Assim como pessoas alegres em uma festa, os fótons realizam caminhadas aleatórias pela tinta branca; mas sua densidade permaneceu fora de controle. Recentemente, cientistas da Universidade de Twente, na Holanda, conseguiram controlar a densidade de energia dos fótons dentro de materiais opacos, como tinta branca.

Ao combinar nanoesferas fluorescentes isoladas dentro da tinta branca como "repórteres" com modelagem de frente de onda avançada da luz incidente, os pesquisadores observam que a densidade de energia dos fótons na tinta é bastante aumentada, em excelente acordo com uma nova teoria.

Os resultados encontram aplicações em iluminação, células solares, óptica biomédica e lasers aleatórios, e são publicados em julho na revista de alto impacto da Optical Society (OSA) Optica em um artigo intitulado "Densidade de energia ótica espacialmente resolvida 3-D aprimorada por forma de frente de onda."

Quando um fluxo constante de fótons em um feixe de laser brilha sobre um material opaco, como tinta branca, pó, neve, ou tecido biológico, as partículas dispostas aleatoriamente no material espalham os fótons aleatoriamente. Dentro do material, os fótons realizam um passeio aleatório, semelhante a um alegre, ligeiramente embriagado, pessoa que tenta alcançar o outro lado da festa.

Portanto, apenas alguns fótons são transmitidos através do material opaco, e a maior parte da luz incidente é refletida. Esta é a razão pela qual a neve é ​​branca brilhante:a maioria dos fótons incidentes do sol são refletidos.

Os fótons que realizam caminhadas aleatórias dentro da tinta branca têm uma densidade bastante baixa que diminui suavemente de um máximo próximo à superfície frontal em direção à superfície posterior. Para alcançar conversão de energia eficiente para aplicações como iluminação de estado sólido, células solares, ótica biomédica, e lasers aleatórios, Contudo, o maior número possível de fótons deve ir para locais visados ​​nas profundezas de um meio de espalhamento, em outras palavras:"o máximo possível de pessoas alegres deve se reunir no local da festa."

Sem conhecimento detalhado da estrutura tridimensional (3-D) altamente complexa da tinta branca, parece impossível controlar a densidade 3-D dos fótons dentro do material. Contudo, a equipe Twente resolveu este problema com sucesso, empregando métodos avançados recentemente desenvolvidos em que a frente de onda da luz incidente é espacialmente formada, veja a Figura 1.

O método Twente se baseia na compreensão de que um meio de difusão possui milhares de canais de transmissão. Notavelmente, canais de alta transmissão existem entre todos os canais. A luz é seletivamente acoplada a esses canais de alta transmissão quando um foco otimizado é feito na superfície posterior da pintura, modelando espacialmente a frente de onda da luz incidente.

Embora a relação de entrada-saída da luz possa ser facilmente detectada, a densidade de energia óptica interna permanece desconhecida. O Prof. Willem Vos explica:"Disse popularmente:já suspeitávamos que poderíamos convencer muita gente alegre (fótons) a se juntar a uma festa dentro da tinta branca. Mas ainda não sabíamos como seria a festa, porque você não pode olhar dentro de um material opaco. E também não sabíamos quantas pessoas poderiam aderir. "

Para resolver este problema, a equipe Twente usa nanoesferas fluorescentes isoladas dispersas na tinta branca como partículas de relatório. O tridimensional (x, y, z) -posição de cada nanopartícula é obtida através do padrão de intensidade fluorescente na superfície posterior. Simultaneamente, o aumento da densidade de energia é revelado pela varredura do aumento da intensidade fluorescente total.

Com apenas uma pequena nanosfera de cada vez, a equipe do Twente teve de fazer observações meticulosamente longas para coletar fluorescência suficiente. Finalmente, um forte aumento da densidade de energia dependente da posição foi observado, que concorda muito bem com uma teoria recém-desenvolvida. A equipe conseguiu não apenas observar o aumento de energia em relação à profundidade - conforme mostrado na Figura 2 - mas também em relação à posição lateral.

Vos diz, "Esses resultados são ótimas notícias para muitas aplicações relacionadas à conversão de energia óptica em materiais opacos semelhantes a tinta branca. Agora temos uma ferramenta para literalmente 'agitar' a luz através da tinta branca para chegar aos locais desejados. Por exemplo, agora podemos controlar a brancura de um LED branco, otimizando para luz branca quente ou fria. E isso é recebido com grande interesse por nossos colegas da indústria de iluminação. "