Forskere har utviklet et nytt apparat for fargeanalyse ­– et spektroskop– ved å bruke noe som ligner en blekkskriver til å legge en spesiell type fargestoff på bildebrikken i et mobilkamera.

Slike lette, små og robuste spektroskoper kan brukes på lange romferder for å utforske fjerne planeter, eller for å gjøre medisinske målinger, tror forskerne bak studien i tidsskriftet Nature.

• Les også: Laserblikk under huden

Fargesignaturen forteller

Spektroskoper er viktige instrumenter for mange forskere – og i hverdagen. Når spektroskopet bryter lyset i alle regnbuens farger, kan nemlig fargene fortelle mye.

Leger kan måle oksygen eller blodsukker ut fra fargen på blodet. Astronomer kan se hvilke stoffer en stjerne er laget av, ut fra fargene til stjernelyset.

Geologen kan se hvilke mineraler en stein er laget av, ut fra fargene som steinen reflekterer. Fysikeren kan se hvilke gasser som er i lufta, ut fra hvilke farger gassen fjerner fra lyset.

Fra prisme til gitter

Den enkleste måten å lage et fargespektrum på er med et glassprisme. De fleste har sett et slikt prisme og et regnbuespektrum da de gikk på skolen.

I dag brukes sjelden prismer. Spektroskopene inneholder isteden et slags fine stripemønstre i en glassplate. De fungerer som et fint gitter med mange spalter.

Lysbølgene kommer ut av spaltene som smale stråler. Alle de smale strålene møtes, og lysbølgene forsterker eller svekker hverandre for ulike bølgelengder – ulike farger – på ulike steder. Slik kan de bryte opp lyset.

Du kan selv se en lignende effekt på overflaten av en CD eller DVD. Regnbueglansen skyldes de små gropene i plata. Også fuglefjær kan ha regnbueglans på grunn av små spalter.

Kvanteprikker

Men gitterspektrografer stjeler mye lys. De må også lages med stor presisjon. Det gjør dem kostbare, ganske store og mindre effektive.

De to forskerne Jie Bao og Moungi G. Bawendi har utviklet en helt annen type spektroskop. De bruker noe som ligner en blekkskriver, og sprøyter en væske med ørsmå partikler på bildebrikken til et mobilkamera.

De små partiklene kalles kvanteprikker, på engelsk quantum dots. Størrelsen på kvanteprikkene bestemmer hvilke farger de slipper gjennom. Store prikker gir røde farger. Små prikker gir blå farger. Hvorfor er det slik?

Innestengt i krystallet

Enkelt forklart er en kvanteprikk et ørlite krystall, et nanokrystall. Krystallet er laget av et halvlederstoff. Halvledere brukes også blant annet i solceller og transistorer.

Når kvanteprikken treffes av lys, blir elektronene slått løs fra plassene sine. Men det lille krystallet stenger dem inne. De forandrer hvor mye energi elektronene kan ta opp.

Når de halvfrie elektronene faller på plass i krystallet igjen, sender de ut et lite lysglimt, et foton. Energien til fotonet blir større jo mindre krystallet er.

Små blå, store røde

Energien henger igjen sammen med fargen. I regnbuen er det slik at det røde lyset har lavest energi. Så stiger energien mot gult og grønt lys og videre mot de høyeste energiene for blått og fiolett.

Det betyr at kvanteprikkene fungerer som et slags fargefiltre. Jo større de er, jo mer rødt energifattig lys slipper de gjennom. Jo mindre, desto blåere energirikt lys.

• Les også: Et univers av farger

Den fine forskjellen

Men disse fargefiltrene er ganske grove og unøyaktige. Alene kan de ikke bryte opp lyset i et fargespektrum som er nøyaktig nok for et spektroskop.

Bao og Bawendi fant en løsning. De laget kvanteprikker med 195 forskjellige størrelser. Hver størrelse på kvanteprikkene ga et ganske grovt fargefilter, men forskjellen mellom hvilke farger de ulike kvanteprikkene fjernet var mye finere og mer nøyaktig.

Så sprøytet de en væske med disse 195 forskjellige kvanteprikkene ut på forskjellige steder av overflaten til en bildebrikke, en slik som finnes i et mobilkamera.

Fra grovt til fint med data

Bildebrikken ble brukt til å måle lysstyrken under de 195 forskjellige fargefiltrene. Selv om hvert filter bare ga en grov fargeindikasjon, kunne forskerne bruke utnytte den finere forskjellen fra filter til filter.

Disse forskjellene kunne kjøres gjennom et dataprogram. Ut kom et fargespektrum som var nøyaktig ned til en fargeforskjell på en nanometer, målt i fargens bølgelengde.

