Thermally Robust and Strongly Pressure-Responsive NIR Luminescent Manometer Based on Cr3+-Ni2+ Emission

تخيل أنك تحاول قياس الوزن الساحق في أعماق الأرض أو الضغط الشديد داخل محرك نفاث، ولكن لا يمكنك لمس الجسم بجهاز قياس. بالنسبة للعلماء، يمثل هذا تحديًا شائعًا؛ فهم بحاجة إلى وسيلة لـ "رؤية" الضغط دون اتصال مادي. أحد الحلول القوية هو استخدام الضوء. فبعض المواد، التي تسمى الفوسفورات، تتوهج عندما تُصدم بالطاقة. وإذا ضغطت هذه المواد، فإن الضوء الذي تنبعث منه يتغير بطريقة يمكن التنبؤ بها. ومن خلال مراقبة كيفية تغير لون ذلك التوهج أو سطوعه، يمكن للباحثين حساب الضغط الدقيق الذي تتعرض له المادة. هذه التقنية، المعروفة باسم قياس الضغط باللمعان (luminescence manometry)، مفيدة بشكل خاص في البيئات القاسية حيث تفشل المستشعرات التقليدية. ومع ذلك، لا تزال هناك عقبة رئيسية تتمثل في درجة الحرارة؛ ففي العالم الحقيقي، غالبًا ما تتغير الحرارة والضغط في نفس الوقت، ويمكن للحرارة أن تعبث بإشارات الضوء، مما يجعل من الصعب التمييز ما إذا كان التغيير ناتجًا عن الضغط أم مجرد تحول في درجة الحرارة. إن العثف على مادة تتفاعل بقوة مع الضغط ولكنها تتجاهل درجة الحرارة هو "الكأس المقدسة" في هذا المجال.

لقد طور فريق من الباحثين الآن مادة جديدة تقترب بشكل ملحوظ من حل هذه المشكلة. فقد صنعوا بلورة مكونة من الصوديوم، واللوتيتيوم، والغاليوم، والجرمانيوم، والأكسجين، وأضافوا كميات ضئيلة من معدنين محددين: الكروم والنيكل. عندما يسلطون ليزرًا أزرق على هذه البلورة، فإنها تتوهج بضوء أحمر قريب من الأشعة تحت الحمراء (near-infrared) عميق وغير مرئي. وتكمن براعة هذه المادة الجديدة في كيفية عمل المعدنين المضافين معًا؛ حيث يعمل الكروم مثل الإسفنجة، فيمتص ضوء الليزر الأزرق وينقل تلك الطاقة إلى النيكل. هذه العملية تجعل النيكل يتوهج بشكل أكثر سطوعًا مما لو كان بمفرده. والأهم من ذلك، عندما ضغط الباحثون البلورة، تفاعل الضوء المنبعث من النيكل والضوء المنبعث من الكروم بطريقتين مختلفتين تمامًا؛ حيث انزاح توهج النيكل بشكل كبير نحو الطرف الأزرق من الطيف، بينما انزاح توهج الكروم بدرجة أقل بكوثير. وفي الوقت نفسه، تسبب الضغط في جعل انتقال الطاقة بينهما أكثر كفاءة، مما غير التوازن في كيفية سطوع كل معد de بالنسبة للآخر.

اختبر الباحثون هذه البلورة تحت ظروف قاسية، حيث ضغطوها لتصل إلى ما يقرب من تسعة أضعاف الضغط الجوي للأرض، مع تسخينها من البرودة الشديدة إلى أكثر من 500 درجة. واكتشفوا أن استجابة البلورة للضغط كانت حادة للغاية. فقد أظهر مقياس محدد لمدى انزياح ضوء النيكل حساسية قياسية، حيث تغير بمقدار 34 نانومتر لكل جيجاباسكال من الضغط المسلط. ولتوضيح ذلك، يعد هذا أكثر انزياح حساس تم تسجيله لمادة من هذا النوع. لكن الاختراق الحقيقي جاء عندما نظروا إلى النسبة بين لوني الضوء المختلفين؛ فمن خلال مقارنة شدة توهج النيكل بتوهج الكروم ضمن نطاقات ضيقة محددة من الطيف، أنشأوا قراءة كانت محصنة تمامًا تقريبًا ضد تغيرات درجة الحرارة. لقد استطاعت المادة التمييز بين تغير الضغط وتغير درجة الحرارة بمستوى من الوضوحة لم يسبق له مثيل. فقد تغيرت نسبة الضوئين الناتجين عن الضغط بشكل دراماتيكي، بينما تغيرت بشكل طفيف جدًا مع الحرارة، لدرجة أن الباحثين حسبوا قيمة تشير إلى أن انزياحًا في درجة الحرارة بمقدار 20,000 درجة تقريبًا سيكون مطلوبًا لمحاكاة تأثير وحدة واحدة فقط من الضغط.

يشير هذا الاكتشاف إلى مسار جديد لقياس الضغط في أصعب البيئات. وبما أن المادة تتوهج في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، يمكن للضوء الانتقال عبر المواد التي قد تحجب الضوء المرئي، مما يسمح بالاستشعار عن بعد عبر الجدران أو في أعماق الآلات. إن القدرة على تجاهل تقلبات درجات الحرارة تعني أن المهندسين والعلماء يمكنهم الوثوق بهذه القراءات حتى عندما تسخن البيئة أو تبرد بسرعة. ويؤكد هذا العمل أنه من خلال الجمع بعناية بين أيونات متوهجة مختلفة في بنية بلورية محددة، من الممكن إنشاء مستشعر ليس حساسًا للغاية للضغط فحسب، بل ومستقر أيضًا بشكل ملحوظ ضد التداخل الحراري. تقدم هذه البلورة الجديدة أداة واعدة لأي شخص يحتاج إلى معرفة مقدار القوة التي يتم تطبيقها بالضبط، بدءًا من دراسة الأجزاء الداخلية للكواكب وصولاً إلى مراقبة سلامة المحركات عالية الأداء، وكل ذلك دون الحاجة أبدًا إلى لمس الجسم الذي يتم قياسه.