Uma nova maneira de medir a luz com infindáveis aplicações

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/11/2022

Compare as dimensões do novo espectrômetro, sobre o dedo do pesquisador, com um aparelho equivalente encontrado nos laboratórios hoje (sobre a bancada).
[Imagem: Aalto University]

Espectrômetro miniaturizado

Pesquisadores desenvolveram uma ferramenta melhor para medir a luz, uma inovação que promete beneficiar campos que vão das câmeras dos celulares ao monitoramento ambiental.

Inúmeras tecnologias dependem da chamada espectrometria óptica. Os espectrômetros medem o espectro da luz - sua intensidade em diferentes comprimentos de onda, como as cores de um arco-íris - e são uma ferramenta essencial para identificar e analisar materiais, espécimes biológicos, a luz das estrelas etc.

Os espectrômetros hoje são feitos com componentes ópticos e mecânicos volumosos, enquanto o novo dispositivo pode caber na ponta de um fio de cabelo humano.

"Nosso espectrômetro não requer a montagem de componentes ópticos e mecânicos separados ou projetos de matriz para dispersar e filtrar a luz," disse Hoon Yoon, da Universidade do Estado do Oregon. "Além disso, ele pode atingir uma alta resolução comparável aos sistemas de bancada, mas em um pacote muito menor."

Esquema e micrografia do protótipo do espectrômetro em um chip.
[Imagem: Hoon Hahn Yoon et al. - 10.1126/science.add8544]

Câmeras hiperespectrais

Os pesquisadores conseguiram substituir todos os componentes grandes usados hoje por materiais microscópicos e uma análise dos dados baseada em inteligência artificial, permitindo que os espectrômetros sejam drasticamente reduzidos em tamanho, com todos os ganhos da miniaturização.

"Nosso espectrômetro de detector único é um dispositivo tudo-em-um. Nós projetamos este laboratório optoeletrônico em um chip com inteligência artificial substituindo o hardware convencional, como componentes ópticos e mecânicos. Integrá-lo diretamente em aparelhos portáteis, como celulares e drones, pode melhorar nossas vidas diárias. Imagine que a próxima geração das câmeras dos nossos celulares poderiam ser câmeras hiperespectrais," disse Yoon.

As câmeras hiperespectrais podem capturar e analisar informações não apenas de comprimentos de onda visíveis, mas também permitem imagens e análises no infravermelho.

Os usos são enormes, e podem se tornar ainda maiores se pudermos contar com aparelhos miniaturizados. Na Medicina, por exemplo, os espectrômetros são usados para diferenciar entre tecidos saudáveis e tumores; no monitoramento ambiental, eles detectam exatamente qual tipo de poluição está no ar, na água ou no solo; na astronomia, eles separam a luz em comprimentos de onda que indicam quais elementos estão presentes nas estrelas.

O ajuste elétrico das camadas atômicas criou uma nova forma de "ver" a luz.
[Imagem: Hoon Hahn Yoon et al. - 10.1126/science.add8544]

Semicondutores 2D

O espectrômetro miniaturizado foi construído mesclando alguns dos semicondutores mais pesquisados hoje, camadas bidimensionais conhecidos como materiais de van der Waals, incluindo o grafeno, a molibdenita e o disseleneto de tungstênio (WSe₂).

As monocamadas foram usadas para criar uma heterojunção cuja resposta à luz - quais cores a junção irá absorver e quais ela deixará passar - pode ser controlada eletricamente. Além disso, como se trata de materiais com apenas uma camada atômica de espessura, sua interação com a luz é muito forte.

"Nós alcançamos uma alta precisão no comprimento de onda de pico (~ 0,36 nanômetro), alta resolução espectral (~ 3 nanômetros), ampla largura de banda de operação (de ~ 405 a 845 nanômetros) e uma prova de conceito de imagem espectral. Nossa abordagem fornece uma rota para a ultraminiaturização e oferece desempenho sem precedentes em precisão, resolução e largura de banda de operação para espectrômetros computacionais de detector único," escreveu a equipe.

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