Terahercinė spektroskopija – tai metodas, kuris naudoja elektromagnetines terahercų dažnių ruožo bangas medžiagų savybėms tirti. Patys terahercai plika akimi nematomi, tačiau, naudojant reikiamą įrangą, šios bangos leidžia nustatyti medžiagų molekulių vibracijas ir struktūrą.
Knygą sudarė iš Filipinų kilęs ir šiuo metu Kuveito Persijos įlankos mokslo ir technologijų universiteto profesorius dr. Carlito Salonga Ponseca Jaunesnysis. Kaip jis rašo įvade, prieš 20 metų terahercų bangos buvo suprantamos kaip „spraga“ tarp labiau tyrinėjamų radijo ir regimosios šviesos dažnių. Ir ne be reikalo – 2005-aisiais pasaulyje buvo paskelbta vos apie šimtą mokslinių straipsnių terahercų tema. Tačiau situacija pasikeitė kardinaliai: šiandien turime jau apie 20 tūkstančių straipsnių. Ir domėjimasis tik auga.
Naujausioje šios srities apžvalgoje pasaulio mokslininkai pristato, kaip galima geriau valdyti terahercų bangas, kaip ši spektroskopija padeda tyrinėti medžiagas – nuo saulės elementų iki puslaidininkių nanostruktūrų. O paskutiniame knygos skyriuje aprašoma, kaip terahercų bangos gali būti panaudojamos tiriant įvairių rūšių aliejų, alyvų ir kuro optines savybes.
Reikšminga tai, kad pastaro teksto autorius yra lietuvis mokslininkas, Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Optoelektronikos skyriaus fizikas dr. Mindaugas Karaliūnas. Kuo įdomūs ir aktualūs jo darbai šioje srityje?
Užkirsti kelią sukčiavimui
„Jautėsi, tarytum, antrą kartą rašyčiau disertaciją. Buvo nelengva, bet labai įdomu, džiaugiuosi“, – prisimena Mindaugas.
Viskas prasidėjo gerokai anksčiau – ir tam, kad geriau suprastume, apie ką yra lietuvio darbai, iš pradžių nusikelkime į 2013 m., kai baigęs doktorantūros studijas jaunasis mokslininkas prisijungė prie FTMC Terahercinės fotonikos laboratorijos komandos.
Terahercų bangos ypatingos tuo, kad jos gali „matyti kiaurai“ per kai kurias medžiagas, todėl tinka labai įvairiems tyrimams – nuo saugumo patikros oro uostuose iki medžiagų sudėties analizės. Pagrindinė laboratorijos misija – kurti naujus terahercinius prietaisus, kurie galėtų padėti geriau atpažinti medžiagų sudėtį, kokybę ir pokyčius.
„Vieną dieną laboratorijos vadovas dr. Irmantas Kašalynas užėjo ir pasiūlė: „Pažiūrėk, ką būtų galima padaryti su aliejais.“ Taip pradėjau matuoti vakuuminio siurblio alyvos savybes. Terahercai labai „nemėgsta“ vandens – šios bangos pro jį neprasiskverbia, bet aliejai ir riebalai, kaip paaiškėjo, labai tinkami tokiems tyrimams“, – pasakoja M. Karaliūnas.
Pradžioje tai buvo pabandymai dėl įdomumo, bet ilgainiui viskas išsivystė į rimtą mokslinį darbą: buvo siekiama išnagrinėti, kaip skiriasi šviežio ir jau panaudoto aliejaus bei alyvos vidinės savybės. Šiam tikslui prie FTMC fizikų prisijungė ir kolegos chemikai, ypač šviesaus atminimo vienas garsiausių Lietuvos tribologų dr. Svajus Asadauskas, tuo metu grįžęs iš JAV. Visi kartu jie tyrinėjo ne tik alyvas, bet ir rafinuotus bei nerafinuotus maistinius aliejus iš parduotuvės, tarp kurių buvo ir nerafinuoti linų sėmenų, kanapių aliejai ir žuvies taukai.
