Науковці Інституту радіофізики і електроніки імені О.Я. Усикова НАН України (Харків) розробили радіочастотний безконтактний детектор на основі метаматеріалу для виявлення наявності метанолу у водних розчинах етилового спирту.
Щороку кілька тисяч людей у всьому світі потрапляють до лікарень через отруєння метанолом. Не рідкісні й смертельні випадки, спричинені вживанням цієї спиртової речовини у сурогатних алкогольних напоях, концентрація метанолу в яких перевищує допустимі норми. Такі наслідки має як ненавмисне порушення технології дистиляції (перегонки) фруктових спиртів, так і навмисне додавання метанолу в етанол недобросовісним виробником задля здешевлення виробництва.
Як правило, для визначення наявності метанолу в рідинах використовується хроматографія. Проте це виключно лабораторний метод, тому на практиці частіше вдаються до безконтактних електромагнітних методів визначення наявності метанолу в рідинах. Серед них перспективною видається методика, базована на застосуванні так званих метаматеріалів як детекторів. При цьому контейнер із досліджуваною рідиною розташовується поблизу метаметаріалу та збуджує його резонансне поле.
Метаматеріалами називають особливий клас структур, електродинамічні властивості яких залежать не так від властивостей елементів, що їх формують, як від просторового розташування цих елементів. Такі структури, перебуваючи поблизу природних речовин (зокрема, біля контейнера з досліджуваною рідиною, як показано на рисунку 1), можуть взаємодіяти з ними. У подібних випадках для опису відповідних взаємодій можна використовувати формули електродинаміки. Це означає, що якщо природна речовина з невідомими властивостями перебуває в електромагнітному контакті з метаматеріалом, властивості якого відомі, то ми у змозі визначити природну речовину з невідомими властивостями за допомогою реєстрації властивостей метаматеріалу, застосовуючи стандартні мікрохвильові методики та пристрої.
 Рис.1. Експериментальна установка для безконтактного виявлення метанолу в рідинах |
Методика, що її запропонували вчені Інституту радіофізики і електроніки імені О.Я. Усикова НАН України, використовує такий тип метаматеріалу, як планарний фотонний кристал (ФК), зображений на рисунку 2.
 Рис.2. Планарні фотонні кристали з робочою частотою:f1=9.5 ГГц (1), f2=3.2 ГГц (2) і f3=1.0 ГГц (3) |
Як відомо, фотонний кристал – це просторово–періодична структура, в околі якої збуджується резонансне електромагнітне поле. Її просторову періодичність можна порушити, причому відомим способом, а саме – внесенням цих порушень періодичності таким чином, аби для певної частоти електромагнітного поля (так званої «частоти прозорості»), по-перше, збуджена хвиля проходила крізь фотонний кристал без опору, а по-друге, із зони порушення періодичності випромінювався вузький промінь у напрямі, перпендикулярному до площини фотонного кристалу. Далі, спрямувавши цей промінь на контейнер із досліджуваною рідиною (рис.1), можна виміряти всі необхідні електромагнітні параметри (добротність, резонансну частоту прозорості й інші), які дають змогу розрахувати концентрацію метанолу в цьому контейнері (рис.3).
 Рис.3. Зворотна добротність як функція частоти для різних концентрацій етанолу та метанолу у воді |
Перевагою розробленого методу є те, що він належить до класу неруйнівних і безконтактних експрес-методів, за яких вимірювання (контроль) може тривати лише кількадесят секунд.
* * *
Автори розробки:
– завідувач відділу радіоспектроскопії Інституту радіофізики і електроніки імені О.Я. Усикова НАН України член-кореспондент НАН України Сергій Тарапов;
– заступник завідувача відділу радіоспектроскопії кандидат фізико-математичних наук Сергій Недух;
– старший науковий співробітник відділу радіоспектроскопії кандидат фізико-математичних наук Сергій Полевой;
– старший науковий співробітник відділу твердотільної електроніки кандидат фізико-математичних наук Артур Вакула.
Результати роботи вчених відображено у публікації:
За інформацією Інституту радіофізики і електроніки імені О.Я. Усикова НАН України