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Esther Baumann trabalha no laboratório onde uma equipe de pesquisadores desenvolveu uma versão melhorada de uma técnica de medição baseada em laser chamada espectroscopia de pente duplo.
Crédito: R.Jacobson/NIST
Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram uma nova técnica baseada em laser que poderia melhorar drasticamente a nossa capacidade de analisar uma variedade de materiais e gases, incluindo gases de efeito estufa. Este novo método, denominado “espectroscopia de pente duplo de forma livre”, oferece uma maneira mais rápida, flexível e sensível de analisar substâncias no ar e outros materiais.
Neste estudo específico, publicado em Fotônica da Natureza, os pesquisadores demonstraram que seu sistema baseado em laboratório poderia detectar um único gás, neste caso o potente gás de efeito estufa metano, com sensibilidade 22 vezes maior do que um sistema tradicional de pente duplo. Esta maior sensibilidade poderá um dia ajudar a identificar pequenas fugas ou emissões que, de outra forma, poderiam passar despercebidas, potencialmente ajudando nos esforços de combate às alterações climáticas.
Avanços Tecnológicos
A espectroscopia é uma técnica sofisticada que permite aos cientistas identificar e medir diferentes materiais, observando como eles interagem com a luz. Tal como um prisma separa a luz branca num arco-íris de cores, a espectroscopia separa a luz que vem ou passa através de uma substância, revelando a sua “impressão digital” única e fornecendo informações valiosas sobre as suas propriedades e composição.
Os pesquisadores do NIST criaram uma versão melhorada de uma técnica de medição baseada em laser chamada espectroscopia de pente duplo. A espectroscopia de pente duplo é uma forma de espectroscopia de alta resolução que permite examinar muitas cores de luz ao mesmo tempo e com detalhes finos.
A nova técnica de medição a laser aprimora métodos mais antigos, permitindo que os cientistas controlem o tempo dos pulsos de laser com incrível precisão. Esse controle preciso permite que eles se concentrem nas partes mais importantes da impressão digital de uma amostra e ignorem áreas que não fornecem informações úteis. Como resultado, o sistema mais inteligente pode detectar e medir substâncias muito mais rapidamente do que antes.
Esta nova abordagem pode ser usada de diversas maneiras. Por exemplo, os cientistas podem usá-lo para criar rapidamente imagens que mostram como o gás está distribuído no espaço. Alternativamente, se os pesquisadores não souberem exatamente que tipo de gás existe na área que estão investigando, eles poderão usar uma técnica genérica chamada amostragem compressiva. Este é um método “inteligente” de fazer medições, concentrando-se em áreas que provavelmente contêm informações importantes e realizando menos medições em outros lugares. Esta estratégia torna todo o processo 10 a 100 vezes mais eficiente que os métodos tradicionais.
Visualizando plumas de gás
Esta tecnologia pode criar imagens rápidas e detalhadas de uma variedade de nuvens de gás. Neste estudo, os pesquisadores criaram imagens em tempo real de plumas de metano. O metano é um potente gás com efeito de estufa que contribui para as alterações climáticas, pelo que a capacidade de detetar e resolver estas fugas de forma eficiente poderá um dia ajudar a proteger o ambiente e a melhorar a qualidade do ar. Ao gerar rapidamente imagens de plumas de metano, os cientistas puderam identificar rapidamente para onde o gás está escapando.
Nuvem de metano com espectroscopia de pente duplo de forma livre
Esta técnica é útil não apenas para detectar gases de efeito estufa, mas para qualquer situação em que os cientistas precisem identificar e medir gases.
Dois lasers são melhores que um
A espectroscopia de pente duplo de forma livre pode ser difícil de pronunciar, mas entender como essa tecnologia funciona pode ser mais facilmente digerido dividindo-a em várias partes que funcionam perfeitamente juntas.
O cerne deste método está no pente de frequência óptica, ganhador do Prêmio Nobel, uma ferramenta a laser que produz luz em uma série de frequências precisas e igualmente espaçadas que lembram os dentes de um pente. Esses pentes de frequência são usados para diversos fins, desde cronometragem precisa até diagnósticos médicos e até mesmo a busca por matéria escura indescritível.
O aspecto “dual-comb” desta tecnologia refere-se ao uso de dois pentes de frequência óptica trabalhando juntos. Esta abordagem permite medições rápidas e precisas de substâncias, analisando como elas interagem com a luz de ambos os pentes. Esta técnica é muito mais rápida do que um único pente e pode fornecer informações mais detalhadas do que muitos métodos tradicionais de espectroscopia.
“Forma livre” refere-se à flexibilidade no controle de pente de frequência altamente preciso que recentemente se tornou possível. Os pentes de frequência emitem pulsos de luz com duração de apenas 100 femtossegundos. Dentro de cada uma dessas breves explosões de luz, existe um campo elétrico que vibra extremamente rápido, milhões de milhões de vezes por segundo. A capacidade de controlar com rapidez e precisão essa luz rápida permite que os pesquisadores melhorem e ajustem a forma como fazem as medições.
O próximo grande salto do Dual-Comb
À medida que o mundo enfrenta desafios ambientais e a necessidade de melhores medidas de segurança, esta inovadora tecnologia laser oferece uma nova ferramenta promissora. Ao permitir uma detecção mais inteligente de gases e outras substâncias, poderá desempenhar um papel crucial na protecção da saúde pública e do ambiente nos próximos anos.
Os pesquisadores planejam continuar aprimorando seu sistema em laboratório, tornando-o ainda mais rápido e adaptando sua abordagem para trabalhar com uma ampla gama de comprimentos de onda de laser.
“A flexibilidade do nosso sistema significa que ele pode ser adaptado para uma ampla gama de aplicações”, disse Esther Baumann, pesquisadora do NIST. “No futuro, poderemos ver sensores mais versáteis e eficientes baseados nesta tecnologia em tudo, desde monitores de qualidade do ar a detectores de segurança alimentar, até ao estudo de como os materiais queimam ou à avaliação da saúde muscular de forma não invasiva.”
Artigo: Fabrizio R. Giorgetta, Simon Potvin, Jean-Daniel Deschênes, Ian Coddington, Nathan R. Newbury e Esther Baumann. Espectroscopia de pente duplo de forma livre para detecção e imagem compressiva. Fotônica da Natureza. Publicado on-line em 30 de setembro de 2024. DOI:10.1038/s41566-024-01530-y
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