Cientistas e engenheiros de materiais desenvolveram um sensor rápido, sensível e eficiente o suficiente para detectar comprimentos de onda específicos de energia eletromagnética enquanto em movimento. A tecnologia pode escanear ativamente áreas em busca de vazamentos de metano ou gás natural, monitore a saúde de vastos campos de plantações ou classifique rapidamente os plásticos para reciclagem.

Trabalhando em estreita colaboração com a empresa de materiais optoeletrônicos SRICO, engenheiros da Duke University construíram um detector de protótipo que supera a concorrência existente em tamanho, peso, potência, velocidade e, mais importante, custo.

A nova tecnologia depende de metamateriais - estruturas projetadas feitas de células repetidas cuidadosamente projetadas que podem interagir com ondas eletromagnéticas de maneiras não naturais. Ao combinar padrões aparentemente simples de metal com fatias extremamente finas de cristais perfeitos, os engenheiros criaram um dispositivo simplificado capaz de detectar assinaturas infravermelhas invisíveis emitidas por vários tipos de gases, plásticos e outras fontes.

Os resultados apareceram em 20 de fevereiro, 2017, no jornal Optica .

"O benefício de usar metamateriais é que diferentes componentes necessários em um detector podem ser combinados em um único recurso, "disse Willie Padilla, professor de engenharia elétrica e da computação na Duke. "Essa simplificação traz muita eficiência para você."

Em um detector térmico típico, ondas de luz infravermelha são absorvidas e convertidas em calor por uma substância negra, essencialmente fuligem. Esse calor é conduzido para um componente separado que cria um sinal elétrico que é lido. Esta configuração cria limitações de velocidade, e apenas sobrepondo filtros ou um sistema complexo de espelhos móveis, podem comprimentos de onda específicos ser escolhidos.

O novo sensor de metamaterial contorna essas duas questões.

Cada seção minúscula do detector consiste em um padrão de ouro colocado em cima de um cristal de niobato de lítio. Este cristal é piroelétrico, o que significa que quando fica quente, ele cria uma carga elétrica. Como raspar um pedaço de queijo de um bloco, os engenheiros da SRICO usam um feixe de íons para descascar uma fatia de cristal de apenas 600 nanômetros de espessura. Esta técnica elimina defeitos potenciais na estrutura cristalina, o que reduz o ruído de fundo. Ele também cria uma fatia mais fina do que outras abordagens, permitindo que o cristal aqueça mais rapidamente.

Normalmente, este cristal é tão fino que a luz simplesmente viajaria sem ser absorvida. Contudo, pesquisadores adaptam a camada superior de ouro em um padrão que se combina com as propriedades do cristal para fazer com que o pixel absorva apenas uma faixa específica de frequências eletromagnéticas, eliminando a necessidade de filtros separados. Quando o cristal aquece e gera uma carga elétrica, o ouro então cumpre uma função dupla, levando o sinal para o amplificador do detector, eliminando a necessidade de fios elétricos separados.

"Esses designs permitem que essa tecnologia seja de 10 a 100 vezes mais rápida do que os detectores existentes porque o calor é criado diretamente pelo cristal", disse Jon Suen, um associado de pós-doutorado no laboratório de Padilla. "Isso nos permite criar dispositivos com menos pixels e também apresenta a capacidade de varrer o detector em uma área ou capturar imagens em movimento."

"Este é um bom casamento de tecnologias, "disse Vincent Stenger, engenheiro da SRICO e co-autor do artigo. “Trabalhar com a Duke tem sido uma das situações mais ideais que já tive com transferência de tecnologia. Podemos nos concentrar em fazer o material e eles podem se concentrar na estrutura do dispositivo. Ambos os lados têm contribuído com um produto claro em mente que nós ' agora estou trabalhando em marketing. "

Os pesquisadores podem fabricar o dispositivo para detectar qualquer faixa específica de frequências eletromagnéticas simplesmente redesenhando os detalhes do padrão dourado.

Stenger e seus colegas da SRICO já criaram um protótipo de pixel único como prova de conceito. Atualmente, eles estão trabalhando para encontrar financiamento de investidores da indústria ou possivelmente uma subvenção governamental subsequente.

Os pesquisadores estão otimistas, pois seu dispositivo tem muitas vantagens sobre as tecnologias existentes. Seu rápido tempo de detecção permitiria que ele rastreasse rapidamente uma área enquanto procurava vazamentos de metano ou gás natural. A simplicidade de seu design torna-o leve o suficiente para ser carregado nos campos para avaliar a saúde das safras agrícolas.

"Você poderia até mesmo transformá-lo em um instrumento de laboratório de baixo custo para espectroscopia de amostras médicas, "disse Padilla." Não tenho certeza de qual seria o preço final, mas seria muito menos do que US $ 300, 000 instrumentos que temos atualmente em nosso laboratório. "