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ENXERGANDO ATÉ NO ESCURO! Lente de Contato com Grafeno Permitirá ter Visão de Calor.

ENXERGANDO ATÉ NO ESCURO! Lente de Contato com Grafeno Permitirá ter Visão de Calor.

Leandro H G Lacerda, Rodrigo R Resende

 

Edição Avulsa Vol. 1, N. 2, 02 de Setembro de 2014
DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2014.09.02.001

Lembra-se daquele filme “O Predador”? Um alienígena que vem ao planeta Terra, dentre outros, para caçar alvos que possam o desafiar como um grande caçador? O Predador só enxerga com visão de calor. É o que comumente se chama de visão noturna. Existem óculos especiais, usados pelas forças armadas, mais conhecidos como equipamentos com imagens térmicas, para realizar várias tarefas e operações noturnas. O tipo mais comum de aparelho de visão térmica são os óculos de visão noturna que permitem enxergar no escuro. Mas, como se pode ver no escuro sem uma luz visível? Diferentes fontes de calor, como pessoas e objetos, geram graus variados de calor, o que permite ao usuário dos óculos determinar se a fonte de calor é uma pessoa ou objeto. Insetos também enxergam no escuro graças a essa visão noturna, ou visão de calor (Figura 1).

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Figura 1: Imagem de um cachorro visto com câmara infravermelha. As cores mais quentes ou mais amareladas são as mais fortes, as mais próximas do azul, roxo ou preto são mais fracas.

Na verdade, a luz que é visível para nós é chamada de luz branca. Isso porque a luz branca é uma combinação de 7 cores, ou 7 espectros de comprimento de onda diferentes, as mesmas cores do arco-íris (Figura 2). Quando a luz branca dos raios solares passa por um prisma ou pelas gotas de água da chuva, o espectro é dividido em seus 7 componentes. Assim a luz branca é dividida nas 7 cores que vemos no arco-íris. Mas, e a luz que não é visível, que é percebida pelos insetos no escuro e pelos óculos de visão noturna ou de calor? Esse espectro tem um comprimento de onda abaixo do vermelho que enxergamos, por isso é chamada de luz infravermelha. Nós conseguimos percebe-la com muita limitação, mas os insetos e os óculos de visão noturna o fazem com grande definição. De forma resumida, esses óculos captam toda a luz infravermelha gerada pelo calor do ambiente e a intensificam, para então mostrar ao usuário o que está à sua frente, na conhecida imagem esverdeada.

arcoiris

Figura 2: Espectro da luz branca sendo decomposto nas 7 cores que formam o arco-íris ao passar por um prisma. As gotas de água da chuva funcionam como pequenos prismas que decompõem a luz solar formando o arco-íris.

Pode parecer algo simples, mas na verdade há muito mais do que isso: da lente de entrada até a de saída, a luz passa por um tubo intensificador de imagem, que traduz os sinais de luz (fótons) em elétrons com a ajuda de um fotocatodo.

Estes, por sua vez, são multiplicados milhares de vezes ao atravessar uma placa de microcanais, para, no fim, serem convertidos novamente em luz ao atingirem uma tela de fósforo, gerando uma imagem muito mais clara que a original. O resultado de todo esse trabalho pode ser exibido tanto por uma lente comum, como as usadas em binóculos, quanto através de um monitor.

Câmera infravermelha: Existem dispositivos e aparatos que facultam ver contornos sob certas circunstâncias que impedem a visão humana natural, em condições de obscuridade, neblina e outras. A câmera infravermelha (Figura 1) permite a capitação de diferentes intensidades de radiação infravermelha emitidas por corpos situados a diferentes distâncias. Nas imagens obtidas, se visualiza em branco as áreas mais quentes dos corpos e, em negro, as áreas menos quentes, e com matizes de diferentes graus dependendo da temperatura de cada área. Esta visão monocromática deve-se ao fato de que as câmeras utilizam sensores que só percebem um particular comprimento de onda, o infravermelho.

Visão noturna natural

Na retina dos seres vivos existe uma substância denominada rodopsina que se encarrega de perceber mínimas intensidades de luz. Os humanos necessitam expor-se pelo menos a 30 minutos na obscuridade para otimizar sua visão noturna, mesmo assim muito limitada, porque não percebem ondas de luz vermelhas cujos comprimentos de onda superem os 780 nanômetros. Por outro lado, animais como os gatos, cachorros e veados apresentam melhor visão noturna, porque possuem uma estrutura chamada tapetum lucidum, atrás dos olhos, que refletem a luz para melhorar a sua habilidade. Portanto, sua visão equivale a um amplificador de luz de primeira ou de segunda geração.

Sensibilidade térmica natural

Algumas serpentes podem perceber diferentes intensidades de calor provenientes de corpos e a distância da emissão, por meio de um sistema termossensível existente em ambos os lados de suas cabeças, entre a narina e o olho, conhecido como Fosseta Loreal. Trata-se de um sistema de visão sem usar os olhos. Desconhece-se o alcance deste sistema térmico para criar imagens no cérebro destas serpentes.

Nova tecnologia

O grafeno é uma das formas cristalinas, ou alótropas do carbono, assim como o diamante, a grafite, os nanotubos de carbono e fulerenos. O grafeno de alta qualidade é muito forte, leve, quase transparente e um excelente condutor de calor e eletricidade (1) (Figura 3) (veja mais em http://nanocell.org.br/producao-de-nanomateriais-auto-organizaveis-novo-metodo-permite-a-producao-de-nanomateriais-com-forma-de-bolachas-finas/).

