, השימושים בה היו מוגבלים למעבדות מתקדמות בלבד, עקב דרישות כבדות של גודל, עלות וצריכת אנרגיה.
יתרון תת־אדום: Mid-Infrared (תת־אדום בינוני) – אזור טביעות האצבע המולקולריות
החידוש של MIT הוא בכך שה־frequency comb פועל בתחום הספקטרלי של mid-infrared (תת־אדום בינוני) – כלומר, תחום באורך גל של כ־2.5–25 מיקרון, ובפרט כאן: 8–12 מיקרון – אזור הידוע כ־molecular fingerprint region, משום שבו מולקולות רבות סופגות קרינה באופנים ייחודיים.
למעשה, כל חומר כימי – גז, נוזל או מוצק – מגיב אחרת לחשיפה לאור בתחום ה־mid-IR (תת־אדום בינוני), והתוצאה היא ספקטרום ייחודי המשמש כ”טביעת אצבע” מדויקת לזיהוי מולקולרי. כאשר המדידה נעשית בעזרת comb רחב טווח, ניתן לזהות חומרים גם בתנאים מורכבים או בריכוזים נמוכים מאוד.
הישג הנדסי: מסרק לייזר על שבב אחד
האתגר ההנדסי הגדול בפיתוח comb תת־אדום (infrared) היה השגת רוחב פס רחב מבלי להוסיף רכיבים חיצוניים מגושמים כמו מגברים או מסננים. הפתרון הגיע בדמות מראה מתקדמת מסוג DCM – Double-Chirped Mirror. מראה זו מורכבת מאלפי שכבות ננומטריות שתוכננו בקפידה, כך שכל אורך גל עובר בה בזמן שונה – דבר היוצר “פיזור כרומטי מבוקר” שמרחיב את הפס הספקטרלי.
בניסוי של MIT, המערכת יצרה מסרק בתחום של 8–12 מיקרון – טווח רחב מאוד עבור mid-infrared (תת־אדום בינוני) – וביצעה זאת באמצעות שבב אחד בלבד, על פלטפורמה אינטגרטיבית ללא צורך בתוספות חיצוניות.
יישומים אפשריים: מהמעבדה לשטח
ניטור סביבתי (Environmental Monitoring)
זיהוי מזהמים באוויר, פליטות מתחבורה או תעשייה, תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs), מתאן, אוזון ועוד. מערכות כאלה עשויות להיות מותקנות ברחובות, מפעלים או מתקני תשתית.
תעשייה ובטיחות (Industrial Safety)
חיישנים ניידים או קבועים שיזהו בזמן אמת דליפות של גזים רעילים או דליקים. לדוגמה: אמוניה, כלור, בנזן, או חומרים המשמשים בתעשיות הנפט והכימיה.
יישומים צבאיים ואזרחיים (Security & Defense)
מערכות לזיהוי נשקים כימיים, סמים, חומרי נפץ – גם ממרחק. הטכנולוגיה עשויה להשתלב ברחפנים, רובוטים או מערכות אבטחה חכמות.
רפואה מותאמת (Medical Diagnostics)
ניתוח “נשיפה” לגילוי חומרים נדיפים המצביעים על מחלות מטבוליות או זיהומים. לדוגמה: זיהוי קטונים (Ketones) בסוכרת או תרכובות נדיפות הקשורות לסרטן.
מערכות IoT חכמות (Smart Sensors)
שילוב במסננים חכמים, מערכות HVAC, רכבים אוטונומיים או מכשור חקלאי – לזיהוי איכות אוויר, מצב קרקע, גידול מזיקים ועוד.
יתרונות מרכזיים
- קומפקטיות: שבב בודד ללא צורך במודולים חיצוניים
- צריכת אנרגיה נמוכה: מתאים לשימוש סולארי, נייד או בלוטות’
- דיוק ורגישות: זיהוי של חומרים בריכוזים נמוכים מ־ppm
- תגובה מיידית: ללא המתנה או תגובות כימיות
- עמידות: מתאים לתנאי חוץ, רטיבות או רעידות
מתי נוכל לראות את זה בשטח?
בשלב זה, המערכת נמצאת בשלב הוכחת היתכנות במעבדות MIT, אך החוקרים מציינים כי הארכיטקטורה שלה כבר מותאמת לייצור סדרתי. גודלה, עלותה הנמוכה והפשטות האופטית שלה פותחים את הדלת בפני יישומים מסחריים תוך שנים ספורות.
כבר כיום, מספר חברות בתחום הסנסורים הפוטוניים, כולל סטארטאפים שעובדים עם מחלקת האנרגיה האמריקאית, מגלים עניין בטכנולוגיה לשימושים תעשייתיים, סביבתיים וצבאיים.
מבט לעתיד: חישה אולטרה־חכמה
היכולת להכניס עוצמת מדידה ספקטרלית מדויקת לתוך מערכות קומפקטיות עשויה לשנות את פני עולם החישה. כאשר משלבים את ה־frequency comb עם ניתוח נתונים מבוסס AI, ניתן לקבל מערכת שמסוגלת לא רק לזהות חומרים, אלא גם ללמוד דפוסים, לחזות חריגות ולהתריע מראש.
מנקודת מבט תעשייתית, מדובר בחיישן מהדור הבא – כזה שיאפשר ל־factories of the future לנטר בזמן אמת תהליכים כימיים, לייעל ייצור, להפחית זיהום ולשמור על בטיחות.
תמונת כותרת: המסרק משתמש במראה מסוג (Double-Chirped Mirror (DCM, המוצגת בתמונה – מראה אופטית מיוחדת הבנויה ממספר רב של שכבות, שעוביין משתנה בהדרגה מקצה
אחד לשני. קרדיט: באדיבות החוקרים ממכון MIT
קרדיט: הידיעה מבוססת על פרסום רשמי של MIT News, אוגוסט 2025
