Цифровой фитиль передаёт данные в спектре пламени

Скрещивание информационных технологий с химией и физикой дало любопытный результат. Учёные передали кодированную цифровую информацию необычным способом: при помощи света, но без применения каких-либо электронных чипов и даже источников питания. Прекрасное дополнение к будущим логическим схемам без электроники.

Небольшая полоска "бумаги", спичка – и вот уже яркий бегущий огонёк сжигает образец. Происходит это быстро, так что трудно заметить в пламени что-либо необычное. Между тем сгоревший "реквизит" успел отправить "в эфир" небольшой текст.

Результаты такого необычного эксперимента изложила в PNAS группа учёных во главе с Джорждем Уайтсайдесом (George Whitesides) из Гарварда, в неё входили также специалисты из университета Тафтса (Tufts University) и агентства по передовым оборонным исследованиям Пентагона DARPA.

За последнее десятилетие за свои исследования знаменитый химик Уайтсайдес получил пять различных наград и премий (фото Jon Chase/Harvard News Office).

Секрет передачи информации, конечно, заключается в самой полоске, которую исследователи называли инфофитиль (infofuse). Придумал его Сэмюэль Томас (Samuel Thomas III), работая над проектом в лаборатории Уайтсайдеса (Whitesides Research Group).

В основе фитиля — ярко сгорающая полоска из нитроцеллюлозы (температура пламени – тысяча градусов Цельсия). На ней расположены невидимые глазу небольшие участки, покрытые солями различных металлов высокой чистоты.

По мере сгорания активируются химические реакции с участием их ионов, и полоска испускает свет с различными длинами волн в зависимости от состава того или иного участка.

Даже простым глазом видно, что инфофитиль сгорает, последовательно выдавая разные цвета. Но тонкие вариации спектра, как и быстрые его перемены, несущие закодированную информацию, можно уловить только приборами. Толщина бумажки варьировалась (от 100 микрометров и выше), да и длина тоже была различной – от 10 до 20 сантиметров (фото с сайта scienceblogs.com).

Специальная схема шифрования позволила экспериментаторам закодировать в пламени весь алфавит, все цифры и несколько знаков препинания, чего было достаточно для составления посланий.

Принцип шифрования таков: на каждый символ приходятся два так называемых импульса. В каждом из них – три соседствующих участка, представляющих три металла (это были литий, рубидий и цезий, но можно применять другие тройки).

Соль металла можно нанести на данный участок, или вместо неё может быть оставлен пробел.

Соответственно, вспышка на фиксированной частоте излучения означает бинарную единицу, пауза – ноль. Всех возможных комбинаций, то есть двоичных шестиразрядных чисел, более чем достаточно, чтобы закодировать всё что требуется.

Всего система из трёх металлов позволила закодировать 40 знаков. Для того чтобы машина могла на лету расшифровывать код с минимум ошибок, комбинациям частот, которые легче всего было разрешить при анализе спектра, поручили обозначать распространённые буквы (E, T и A), а сочетания, которые легче всего было спутать друг с другом, – редкие (Q, Z и X) (иллюстрация Samuel W. Thomas III, et al./PNAS).

Скорость сгорания инфофитиля составила примерно 3-4 сантиметра в секунду. "Примерно", поскольку авторы опыта сделали несколько образцов этих полосок, различающихся размерами. Ширина закодированных участков была такова, что вспышки следовали с частотой от 5 до 20 герц.

Чтобы их расшифровать, новаторы применили набор из фильтров, линз, дихроичных зеркал и фотодетекторов, подключённых к компьютеру. Параллельно сгорание полосок снималось на высокоскоростную (1000 кадров в секунду) цветную камеру.

Закодировав таким способом последовательность букв, учёные передали при помощи одного из своих фитилей фразу "Смотри мама, без электричества" (Look Mom, No Electricity), на что ушло менее 4 секунд горения фитиля.

В принципе, данная технология способна передавать и куда более ёмкие послания, даже без увеличения длины инфофитиля. Применение чувствительных спектрографов или более сложной системы фильтров и зеркал приведёт к расширению списка применяемых одновременно металлов, а значит – поможет усложнить код.

Только представьте, что разрешение такой "съёмки" позволит надёжно идентифицировать излучение от меди, бария, натрия, лития, стронция, кальция, калия, рубидия и цезия… Да и частоту вспышек можно увеличить.

Упрощённый принцип работы инфофитиля (иллюстрация Samuel W. Thomas III, et al./PNAS).

Авторы системы называют данную область науки инфохимией. "Клетки общаются с помощью химических сигналов, и мы заинтересованы в сокращении разрыва между такого рода химическими системами связи и цифровой связью, на которой основана наша техническая инфраструктура", — поясняет Томас важность разработки. А Уайтсайдес добавляет: "Опыт свидетельствует о возможности прямого бинарного химического кодирования и передачи полезной информации, причём без батареи".

Исследователи надеются, что их прототип поможет построить системы, пересылающие информацию в тяжёлых условиях, в которых электроника и батареи не работают. А на такой базе можно создавать необычные датчики окружающей среды и другие устройства.

Но что будет от них толку, если не получится выявить зашифрованное послание на большом расстоянии?

В данных опытах дистанция между полоской вспыхивающего полимера и детекторами в основном составляла пару метров, но учёные продемонстрировали, что могут надёжно идентифицировать свои послания с расстояния в 30 метров даже при ярком дневном свете. Да и 300 метров – возможны, утверждают экспериментаторы. При этом масса солей в "пятнышках" составляла по 200 пикограммов (полоски наносились как микропипеткой, так и струйным принтером).

Причина такой устойчивости передачи – превосходное отношение сигнал/шум, то есть чёткое отличие на спектре пиков, происходящих от самой нитроцеллюлозы и от "кодирующих" буквы и цифры металлов.

Спектр излучения от полосок с различными солями. Пунктиром отмечены пики от самой нитроцеллюлозы. Шкала – длины волн в нанометрах (иллюстрация Samuel W. Thomas III, et al./PNAS).

А ведь неиспользованными остаются ещё дополнительные "измерения" кодирования, радуются исследователи: при помощи вариации ширины полосок и массы солей в каждой из них, то есть яркости узкочастотной вспышки (наложенной на обычное пламя от полоски) и её продолжительности.

По словам Томаса, группа работает над удлинением инфофитилей и вкладыванием в них более сложных посланий, которые к тому же можно будет расшифровывать с большей дистанции.

К примеру, "цифровыми" могут стать сигнальные ракеты, запускаемые в небо во время бедствия. Вместо простого обозначения места крушения последовательность вспышек может нести сведения о корабле (лодке, человеке), пославшем сигнал. Эту информацию мог бы прочесть несложный прибор на самолёте спасателей.

А ведь без применения электроники ещё можно выстраивать и не слишком сложные логические схемы, полагаясь лишь на "умные" цепочки химических или даже биохимических реакций.

Мысленно соединим такие схемы с цифровыми фитилями. Получится аппаратура, способная собирать информацию из окружающей среды и передавать результаты анализа на большое расстояние. Без микросхем. Без радиопередатчиков. Без батареек. Заманчиво?