Onderzoekers hebben een nieuw instrument ontwikkeld dat licht kan analyseren dat wordt gereflecteerd door zeer kleine of extreem donkere materialen zoals sommige meteorietmonsters en VANTABlack, de donkerste door de mens gemaakte substantie die is gemaakt. Het instrument onthult al nieuwe informatie over deze en andere moeilijk te analyseren oppervlakken.

Het gebruik van spectroscopie om te meten hoe licht van een oppervlak weerkaatst kan informatie opleveren over de fysische en chemische eigenschappen van een monstermateriaal. Echter, extreem donkere of kleine monsters zoals die van meteorieten maken dit soort analyse moeilijk omdat ze heel weinig licht reflecteren.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Toegepaste optica , eerste auteur Sandra Potin en collega's van Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble (IPAG), Universiteit Grenoble Alpes in Frankrijk, melden dat hun nieuwe instrument, genaamd SCHADUWEN, kan worden gebruikt voor reflectiespectroscopie van monsters die kleiner zijn dan één millimeter in blokjes en die minder dan 0,03 procent van het licht reflecteren dat het monster verlicht.

Het nieuwe instrument kan worden gebruikt om de samenstelling van meteorieten beter te begrijpen en om de asteroïde of komeet te identificeren waaruit ze zijn voortgekomen. Het kan ook worden gebruikt om oppervlakken op ruimtevaartuigen te analyseren, waar zeer donkere coatings worden gebruikt om strooilicht te verminderen of warmte te verwijderen van instrumenten die in de ruimte worden gebruikt.

Gevoeligheid verbeteren

Het spectroscopie-instrument dat door de onderzoekers is gemaakt, staat bekend als een spectro-gonio-radiometer, die werkt door vanuit een precieze richting licht op een monster te laten schijnen en vervolgens licht te detecteren dat vanuit een andere richting wordt teruggekaatst. Deze benadering staat bekend als bidirectionele reflectiespectroscopie omdat het de reflectie van een materiaal berekent op basis van de richting van het verlichtingslicht en de richting van waaruit dat gereflecteerde licht wordt gedetecteerd. De spectra die door deze meting worden geproduceerd, zijn als een vingerafdruk die kan worden gebruikt om de samenstelling van een monster te bepalen.

De onderzoekers begonnen met een radiometer die ze eerder ontwikkelden voor grote, heldere monsters en werkte om de gevoeligheid te verbeteren door de verlichting te verminderen tot een diameter van ongeveer 5,2 mm. De verlichtingsvlek kan nog kleiner worden gemaakt om heterogene oppervlakken in kaart te brengen, zoals een oppervlak dat meerdere soorten materialen bevat.

"Het instrument heeft een zeer goede signaal-ruisverhouding omdat we gebruik hebben gemaakt van wat we synchrone detectie noemen, " zei Potin. "Dit betekent dat in plaats van continu licht te gebruiken, we belichten de monsters met lichtpulsen op een zeer precieze frequentie. Door de twee detectoren van de radiometer aan deze frequentie te koppelen, alles wat geen licht is dat door het monster wordt gereflecteerd, kan uit de meting worden verwijderd."

Het nieuwe instrument maakt gebruik van meerdere kleuren licht en beweegt de lichtbron en de detector rond het monster om licht te meten dat afkomstig is van en gereflecteerd wordt in meerdere richtingen. De informatie die wordt verkregen uit de verschillende richtingen en kleuren licht wordt gebruikt om een ​​3D-hoekkaart van de lichtreflectie van het monster te maken die nog meer informatie over het monster kan geven.

Breed temperatuurbereik

Een ander aspect van het nieuwe instrument is dat het kan worden gebruikt om monsters te analyseren bij -20 ° C tot 250 ° C, met plannen om bij nog lagere temperaturen te werken, tot -210 graden C. Dit is belangrijk omdat de temperatuur van het monster de met het instrument verkregen spectra kan veranderen.

"Sommige asteroïden zijn erg ver van de zon en dus nogal koud, maar wanneer een komeet in de buurt van de zon komt, het wordt erg heet, " zei Potin. "Als we meteorietmonsters die op aarde zijn gevonden proberen te vergelijken met spectra die zijn verkregen van asteroïden in de ruimte, we moeten de metingen doen bij een zeer breed temperatuurbereik."

De onderzoekers gebruikten SHADOWS om metingen te doen aan een VANTABlack-monster, dat is een chemische stof gemaakt van koolstofnanobuisjes die op aluminiumfolie zijn gegroeid. De spectra van dit materiaal, verkregen met het nieuwe instrument, zagen er totaal anders uit dan die verkregen door andere spectroscopietechnieken, omdat het informatie bevatte die uit verschillende richtingen was gehaald.

"Door bidirectionele spectrale analyse aan te passen voor zeer donkere oppervlakken, onze nieuwe aanpak kan structurele informatie onthullen die niet is waargenomen met andere soorten metingen, ' zei Potijn.

De onderzoekers zeggen dat ze nu werken aan verbeteringen aan het instrument, inclusief het opnemen van polarisatiemetingen om nog meer informatie te geven over geanalyseerde monsters. Het instrument is beschikbaar voor gebruik door onderzoekers in Europa via de Trans National Access-activiteit van het Europlanet 2020-RI-programma.