Materiais Avançados

Cheiros são detectados pelo som da luz

Cheiros são detectados pelo som gerado pela luz
O aparato de laboratório ainda é grande, mas poderá ser facilmente miniaturizado para uso em campo. [Imagem: Gerald Diebold]

Detecção de gases

Uma nova técnica, baseada em um cristal especialmente sintetizado em laboratório, permite a detecção de gases até concentrações ao nível de partes por quadrilionésimo - 10-15, ou 0,000 000 000 000 001.

O método usa uma variação do efeito fotoacústico, um fenômeno que possibilita medir o som gerado quando a luz interage com as moléculas.

"De muitas maneiras, o efeito fotoacústico já é o método mais prático disponível para a detecção de poluentes na atmosfera. Mas, quando a concentração das moléculas que você está tentando detectar diminui para o nível de partes por trilhão, o sinal também se torna fraco demais para detectar.

"Nós desenvolvemos uma nova técnica fotoacústica que amplifica o sinal e nos permite chegar ao nível de partes por quatrilhão, o que, pelo que saibamos, é um recorde," disse o professor Gerald Diebold, da Universidade Brown (EUA), que desenvolveu a técnica em colaboração com colegas da Universidade de Shandong (China).

Efeito fotoacústico

O efeito fotoacústico ocorre quando um feixe de luz é absorvido por um gás, líquido ou sólido, o que gera uma expansão no material. A expansão é um movimento mecânico que produz uma onda sonora. O efeito foi descoberto por Alexander Graham Bell na década de 1880, mas foi de pouco valor prático até a invenção do laser, que tornou os sinais fotoacústicos suficientemente fortes para serem detectáveis - graças à frequência estreita e à alta potência da luz do laser.

Como as diferentes moléculas absorvem a luz em diferentes frequências, ajustando a frequência do laser é possível ajustar um detector para substâncias específicas.

Mas, quanto menor a concentração da substância alvo, mais silencioso é o sinal. Então Diebold e seus colegas usaram uma técnica não convencional para aumentar a amplitude do sinal. Eles criaram um cristal que vibra precisamente na frequência combinada de dois lasers, o que permitiu usar não apenas o sinal original do laser, mas também suas ressonâncias.

"O que fizemos foi inventar um método que se baseia em três ressonâncias diferentes. O sinal aumenta com cada ressonância," explicou o pesquisador.

Ressonância

Em vez de um único feixe de laser, são combinados dois feixes em uma frequência e ângulo específicos. A união dos feixes cria uma grade - um padrão de interferência entre os dois feixes. Quando as frequências são ajustadas corretamente, a grade viaja em uma célula de detecção à velocidade do som, criando um efeito de amplificação em cada um dos picos - as partes mais claras do padrão de interferência.

A segunda ressonância é criada pelo próprio cristal, que vibra precisamente na frequência dos lasers combinados. As pequenas forças de compressão nas ondas de pressão acústicas aumentam gradualmente o movimento no cristal, da mesma forma que pequenos e repetidos impulsos em uma gangorra fazem a criança ir cada vez mais alto.

A terceira ressonância é gerada ajustando o comprimento da cavidade em que o cristal é montado, de modo que ele ressoe quando uma integral dos meios-comprimentos de onda do som corresponde exatamente com o comprimento da cavidade.

Como o cristal é piezoelétrico, ele gera uma tensão elétrica proporcional ao seu movimento oscilatório, que é enviada para amplificadores e dispositivos eletrônicos para registrar o sinal acústico e identificar a molécula.

A equipe afirma que a nova técnica deverá elevar muito a capacidade de detecção de gases diluídos na atmosfera e a liberação de compostos voláteis em testes de laboratório.

Bibliografia:

Photoacoustic trace detection of gases at the parts-per-quadrillion level with a moving optical grating
Lian Xiong, Wenyu Bai, Feifei Chen, Xian Zhao, Fapeng Yu, Gerald J. Diebold
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1706040114




Outras notícias sobre:

Mais Temas