• Les også: Vil oppdage leddbetennelse med fargeskanning

Små romfarere

Det kan høres nøyaktig ut. Det er likevel mye dårligere enn de mest nøyaktige spektroskopene som finnes for eksempel på store astronomiske observatorier. Her kan nøyaktigheten være helt nede i en hundredels nanometer.

Likevel kan slike små, billige og raske spektroskoper gjøre nytte for seg. De kan brukes på romsonder, fordi de er enkle og robuste og lette.

Romsonder bruker for eksempel spektroskoper til å måle temperaturen til atmosfæren på en fremmed planet og hva slags stoffer den inneholder, eller hva slags mineraler overflaten består av.

Små hverdagsvenner

De små spektroskopene kan også brukes i mange forskjellige apparater som etter hvert vil bli en del av hverdagen vår.

De kan også brukes til å gjøre medisinske målinger på legekontoret og hjemme, i det som kalles laboratoriet på en brikke – lab on a chip.

Referanse:

Jie Bao & Moungi G. Bawendi: A colloidal quantum dot spectrometer, Nature 2. Juli 2015, vol. 523, 10.1038/nature14576, sammendrag.

Ifølge Maria Kollberg Thomassen ved SINTEF, er Norge er allerede verdensledende når det gjelder utvikling og produksjon av teknologi til landbruket.

– Men tradisjonelt har norske produsenter hatt fokus på innovasjon på produktnivå, og mindre på prosessinnovasjoner. Her ligger det et uutnyttet potensial, mener hun.

Bedriftene skal tjene på nye bruksområder og et internasjonalt marked. Norske produsenter av landbruksteknologi får nå drahjelp av forskere.

Grunnideen bak forskningsprosjektet COMPACT er å løfte norske bedrifter ut i et internasjonalt marked så mest mulig av industriproduksjonen her til lands kan beholdes. En av konklusjonene er at norske bedrifter kan vinne mye på å ha en mer målrettet markedsføring, også mot utlandet.

Bedrifter skal lære markedsføring

I forskningsprosjektet har forkerne jobbet med bedriften Orkel Holding AS på Fannrem – en familiebedrift med 75 ansatte som startet med sykkelproduksjon på femtitallet. I dag har bedriften en årlig omsetning på 200 millioner kroner, og er ledende i Norge på produksjon av traktorhengere og rundballepresser.

Etter å ha jobbet flere år med å videreutvikle rundballeteknologi, lanserte Orkel maskinen “kompaktoren” i 2003.

– Dette er unik teknologi til å presse rundballer. Ikke bare av fôr som høy eller halm, men også av gjødsel og biomasse som mais, flis og torskehoder. Volumet på det pressede materialet komprimeres med hele 70 prosent, forteller Erlend Gjønnes ved bedriften.

– Dette har stor betydning for en effektiv transport av produktet, ikke minst i andre deler av verden, sier han.

Forskere ved SINTEF og NTNU stiller nå med verktøy og metoder for internasjonal markedsføring, samt kompetanse på produksjon, logistikk og verdikjeder.

Fra 50 til 500 maskiner

I dag eksporterer bedriften 50–60 maskiner per år. Men nå skal Orkel bygges opp til en robust organisasjon med et godt markedsapparat som kan møte behovet framover, og målet er få opp salgsvolumet til 500 maskiner i året.

– Vi har sterkt tro på at Orkel kan bringes fram i verdenstoppen, sier Thomassen.

Forskergruppen ved NTNU og SINTEF og de ansatte i Orkel jobber sammen og bruker møter og workshops til å finne ut hvordan bedriften kan ta ut mer av sitt potensiale.

I dag reiser de bedriftsansatte rundt i verden for å markedsføre og selge Fannrem-bedriftens produkter. Dette har vist at maskinen er konkurransedyktig i flere markeder, men forskerne tror at det finnes ytterligere muligheter gjennom en mer systematisk effektivisering av markedssatsingen.

For å kunne møte økt konkurranse på en internasjonal arena, mener de at Orkel må utvikle en mer effektiv produksjon, raskere verdikjeder, satse på læring og mer målrettet markedsføring.

– I dette prosjektet jobber vi eksplisitt med én produsent, men det vil være mye å hente av kunnskap for andre sektorer, mener Maria K. Thomassen.

– Vår tanke er at konseptet skal hjelpe norske små og mellomstore produsenter av landbruksteknologi til å komme seg ut i verden. Og i dette tilfellet skal teknologien innta nye bruksområder- som avfall, energi og næringsmiddel.