„Pamenu, eksperimentams specialiai nupirkau ir judros sėklų aliejaus, nes Svajus savo moksliniame pranešime jį labai rekomendavo kaip tinkamą naudoti vietoje techninės alyvos, kas yra aktualu pakilus pastarųjų kainoms, – šypsosi pašnekovas. – Ir čia būtų išvengta teisinių apribojimų: maistui auginamų augalų negalima naudoti kitoms paskirtims, tačiau judrą Europos Sąjunga laiko techniniu augalu. O dar ir maistui tinka!“
Pasak M. Karaliūno, teraherciniai aliejų ir alyvų tyrimai aktualūs dar vienoje svarbioje srityje: šiuo metu, naudojant spektroskopiją, siekiama ištobulinti metodą, kuris padėtų nustatyti, ar šios medžiagos – dar tinkamos naudoti, ar jau atidirbusios. Fizikas pateikia pavyzdį iš maisto saugos.
„Kinijoje labai populiarus gruzdinimas, maisto virimas riebaluose (deep frying). Užfiksuota nelegali praktika, kai panaudotas aliejus yra surenkamas iš restoranų, išvalomas, atnaujinama jo spalva – ir ryte vėl parduodamas kaip šviežias, nors taip nėra. Jame pilna kancerogenų! Tad labai svarbu turėti metodą, kuris padėtų atpažinti pasenusį aliejų – ir užkirsti kelią sukčiavimui.
Patys kinų mokslininkai bandė naudoti dirbtinį intelektą, kad apmokyti algoritmai duotų tikimybę, ar aliejus vis dar šviežias. Bet šis metodas turi trūkumų, DI gali apsigauti – taigi, vis dar svarbus išlieka nuodugnus žmonių darbas“, – sako M. Karaliūnas.
Rezultatai – prestižiniame leidinyje
Labai trumpai apie tai, kaip vyksta tokie tyrimai: kai mokslininkai neinvaziniu būdu „apšviečia“ aliejų tam tikro ilgio tehercinėmis bangomis, jie matuoja, kaip toji spinduliuotė sąveikauja su medžiaga. Aliejus šiek tiek sugeria, šiek tiek praleidžia spinduliuotę – šie pokyčiai užrašomi kaip skaičiai arba kreivė, kuri vadinama sugerties spektru.
Kiekviena medžiaga turi unikalų spektrą, priklausomai nuo jos sudėties. Kai aliejus pasensta, keičiasi jo cheminė sudėtis, ir tai pakeičia spektro formą. Spektroskopija leidžia šiuos pokyčius užfiksuoti.
„Naudojome terahercinę spektroskopiją su laikine skyra. Šis metodas leidžia išmatuoti du pagrindinius optinius parametrus: sugerties koeficientą (kiek medžiaga sugeria spinduliuotės) ir lūžio rodiklį (kiek spinduliuotė sulėtėja, sklisdama pro medžiagą). Kiekviena medžiaga turi savo charakteringas šių dydžių vertes.
Šiuos parametrus nustatydavome vieno matavimo metu, o tada galėdavome palyginti skirtingus bandinius. Paprastas pavyzdys – turi du butelius: viename techninė alyva, kitame – maistinis aliejus. Iš išorės atrodo vienodai, bet spektroskopija leidžia juos atskirti pagal vidinę struktūrą. Dar svarbiau – sistemingai matuodami galėjome įvertinti, ar aliejus bei alyva švieži“, – pasakoja fizikas.
Mindaugas savo tyrimams iš pradžių planavo pats sendinti aliejus: kaitinti valandą, tris, penkias – ir stebėti pokyčius. Tačiau greit buvo suprasta, kad tai nėra moksliškai tikslu, be to – ir pavojinga. Juk perkaitintas aliejus gali užsidegti! Tad chemikas S. Asadauskas pasiūlė kitą kelią – naudoti aliejų, į kurį pridėta hidrolizės produktų. Jie atsiranda, kai aliejus sąveikauja su vandeniu (pvz., kepant maistą), ir tas vanduo ardo aliejaus molekules.
