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Holografia speckle dinâmica: Uma técnica óptica altamente eficaz que combina imagem e espalhamento
Esta técnica, apresentada em um artigo publicado na Physical Review Letters , pode detectar deslocamentos tão pequenos quanto 10 nanômetros em vários centímetros, superando significativamente as técnicas de imagem convencionais.
Por Ingrid Fadelli - 24/09/2021


Crédito: Aime et al.

Pesquisadores da Harvard University e da China University of Petroleum desenvolveram recentemente a holografia dinâmica de manchas (DSH), uma nova técnica para medir mapas tridimensionais (3D) de deslocamentos que combina abordagens de imagem e espalhamento. Esta técnica, apresentada em um artigo publicado na Physical Review Letters , pode detectar deslocamentos tão pequenos quanto 10 nanômetros em vários centímetros, superando significativamente as técnicas de imagem convencionais.

"DSH nasceu em Weitzlab em Harvard, onde fiz meu pós-doutorado entre 2018 e 2020", disse Stefano Aime, o principal investigador do estudo, à Tech Xplore. "Um dos meus projetos de pós-doutorado foi sobre propagação de fraturas em meios porosos, o que me fascinou, embora fosse bastante distante da minha formação científica. Como um estranho, comecei a observar os experimentos de outras pessoas e me perguntando o que exatamente estava causando a rachadura, o que ditou sua direção e velocidade, o que aconteceu perto de um limite ou defeito e questões semelhantes. "

Quando Aime começou a pesquisar a propagação de fraturas, seu supervisor acadêmico Dave Weitz o encorajou a confiar em sua curiosidade e conduzir seus próprios experimentos, em vez de apenas buscar respostas na literatura existente. Depois de adquirir uma boa compreensão da dispersão de luz , ele começou a experimentar diferentes técnicas e abordagens.

"Um dia decidi apontar um laser para a amostra rachada e gravar um vídeo da luz espalhada", explicou Aime. "A configuração óptica que empreguei era idêntica à imagem de correlação de fótons, portanto, nada particularmente novo em si mesmo. No entanto, o resultado foi surpreendente. O que eu encontrei foi um padrão engraçado em forma de borboleta, que se movia com a ponta da rachadura e se estendia profundamente no material , longe da fenda, onde nenhum movimento poderia ser observado, mesmo sob um microscópio. Eu não tinha ideia de qual era o sinal, mas achei que era bonito e vale a pena investigar. "

Durante seus experimentos, Aime percebeu que o sinal que observou era uma generalização de outro fenômeno que ele estudou durante seu doutorado, a saber, o sinal proveniente da deformação elástica de uma amostra projetada no vetor de espalhamento. Essa constatação o inspirou a desenvolver uma nova técnica que usa dois lasers e duas câmeras para medir o campo de deformação 3D completo de uma amostra. Usando a técnica que desenvolveu, Aime foi capaz de aprender muito mais sobre a propagação de fraturas do que teria aprendido se simplesmente revisasse a literatura existente.

"A iluminação por luz laser sempre dá uma imagem muito diferente em comparação com a luz normal", disse Lizhi Xiao, outra pesquisadora envolvida no estudo, à Tech Xplore. "Isso ocorre porque a coerência da luz do laser e alguns pequenos recursos podem produzir pontos brilhantes que cintilam. Foi emocionante perceber que tais cintilações (ou manchas) podem ser combinadas com a imagem para obter DSH para observar as tensões mínimas e sua propagação. "
 
Holografia é uma técnica que visa reconstruir a forma completa de um objeto 3D a partir de imagens 2D dele. A ideia por trás do DSH é semelhante: cada vetor de dispersão (ou seja, combinação de feixe de laser de entrada + diafragma / lente / câmera) permite que se experimente uma projeção do campo de deslocamento.

"Nós reconstruímos o campo de deslocamento tridimensional completo combinando informações obtidas com diferentes vetores de dispersão (4 combinações de 2 feixes de laser de entrada e 2 conjuntos de ótica de coleta)", disse Aime. "Isso é o que torna o DSH uma técnica holográfica. Não no sentido padrão (não reconstrói nenhum objeto 3D), mas em um sentido generalizado (reconstrói campos de deslocamento 3D)."

Ao usar a holografia convencional, as superfícies dos objetos examinados refletem a luz do laser. No entanto, quando um objeto é transparente, como água ou plástico transparente, a luz que chega ao detector virá apenas do reflexo do laser em partículas ou superfícies rachadas. O tamanho dessas reflexões pode ser muito pequeno e impossível de detectar usando microscópios convencionais.

"Quando esses pequenos recursos se movem a uma distância comparável ao comprimento de onda da luz, o padrão de interferência pode mudar e, assim, traduzir o movimento para a intensidade da luz", disse Xiao. "Pode-se pensar no DSH, a técnica desenvolvida por Stefano, como um transdutor muito sensível para converter movimento / tensão mecânica em luz."

O DSH combina imagem e espalhamento para criar mapas 3D de deslocamentos tão pequenos quanto dez nanômetros em campos de visão tão grandes quanto vários centímetros. Para conseguir isso, a técnica de Aime correlaciona imagens dos padrões de manchas de luz laser espalhados pela amostra examinada.

"A queda na correlação temporal pode ser convertida em movimento local submícron, cuja magnitude e direção podem ser reconstruídas com precisão explorando a iluminação simultânea de três fontes de laser", disse Aime. "Como o DSH depende da interferência do movimento da sonda, ele é sensível a deslocamentos muito menores do que qualquer outra técnica de imagem, pois todos esses métodos dependem da detecção de movimento de características na imagem."

As principais vantagens da técnica desenvolvida por Aime e seus colegas são sua alta sensibilidade e amplo campo de visão. Essas duas características permitem que o DHS supere significativamente os sistemas de imagem tradicionais, abrindo novas possibilidades interessantes para o estudo de uma série de fenômenos físicos caracterizados por movimentos minuciosos correlacionados a distâncias macroscópicas, incluindo fluxo de fluido e instabilidades mecânicas.

"A observação de Stefano sobre a propagação de fraturas usando a técnica que ele desenvolveu é incrível", disse Xiao. "O fenômeno de fraturamento ocorre em muitos campos e tem muitas aplicações. No entanto, é na verdade muito difícil estudar o processo de fraturamento em materiais porque a maioria dos materiais reais são opacos à luz."

A propagação da fratura (ou seja, a propagação física de rachaduras em materiais ou objetos) pode ocorrer muito rapidamente em materiais duros. A rapidez com que as fraturas se propagam também pode depender de várias propriedades de um material, como heterogeneidade, plano de estratificação, pressão de confinamento, deformações internas, pressão de poro de fluido e permeabilidade. O estudo de fraturas em materiais geológicos é fundamental tanto para a pesquisa em geociências quanto para a produção industrial.

A nova técnica desenvolvida por Aime já permitiu um melhor entendimento da propagação da fratura. No futuro, ele poderá ser usado por outras equipes em todo o mundo para investigar mais os mecanismos de fratura em materiais duros e porosos.

"Este trabalho é apenas o começo, já que existem muitos experimentos de DSH que poderíamos realizar em fraturas que se propagam em ambientes heterogêneos, que estamos analisando atualmente, para aprender algo novo", disse Aime. “Há um ano me mudei para Paris, onde tenho novos projetos começando, mais uma vez em uma direção diferente. No entanto, a maioria dos meus projetos de pós-doutorado ainda está em andamento: eles são muito divertidos para serem deixados para trás. E Acredito que o melhor ainda está por vir! "

 

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