高度な材料分析技術に関する 3 時間のワークショップは、誰かを探偵、あるいは美術品の修復家に変えることができるでしょうか?
1月下旬、MITのレーザー・原子センター（CBA）では、約12人の学生が、レーザー光を使って物質の「指紋」を採取する技術であるラマン分光法に関する自主活動期間（IAP）のワークショップで、この可能性を探求した。このセッションでは、センシング装置を備えたロボット犬も登場し、化学分析を遠隔で実行できる方法をデモンストレーションしました。
MIT博士研究員のLamyaa Almehmadi氏がCBAと協力して主導したこのワークショップでは、法執行機関や救急隊員が麻薬や爆発物を探知するために、宝石学者が貴石を検証するために、そして製薬会社が原材料を検証して製品の品質を確認するために現在使用されている強力な技術を参加者に紹介した。 CBA 大学院研究員 Jiaming Liu が共催し、講義を行い、ラマン装置のデモンストレーションを行い、カリキュラムと実践的なデモンストレーションに貢献しました。
「これにより、多くの分野でイノベーションの新たな可能性が開かれる可能性があります」と材料科学工学部（DMSE）の分析化学者アル・モハマディ氏は述べた。参加者が基本を学んだ後、彼女は新しい応用について創造的に考えるよう奨励しました。「私の願いは、皆さんにラマン分光法を使ってこれまで誰もやったことのない何かをやってみようと考えるきっかけを与えることです。」
指紋採取材料
参加者は、レーザー光を発射し、それがどのように反射するかを測定する手持ち式デバイスを使用して分析するアイテムをクラスに持ち込みました。得られたパターンは分子の指紋のように機能し、クリップ、樹皮、ミキシングボウルなど、そのアイテムの素材を識別します。
ワークショップの参加者、DMSE の管理アシスタントであるサラ・シリロさんは、ビーチで見つけた石を持ってきて、その結果に驚きました。ラマン装置は、サンプルにコンクリートのような物質が含まれている確率が 39% であることを示唆し、残りの測定値は合成化合物と一致しており、天然素材と人工素材の境界があいまいになっています。
「これは人工的に作られたもので、驚きました」とシリロさんは語った。
後にノーベル物理学賞を受賞したインドの科学者 CV ラマンによって 1928 年に開発されたラマン分光法は、可視光を使用して物質を破壊することなく研究できるため画期的であり、クロマトグラフィーや質量分析などの当時の他の技術に比べて大きな利点でした。しかし、何十年もの間、ラマン信号 (サンプルから散乱して戻ってくる光) は弱く、機器も大きくてかさばるため、実用化が制限されていました。
レーザー、計算能力、小型光学系の進歩により、ラマン分光法は持ち運び可能なツールになりました。今日のハンドヘルド デバイスは、サンプルの分子フィンガープリントを膨大なデジタル ライブラリと即座に比較できるため、ユーザーは数秒で数千の物質を識別できます。ラマンはサンプルを破壊しないため、証拠を無傷のままにしておく必要がある法執行機関や美術品の修復など、資料の保存が必要な分野で特に役立ちます。
アルマディ氏自身の研究は、医療診断から法医学や環境モニタリングに至るまで、モバイル化学分析を可能にする高感度の半導体ベースのセンサーを開発することにより、ラマン分光法の進歩に焦点を当てています。
「ラマンを使用すれば、あらゆる物質を分析できます」とアルマハディ氏は言います。そこで、多様なバックグラウンドを持つ学生に導入することにしました。
IAP クラスは MIT 全体の学生と職員に開かれており、ラマン ワークショップには、管理スタッフから、DMSE、機械工学部、メディア ラボ、ブロード研究所などの学部や研究室の大学院生や学部生、ポスドクに至るまで、その範囲が反映されていました。
ロボット犬と一緒にお散歩
ワークショップで観客を喜ばせたのは、MIT コンピューター科学人工知能研究所 (CSAIL) に所属するロボット犬が参加していたことです。このデモンストレーションでは、犯罪現場や有毒な産業現場などの危険な環境でラマン技術をどのように使用できるかを強調しました。
ハンドヘルド装置はテープでロボットに取り付けられ、エルマディさんは白い粉、つまり重曹が入ったビニール袋に犬を誘導する方法を示した。
しかし、実際のシナリオでは、「それが重曹かどうかをどうやって判断できるのでしょうか?」 「それで、私たちはただ光を当てるだけで、ツールがそれが何であるかを教えてくれたのです。」と彼女は言います。
参加者は携帯電話の Wi-Fi アプリを使用して結果を表示し、小型リモコンを使用してロボット犬を自分で操作しました。
「私はロボット犬が大好きでした」とシリロは言います。 「少しコントロールすることはできましたが、ゲージが非常に敏感だったので難しかったです。」
DMSEの博士研究員マイケル・キッチャー氏もロボットのデモンストレーションを賞賛している。
「犬にデバイスを貼り付けただけであることを考えると、それが実際に機能するのを見るのは素晴らしいことでした」と彼は言います。
将来を見据えて
電子応用のための磁性材料を研究しているキッチャー氏は、読んだことはあったものの、使ったことはなかったラマン分光法についてさらに学ぶためにワークショップに参加しました。彼はその多用途性に感銘を受けました。ビーチストーンや重曹に加えて、この装置はコンタクトレンズ、化粧品、さらにはダイヤモンドに含まれる物質も検出しました。
キッチャー氏は、自分が持参したチョコレートの分析に苦労しましたが、チョコレートからの他の信号が妨害され、自分の研究に大きな可能性を感じています。彼が興味を持っている分野の 1 つは、研究者がより深く理解し、よりエネルギー効率の高いエレクトロニクスを制御することを望んでいる、異常な磁性挙動を示す超磁石などの型破りな磁性材料です。
「ここ数年、人々はこれらの物質がなぜそのように振る舞うのか、この異常な磁気秩序をどのように制御できるのかをよりよく理解しようと努めてきました」と彼は言う。ラマン分光法は物質中の原子の振動を研究することができ、研究者が異常な磁気挙動の根底にある結晶構造のパターンを特定するのに役立ちます。これらの変動を理解することで、科学者は超高速、低エネルギーのコンピューティングを可能にする材料設計法則を解き放つことができます。
アルマディ氏は、このような実践的なワークショップは、革新的な将来のアプリケーションを刺激するものであり、MIT 教育の中心であると述べています。
「私は常に実践することで最もよく学びました」と彼女は言います。 「講義や読書も重要ですが、真の理解は実際の経験から得られます。」