Tada vyksta tarsi „mikrosprogimas“ – aliejuje vietoj vientisos molekulių struktūros susidaro micelės – burbuliukai iš molekulių fragmentų. Tyrėjų komandai pavyko parodyti, kad šis struktūrinis pokytis yra matomas naudojant terahercinę spektroskopiją – ir tai buvo naujovė mokslo pasaulyje. Kalbame apie 2018 metus.
Šį atradimą M. Karaliūnas su kolegomis aprašė moksliniame straipsnyje, kuris sulaukė netikėtos sėkmės – tekstą išspausdino prestižinės „Nature“ grupės leidinys „Scientific Reports“.
„Pasaulyje aliejai ir alyvos tiriami terahercais jau nuo 2005 m., ir atrodė, kad jau nebebus kuo nustebinti. Bet, kai reikėdavo išmatuoti aliejų amžių (su alyva buvo lengviau), pasirodė, kad tai atlikti sunku. Matuojant aliejų savybes, norima pamatyti aiškų momentą, kada jis paseno. Bet vietoje aiškios linijos, gauti duomenys būna netvarkingi – todėl sunku nustatyti, kada tiksliai įvyko pokytis. Tad savo straipsniu mes įdėjome svarbų įnašą į šią mokslinę diskusiją. Džiugu, kad „Scientific Reports“ tą indėlį įvertino“, – dalijasi Mindaugas.
Jis priduria, kad šioje srityje vis dėlto laukia daug darbo – terahercų bangos dar nėra visiškai patikimos norint išsiaiškinti tikslų aliejų ir alyvų amžių, išlieka daugybė techninių ir mokslinių kliūčių. Tačiau lietuviai prisidėjo siekiant geriau suprasti šias visas subtilybes ir jas spręsti.
Mėginiai iš Kuveito naftos telkinių ir Vilniaus degalinių
Tokia „priešistorė“. O šiemet FTMC mokslininkas pasaulio bendruomenei prisistatė savo skyrių minėtoje prof. Ponsecos knygoje „Terahertz Spectroscopy and Its Applications“.
M. Karaliūnas su mokslininku susipažino, kai šis prieš keletą metų buvo Vilniaus universiteto profesorius (prieš tai daug metų dėstęs Norčiopingo universitete, Švedijoje), o Mindaugas – asistentas, padėdavęs vesti seminarus ir laboratorinius darbus. Terahercų spektroskopijos specialistas dažnai lankydavosi ir Mindaugo laboratorijoje FTMC. Vėliau C. Ponseca su šeima persikėlė gyventi į Kuveitą – norėjo įsteigti savo spektroskopijos centrą.
Taigi, mokslininkas su FTMC tyrėju buvo užmezgęs ryšį, ir, kilus idėjai išleisti knygą, pakvietė Mindaugą tapti vieno iš knygos skyrių autoriumi – ir davė užduotį.
„Sužinojęs apie mano darbus su aliejais ir straipsnį „Scientific Reports“ žurnale, jis atsiuntė 60 skirtingų naftos mėginių iš įvairių Kuveito telkinių, kad galėčiau terahercais išmatuoti šių medžiagų savybes. Tuos mėginius gauti labai sudėtinga, tai nėra lengvai prieinamas dalykas. Čia jau taikiau kiek kitokią – terahercinę Furjė transformacijos spektroskopiją, kuri veikia kitu principu ir šiek tiek kitoje dažnių srityje.
Apie pusė bandinių nebuvo tinkami pasirinktai metodikai, bet kita pusė davė labai įdomių rezultatų. Pavyzdžiui, viename bandinyje buvo vien vanduo! Kodėl? Pasirodo, vanduo ir nafta iš gręžinio keliauja kartu. O gal toks bandinys buvo paruoštas su tikslu įvertinti matavimo metodo galimybes?..“ – svarsto FTMC fizikas.
