Pesquisadores do Sandia National Laboratories, junto com colaboradores da Rice University e do Instituto de Tecnologia de Tóquio, estão desenvolvendo novos detectores de terahertz baseados em nanotubos de carbono que podem levar a melhorias significativas em imagens médicas, triagem de passageiros do aeroporto, inspeção de alimentos e outras aplicações.

Um papel em Nano Letras Diário, "Detector Terahertz de Nanotubo de Carbono, "estreou na edição de 29 de maio da seção" Apenas Manuscritos Aceitos "da publicação. O artigo descreve uma técnica que usa nanotubos de carbono para detectar luz na faixa de frequência terahertz sem resfriamento.

Historicamente, a faixa de frequência de terahertz - que fica entre as faixas mais convencionais usadas para eletrônicos em uma extremidade e óptica em outra - apresentou uma grande promessa, juntamente com desafios incômodos para os pesquisadores, disse François Léonard de Sandia, um dos autores.

"A energia fotônica na faixa de terahertz é muito menor do que a da luz visível, e simplesmente não temos muitos materiais para absorver essa luz de forma eficiente e convertê-la em um sinal eletrônico, "disse Léonard." Portanto, precisamos procurar outras abordagens.

A tecnologia Terahertz oferece esperança na medicina e em outras aplicações

Os pesquisadores precisam resolver este problema técnico para tirar proveito das muitas aplicações benéficas da radiação terahertz, disse o co-autor Junichiro Kono, da Rice University. Ondas Terahertz, por exemplo, pode penetrar facilmente em tecidos e outros materiais e pode fornecer meios menos intrusivos para rastreios de segurança de pessoas e cargas. A imagem Terahertz também pode ser usada na inspeção de alimentos sem afetar adversamente a qualidade dos alimentos.

Talvez a aplicação mais interessante oferecida pela tecnologia terahertz, disse Kono, é um substituto potencial para a tecnologia de imagem por ressonância magnética (MRI) no rastreamento de câncer e outras doenças.

"As melhorias potenciais no tamanho, facilidade, custo e mobilidade de um detector baseado em terahertz são fenomenais, "disse ele." Com esta tecnologia, você poderia conceber uma câmera portátil de detecção de terahertz que imagens de tumores em tempo real, com extrema precisão. E isso poderia ser feito sem a natureza intimidante da tecnologia de ressonância magnética. "

Nanotubos de carbono podem ajudar a preencher a lacuna técnica

Sandia, seus colaboradores e Léonard, em particular, vêm estudando nanotubos de carbono e nanomateriais relacionados há anos. Em 2008, Léonard é o autor de The Physics of Carbon Nanotube Devices, que examina os aspectos experimentais e teóricos dos dispositivos de nanotubos de carbono.

Nanotubos de carbono são longos, cilindros finos compostos inteiramente de átomos de carbono. Embora seus diâmetros estejam na faixa de 1 a 10 nanômetros, eles podem ter até vários centímetros de comprimento. A ligação carbono-carbono é muito forte, portanto, resiste a qualquer tipo de deformação.

A comunidade científica há muito se interessa pelas propriedades terahertz dos nanotubos de carbono, disse Léonard, mas virtualmente todas as pesquisas até agora foram baseadas em modelos teóricos ou computacionais. Um punhado de artigos investigou a detecção de terahertz usando nanotubos de carbono, mas aqueles se concentraram principalmente no uso de um único feixe de nanotubos.

O problema, Léonard disse, é que a radiação terahertz normalmente requer uma antena para conseguir o acoplamento em um único nanotubo devido ao tamanho relativamente grande das ondas terahertz. The Sandia, Equipe de pesquisa da Rice University e do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Contudo, encontrou uma maneira de criar um pequeno detector a olho nu, mas visível a olho nu, desenvolvido pelo pesquisador do Rice Robert Hauge e o estudante de graduação Xiaowei He, que usa filmes finos de nanotubos de carbono sem exigir uma antena. A técnica é, portanto, passível de fabricação simples e representa uma das conquistas mais importantes da equipe, Léonard disse.

"Filmes finos de nanotubos de carbono são extremamente bons absorvedores de luz eletromagnética, "explicou ele. Na faixa de terahertz, Acontece que filmes finos desses nanotubos absorvem toda a radiação terahertz que chega. Os filmes de nanotubos já foram chamados de "o material mais escuro" por sua capacidade de absorver luz com eficácia.

Os pesquisadores foram capazes de embrulhar vários tubos de tamanho nanoscópico para criar um filme fino macroscópico que contém uma mistura de nanotubos de carbono metálicos e semicondutores.

"Tentar fazer isso com um tipo diferente de material seria quase impossível, uma vez que um semicondutor e um metal não poderiam coexistir em nanoescala em alta densidade, "explicou Kono." Mas é isso que conseguimos com os nanotubos de carbono. "

A técnica é fundamental, ele disse, porque combina as excelentes propriedades de absorção de terahertz dos nanotubos metálicos e as propriedades eletrônicas exclusivas dos nanotubos de carbono semicondutores. Isso permite que os pesquisadores obtenham um fotodetector que não requer energia para operar, com desempenho comparável à tecnologia existente.

Um caminho claro para a melhoria do desempenho

A próxima etapa para os pesquisadores, Léonard disse, é melhorar o design, engenharia e desempenho do detector terahertz.

Por exemplo, eles precisam integrar uma fonte de radiação terahertz independente com o detector para aplicações que requerem uma fonte, Léonard disse. A equipe também precisa incorporar eletrônicos ao sistema e melhorar ainda mais as propriedades do material de nanotubo de carbono.

"Temos algumas ideias muito claras sobre como podemos atingir esses objetivos técnicos, "disse Léonard, acrescentando que novas colaborações com a indústria ou agências governamentais são bem-vindas.

"Nossas realizações técnicas abrem um novo caminho para a tecnologia terahertz, e estou particularmente orgulhoso da natureza multidisciplinar e colaborativa deste trabalho em três instituições, " ele disse.

Além de Sandia, Rice e Tokyo Tech, o projeto recebeu contribuições de pesquisadores participantes do NanoJapão, um programa de verão de 12 semanas que permite que alunos do primeiro e segundo ano de física e engenharia de universidades dos EUA concluam estágios de pesquisa em nanociência no Japão com foco em nanociência terahertz.