Em trabalhos que poderiam transformar telefones celulares em sensores capazes de detectar vírus e outros objetos minúsculos, Os pesquisadores do MIT construíram uma poderosa lanterna em nanoescala em um chip.

Sua abordagem para projetar o minúsculo feixe de luz em um chip também poderia ser usada para criar uma variedade de outras lanternas nano com diferentes características de feixe para diferentes aplicações. Pense em um amplo holofote versus um feixe de luz focado em um único ponto.

Os cientistas há muito usam a luz para identificar um material, observando como essa luz interage com o material. Eles fazem isso essencialmente lançando um feixe de luz sobre o material, em seguida, analisando essa luz depois que ela passa pelo material. Como todos os materiais interagem com a luz de maneira diferente, uma análise da luz que atravessa o material fornece uma espécie de "impressão digital" para aquele material. Imagine fazer isso para várias cores, ou seja, vários comprimentos de onda de luz, e capturar a interação da luz com o material de cada cor. Isso levaria a uma impressão digital ainda mais detalhada.

A maioria dos instrumentos para fazer isso, conhecidos como espectrômetros, são relativamente grandes. Torná-los muito menores teria uma série de vantagens. Por exemplo, eles poderiam ser portáteis e ter aplicações adicionais (imagine um telefone celular futurístico carregado com um sensor independente para um gás específico). Contudo, enquanto os pesquisadores deram grandes passos no sentido de miniaturizar o sensor para detectar e analisar a luz que passou por um determinado material, um feixe de luz miniaturizado e de formato adequado - ou lanterna - continua sendo um desafio. Hoje, esse feixe de luz é mais frequentemente fornecido por equipamentos em macroescala, como um sistema de laser que não está embutido no próprio chip como os sensores.

Sensor Completo

Entre no trabalho do MIT. Em dois artigos recentes em Nature Scientific Reports , a equipe descreve não apenas sua abordagem para projetar lanternas no chip com uma variedade de características de feixe, eles também relatam a construção e o teste bem-sucedido de um protótipo. Mais importante, eles criaram o dispositivo usando tecnologias de fabricação existentes familiares à indústria de microeletrônica, portanto, eles estão confiantes de que a abordagem pode ser implantada em grande escala com o menor custo que isso implica.

Geral, isso poderia permitir que a indústria criasse um sensor completo em um chip com fonte de luz e detector. Como resultado, o trabalho representa um avanço significativo no uso da fotônica de silício para a manipulação de ondas de luz em microchips para aplicações em sensores.

“Este trabalho é significativo, e representa um novo paradigma de design de dispositivo fotônico, permitindo melhorias na manipulação de feixes ópticos, "diz Dawn Tan, um professor associado da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura que não estava envolvido na pesquisa.

"A fotônica de silício tem tanto potencial para melhorar e miniaturizar os esquemas de biossensorização existentes em escala de bancada. Precisamos apenas de estratégias de design mais inteligentes para explorar todo o seu potencial. Este trabalho mostra uma dessas abordagens, "diz Robin Singh, autor principal de ambos os artigos. Singh recebeu o MS (2018) e o Ph.D. (2020) do MIT, tanto em engenharia mecânica.

Os co-autores seniores do primeiro artigo são Anuradha Murthy Agarwal, um cientista de pesquisa principal no Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT, e Brian W. Anthony, um cientista pesquisador principal no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. Os co-autores de Singh no segundo artigo são Agarwal; Anthony; Yuqi Nie, agora na Princeton University; e Mingye Gao, um aluno de pós-graduação no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT.

Como eles fizeram isso

Singh e seus colegas criaram seu projeto geral usando várias ferramentas de modelagem por computador. Estes incluíram abordagens convencionais baseadas na física envolvida na propagação e manipulação da luz, e mais técnicas de aprendizado de máquina de ponta, nas quais o computador é ensinado a prever soluções potenciais usando grandes quantidades de dados. "Se mostrarmos ao computador muitos exemplos de lanternas nano, pode aprender como fazer lanternas melhores, "diz Anthony. Em última análise, "podemos então dizer ao computador o padrão de luz que queremos, e isso nos dirá qual deve ser o design da lanterna. "

Todas essas ferramentas de modelagem têm vantagens e desvantagens; juntos eles resultaram em uma final, design ideal que pode ser adaptado para criar lanternas com diferentes tipos de feixes de luz.

Os pesquisadores passaram a usar esse design para criar uma lanterna específica com um feixe colimado, ou um em que os raios de luz sejam perfeitamente paralelos uns aos outros. Os feixes colimados são fundamentais para alguns tipos de sensores. A lanterna geral que os pesquisadores fizeram envolveu cerca de 500 estruturas retangulares em nanoescala de diferentes dimensões que a modelagem da equipe previu que permitiriam um feixe colimado. Nanoestruturas de diferentes dimensões levariam a diferentes tipos de feixes que, por sua vez, são essenciais para outras aplicações.

A pequena lanterna com feixe colimado funcionou. Não apenas isso, forneceu uma viga que era cinco vezes mais potente do que é possível com estruturas convencionais. Isso em parte porque "ser capaz de controlar melhor a luz significa que menos é espalhado e perdido, "diz Agarwal.

Singh descreve a emoção que sentiu ao criar aquela primeira lanterna. "Foi ótimo ver através de um microscópio o que eu havia projetado em um computador. Em seguida, testamos, e funcionou! "

Esta pesquisa foi apoiada em parte pela Iniciativa MIT Skoltech.

Como Cientista Principal de Pesquisa do Centro de Microfotônica e da Iniciativa para o Conhecimento e Inovação na Manufatura (IKIM), Agarwal agradece seus colegas por fornecerem o ambiente intelectual fértil para este trabalho.

Instalações e departamentos adicionais do MIT que tornaram este trabalho possível são o Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, o Laboratório de Pesquisa de Materiais, o Instituto de Engenharia Médica e Ciência, e MIT.nano.