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科学家抓住了地震中的“破坏大王”,还给它安排了新工作
2018/07/24 | 作者:超声技术中心 刘久玲、何世堂 | 【 【打印】【关闭】

    

  

  

  什么是声表面波(Surface Acoustic Wave ,简称SAW)?估计大部分人听到这个问题都一脸茫然,有的甚至听都没听过这个名词。但是如果说到地震,大家就熟悉多了,而且马上会联想到很多画面,比如倒塌的房屋,开裂的地面……而造成这些惨状的元凶,就是我们开头提到的声表面波!

  地震产生的声表面波携带着巨大能量,沿着地球表面传播,所到之处地动山摇,千疮百孔,给我们带来了惨重的灾难和损失,堪称“破坏大王”。

  怎么将这个“恶魔”抓住,并为我们所用?为此科学家们研究了很多年。

  声表面波之所以能够造成那么大的破坏,就是因为它携带着巨大的能量。如果我们直接上手抓它,估计还没碰到影儿就已经被它摧毁的房屋埋掉了。要想抓住声表面波,首先必须解决能量问题,让它的能量变小点,再变小点,一直小到能被我们轻易控制。

  这个事情说起来容易,做起来可一点儿不轻松。直到20世纪60年代,两个美国科学家 White Voltmer 可算是把这个问题解决了。

  科学家在具有压电性能的晶体表面,做上周期性正负相间的金属电极,然后给电极加上很小很小的电信号,就能在晶体表面激发出能被我们控制的声表面波。这个沿着晶体表面传播的声表面波很微弱,弱到人们都无法直观感觉到,如果在它的传播路径上摆放一个周期相同的电极,当声表面波传到这个电极处的时候,科学家就能将它捕获,并转化成方便处理的电信号。 

  

  抓住声表面波后,怎么加以利用呢?这家伙用途可就多了,比如做成滤波器用于电视机、手机里面,但我们要跟大家重点介绍的是——电子鼻!

  电子鼻,顾名思义,就是一种具有部分鼻子功能的电子产品。人类用鼻子闻一闻气味就能知道是什么物质,而我们用声表面波制作的电子鼻,闻过气味不仅能知道是什么物质,而且还能知道含量有多少!意不意外?惊不惊喜?

  这个听起来好像很神奇,但怎样才能通过声表面波实现电子鼻的辨物和称重功能呢?

  我们先来说说称重功能。

  前面讲过,激发和接收声表面波需要借助压电晶体及其表面制作的周期电极。发射电极用弱电信号激发声表面波,声表面波被激发出来后,就以一定的速度沿晶体表面传播,直到被接收电极捕获。

  在压电晶体表面传播的声表面波就像一个自由行走的人,如果在发射电极和接收电极之间的晶体表面再加点东西,比如用冷凝手段将某些物质吸附在晶体表面,那么就像突然给这个人背上了重物,他的行走速度必然受到影响,背得越重,速度越慢。通过测试速度变化,就可以推算出声表面波背上重物的质量。

  现在,称重“秤”功能已经实现了,“多少”知道了。但是,“闻味辨物”的本领单靠声表面波就做不到了,那该怎么办呢?。我们需要借助别的手段,比如气相色谱。气相色谱是什么?用来干嘛的?

  气相色谱(Gas Chromatography,简称GC)是20世纪50年代出现的一种分离、分析技术。简单地说,我们将混合气体“吸入”到气相色谱的色谱柱里“闻一闻”,在气流带动下,被混合的各种气体按各自的速度沿着柱子跑,速度相同的物质集中在一起,当柱子足够长的时候,会出现一个又一个小集团。同时沸点越低的物质,越先挣脱色谱柱的束缚,沸点最低的最先跑到出口,就像跑马拉松似的。根据它们跑到出口的时间,我们就可以判断它们是什么。

  将声表面波芯片装在色谱柱的出口处,利用冷凝手段把先后跑出来的“小集团”一个一个地吸附在芯片表面,用声表面波分别“秤”一下。

  

  声表面波气相色谱仪流程动画演示

  通过计算“小集团”们分别跑出柱口的时间,我们能够知道它们的“身份”;紧接着将“小集团”们吸附到声表面波芯片表面,测量它们引发的声表面波速度变化值,我们能够知道它们的“体重”,这样就完全实现了电子鼻的两大功能:不但“闻味辨物”,还能告诉你“物”有多少。这个神奇的电子鼻就是声表面波气相色谱仪(SAWGC)!

  

  这个神奇的家伙身材小巧、检测快速、反应灵敏,被广泛应用于爆炸物、水污染、有毒害气体等多领域的检测,能够真正做到提起来就跑,到地方就测,为环保、公共安全提供了便捷、高效的检测手段。2005年松花江水污染事件的现场快速检测就用到了我们说的这个电子鼻。

  随着我们对电子鼻应用领域的进一步开发,以后将会在越来越多的场合看它大显身手!(绘图:蔡葛意)

 
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