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Figura 3: Estrutura molecular do grafeno. Esta molécula é formada por cadeias interligadas de carbono. Com a dimensão de um único átomo, por isso chamada de folha de grafeno.

O primeiro detector de luz à temperatura ambiente que pode detectar todo o espectro infravermelho tem o potencial de adicionar a tecnologia de visão de calor em uma lente de contato.

Pesquisadores da Universidade de Michigan utilizaram uma camada de barreira de isolamento entre duas folhas de grafeno para desenvolver os primeiros fotodetectores de grafeno com ultra-banda larga e alta responsividade à temperatura ambiente (Figura 4) (2).

dispositivo grafeno eletricidade

Figura 4. Diagrama esquemático da estrutura do dispositivo. Modificado de (2).

Ao contrário de detectores de infravermelho próximo e distantes, ​​atualmente no mercado, o detector desenvolvido pelos pesquisadores da Universidade de Michigan, nos EUA, não precisa de equipamentos de refrigeração para trabalhar.

O grupo do professor Dr. Zhaohui Zhong conseguiu produzir um detector super-fino que pode ser empilhado em uma lente de contato ou integrado a um telefone celular.

A luz infravermelha inicia em comprimentos de onda mais longos do que os de luz vermelha visível e vai até comprimentos de onda com cerca de 1 mm. Lembrando que, quanto maior o comprimento de uma onda, menor sua energia e, até certo limite, impossível de ser detectado pelo olho humano (Figura 5). A visão infravermelha pode ser utilizada não apenas para detectar mapas de calor de pessoas e animais no escuro, mas também pode ajudar aos médicos a monitorar o fluxo de sangue, identificar substâncias químicas no ambiente e permitir aos historiadores de arte a visualização de desenhos de Leonardo da Vinci sob camadas de tinta.

espectro luz visivel

Figura 5: Intervalos de comprimento de onda (λ), em nanômetros (nm), das regiões de um espectro eletromagnético. A luz visível corresponde a um pequeno espaço do espectro, que está em destaque e corresponde às cores do arco-íris.

Ao contrário do espectro visível, onde as câmeras convencionais de captura possuem um único chip, a imagem no infravermelho requer uma combinação de tecnologias para ver na radiação infravermelha próxima, média e distante de uma única vez. Ainda mais desafiador, os sensores de infravermelho médio e infravermelho distante tipicamente precisam estar em temperaturas muito frias.

O grafeno, uma única camada de átomos de carbono (Figura 3), poderia detectar todo o espectro infravermelho, além da luz visível e do ultravioleta. Porém, até agora, não era possível a detecção no infravermelho, porque não era capaz de capturar luz suficiente para gerar um sinal elétrico detectável. Com a espessura de um único átomo, a folha de grafeno somente absorve cerca de 2,3% da luz que a atinge. Se a luz não pode produzir um sinal elétrico, o grafeno não pode ser usado como um sensor.

O desafio atual para a geração de detectores baseados em grafeno é que sua sensibilidade é geralmente muito baixa. É cerca de cem a mil vezes menor do que um dispositivo comercial exigiria.

Para superar esse obstáculo, Zhong, Ted Norris e o professor de engenharia elétrica e ciências da computação, Dr. Gerard A. Mourou trabalharam com seus alunos de pós-graduação para projetar uma nova forma de gerar o sinal elétrico. Ao invés de tentar medir diretamente os elétrons que são liberados quando a luz atinge o grafeno, eles amplificaram o sinal, olhando como as cargas elétricas induzidas pela luz sobre o grafeno afetam a corrente em suas proximidades.

Este trabalho é pioneiro para uma nova maneira de detectar a luz. E, certamente, é fácil de prever que outros serão capazes de adotar este mesmo mecanismo em outras plataformas de materiais e dispositivos.

Para desenvolver o dispositivo, eles colocaram uma camada de barreira de isolamento entre duas folhas de grafeno. A camada de fundo tinha uma corrente elétrica passando através dela. Quando a luz incide sobre a camada superior, ocorre a liberação de elétrons, criando buracos carregados positivamente. Em seguida, os elétrons usam um truque de mecânica quântica para se deslizarem através da barreira, caindo sobre camada inferior do grafeno.

Os buracos carregados positivamente, deixados para trás na camada superior, produziram um campo elétrico que afetava o fluxo da eletricidade através da camada inferior. Ao medir a mudança na corrente, a equipe pode deduzir o brilho da luz que incidia sobre o grafeno. A nova abordagem permitiu, pela primeira vez, a concorrência da sensibilidade de um dispositivo de grafeno à temperatura ambiente com detectores de infravermelho médio resfriados.

O dispositivo é ainda menor do que a unha do dedo mindinho e é facilmente reduzível. Zhong sugere matrizes deles como câmeras infravermelhas.

Se integrar este dispositivo a uma lente de contato ou a outros aparelhos eletrônicos portáteis será possível expandir nossa visão. Será um novo jeito de interagir com o ambiente, sugere Zhong.

Referências

  1. Resende RR. PRODUÇÃO DE NANOMATERIAIS AUTO-ORGANIZÁVEIS: Novo método permite a produção de nanomateriais com forma de bolachas finas. Nanocell News. 2014 08/05/2014;1(15):7. Epub 08/04/2014.
  • Liu CH, Chang YC, Norris TB, Zhong ZH. Graphene photodetectors with ultra-broadband and high responsivity at room temperature. Nat Nanotechnol. 2014 Apr;9(4):273-8. PubMed PMID: ISI:000334068800012. English.

 

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