Российские физики измерили взвесь голографической «линейкой»

Оценка размеров и распределения частиц в аэрозоле и жидкостях нередко проводится при определении загрязнения биологических, технологических материалов и воздуха. Как правило, существующие методы требуют больших вычислительных мощностей и длительной подготовки, при этом ряд из них не рассчитаны на работу со средами с высоким содержанием частиц. В частности, широко распространенная техника динамического рассеяния света, предполагающая измерение рассеяния лазера на частицах в жидкости, позволяет установить только их размер и, кроме того, обладает другими ограничениями.

В рамках новой работы исследователи при оценке распределения частиц попытались совместить два принципиальных свойства: алгоритм обработки, позволяющий использовать небольшие вычислительные мощности, и высокую скорость для проведения экспресс-диагностики. Предложенный метод основан на извлечении голограммы Габора — первой голографической схемы, предложенной венгерским физиком Денешем Габором в 1947 году. В отличие от фотографий, во время извлечения голограмм производится запись не только интенсивности, но и фазы света. Это, в свою очередь, позволяет реконструировать трехмерное изображение объекта.

Объемное изображение частиц в жидкости ученые получали путем лазерной голографии. Поскольку лазер испускает когерентный свет, авторы с помощью математических алгоритмов могли фокусироваться на различных слоях субстанции после съемки. Так, из трехмерного изображения объема они извлекали только два снимка слоев, расположенных рядом, после чего обрабатывали и сопоставляли их посредством корреляционного анализа. Итоговую корреляционную зависимость команда распространяла на весь объем и рассчитывала прозрачность, среднее расстояние, размер и содержание частиц в среде.

По словам исследователей, описанный метод может использоваться для подвижных и статичных жидкостей в двух режимах. В отсутствие предварительной калибровки по определенному типу жидкости и частиц он позволяет сравнивать лишь концентрации последних, в том числе устанавливать большую. После извлечения нескольких голограмм, оценки их прозрачности, формы и размера становится возможным быстро измерить содержание частиц в отдельном слое или во всем объеме. Ожидается, что в будущем разработка может быть внедрена в отраслях, где необходим доступный и быстрый анализ, например мониторинг пыли в машинном масле. Также метод может найти применение в биологии, в частности обнаружении вирусов в клетках.

Подробности работы представлены в журнале Scientific Reports.

Ранее ученые из Московского физико-математического института (МФТИ) представили установку, которая измеряет степень слипания и размеры нанообъектов в коллоидных растворах посредством ультразвука. Новый метод может использоваться для углеродных нанотрубок и других наночастиц с крупным соотношением диаметра и длины, например графеновых нанодисков.