Vėliau į šiuos tyrimus jis įtraukė ir VU studentus, kad jie lavintų eksperimentavimo įgūdžius, nebūtinai tikintis vien sėkmingų rezultatų. Dėl įvairovės Mindaugas, beje, mažais buteliukais rinko ir „lietuviškus“ mėginius – benziną ir dyzeliną iš Vilniaus degalinių. „Juokingiausia, kad po tas degalines važinėjau su išsinuomotu elektromobiliu…“ – prisimena tyrėjas.
Taigi, kuo reikšmingas lietuvio indėlis tarptautinėje knygoje? Jo parašytas skyrius apibendrina naujausias žinias apie terahercų technologijos taikymus aliejų, alyvų ir kuro tyrimuose: aprašomi žaliavų cheminės sudėties matavimai, technologinių apdirbimo procesų stebėsena, produktų kokybės kontrolė ir nusidėvėjimo lygio įvertinimai.
„Tema ganėtinai plati, ypač turint omeny anglų kalbą. Lietuvių kalboje aiškiai skiriama, kas yra aliejus, alyva ir nafta bei jos produktai, tačiau anglų kalboje visa tai telpa po vienu žodžiu „oil“. Tačiau ne vien žodžių semantika rodo temos platumą, bet ir tas faktas, kad tiriamasis objektas yra organinės chemijos karalystėje – cheminių junginių įvairovė organinėje chemijoje arti begalybės“, – dalijasi Mindaugas.
Vis dėlto fizikui pavyko susisteminti ir aprašyti naujausius pasiekimus, padarytus terahercų technologijos metodais tiriant aliejus, alyvas, kurą bei naftą ir jos produktus. Be naujausių žinių apžvalgos, skyriuje aprašyti ir FTMC Terahercinės fotonikos laboratorijos darbai šioje srityje pateikiant rezultatus nuodugniau nei anksčiau paskelbtuose straipsniuose. O taip pat aptarti pagrindiniai terahercų spektroskopijos veikimo principai bei išsamiai aprašytos duomenų analizės metodikos, kas yra nepaprastai naudinga universitetų magistrantūros, doktorantūros ir podiplominių studijų tyrėjams – nes medžiaga paruošta iš patirties dirbant su VU Fizikos fakulteto studentais.
Kuo aktualūs tokie tyrimai? Pasak Mindaugo, vienas iš tikslų galėtų būti bandymai sukurti patikimą mokslinį įrankį, leidžiantį nustatyti naftos šaltinį. Tai sudėtingas uždavinys, bet labai aktualus – jei įvyksta avarija ar išsilieja nafta, būtų lengviau išsiaiškinti, kas atsakingas.
„Šiandien aiškiai matyti, kad, nepaisant viso ekologinio judėjimo, naftos gavyba rekordiškai auga, jos pramonė niekur nedings. Net jei ir visi pradėsim važinėtis elektromobiliais, vis tiek reikės naftos, pavyzdžiui, plastikui gaminti. O jeigu yra pramonė, būna ir nelaimių – tarkim, kur nors jūroje išsilieja nafta. Ne visos kompanijos mėgsta prisipažinti, kieno tai nafta… Tad moksliniai įrankiai padėtų sužinoti, kas kaltininkas, ir konkrečiai kompanijai pateikti ieškinį, kad imtųsi sutvarkyti katastrofos padarinius.
Be to, terahercų spektroskopiją būtų galima integruoti į naftos perdirbimo įrenginius – gauti daugiau informacijos realiu laiku, padaryti procesą efektyvesnį. Žinoma, tai labiau teoriniai svarstymai, bet labai norint, galime pasiekti rezultatų dėl švaresnės ateities“, – sako M. Karaliūnas.