Pesquisadores da Harvard University e da China University of Petroleum desenvolveram recentemente a holografia dina¢mica 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 nana´metros em vários centa­metros, superando significativamente as técnicas de imagem convencionais.

"DSH nasceu em Weitzlab em Harvard, onde fiz meu pa³s-doutorado entre 2018 e 2020", disse Stefano Aime, o principal investigador do estudo, a  Tech Xplore. "Um dos meus projetos de pa³s-doutorado foi sobre propagação de fraturas em meios porosos, o que me fascinou, embora fosse bastante distante da minha formação cienta­fica. 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 pra³prios 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 va­deo da luz espalhada", explicou Aime. "A configuração a³ptica que empreguei era idaªntica a  imagem de correlação de fa³tons, portanto, nada particularmente novo em si mesmo. No entanto, o resultado foi surpreendente. O que eu encontrei foi um padrãoengraçado 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 microsca³pio. 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 fena´meno que ele estudou durante seu doutorado, a saber, o sinal proveniente da deformação ela¡stica de uma amostra projetada no vetor de espalhamento. Essa constatação o inspirou a desenvolver uma nova técnica que usa dois lasers e duas ca¢meras 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 da¡ uma imagem muito diferente em comparação com a luz normal", disse Lizhi Xiao, outra pesquisadora envolvida no estudo, a  Tech Xplore. "Isso ocorre porque a coeraªncia 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 tensaµes ma­nimas e sua propagação. "

Holografia éuma técnica que visa reconstruir a forma completa de um objeto 3D a partir de imagens 2D dele. A ideia por trás do DSH ésemelhante: cada vetor de dispersão (ou seja, combinação de feixe de laser de entrada + diafragma / lente / ca¢mera) permite que se experimente uma projeção do campo de deslocamento.

"Na³s reconstrua­mos 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 a³tica de coleta)", disse Aime. "Isso éo que torna o DSH uma técnica hologra¡fica. Nãono sentido padrão(não reconstra³i nenhum objeto 3D), mas em um sentido generalizado (reconstra³i campos de deslocamento 3D)."

Ao usar a holografia convencional, assuperfÍcies dos objetos examinados refletem a luz do laser. No entanto, quando um objeto étransparente, como águaou pla¡stico transparente, a luz que chega ao detector vira¡ apenas do reflexo do laser empartículas ousuperfÍcies rachadas. O tamanho dessas reflexões pode ser muito pequeno e impossí­vel de detectar usando microsca³pios convencionais.

"Quando esses pequenos recursos se movem a uma distância compara¡vel ao comprimento de onda da luz, o padrãode interferaªncia 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 muitosensívelpara converter movimento / tensão meca¢nica em luz."

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

"A queda na correlação temporal pode ser convertida em movimento local subma­cron, cuja magnitude e direção podem ser reconstrua­das com precisão explorando a iluminação simulta¢nea de três fontes de laser", disse Aime. "Como o DSH depende da interferaªncia do movimento da sonda, ele ésensa­vel a deslocamentos muito menores do que qualquer outra técnica de imagem, pois todos esses manãtodos dependem da detecção de movimento de caracteri­sticas na imagem."

As principais vantagens da técnica desenvolvida por Aime e seus colegas são sua alta sensibilidade e amplo campo de visão. Essas duas caracteri­sticas permitem que o DHS supere significativamente os sistemas de imagem tradicionais, abrindo novas possibilidades interessantes para o estudo de uma sanãrie de fena´menos fa­sicos caracterizados por movimentos minuciosos correlacionados a distâncias macrosca³picas, incluindo fluxo de fluido e instabilidades meca¢nicas.

"A observação de Stefano sobre a propagação de fraturas usando a técnica que ele desenvolveu éincra­vel", disse Xiao. "O fena´meno de fraturamento ocorre em muitos campos e tem muitas aplicações. No entanto, éna verdade muito difa­cil estudar o processo de fraturamento em materiais porque a maioria dos materiais reais são opacos a  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 geola³gicos éfundamental 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 podera¡ ser usado por outras equipes em todo o mundo para investigar mais os mecanismos de fratura em materiais duros e porosos.

"Este trabalho éapenas o começo, já que existem muitos experimentos de DSH que podera­amos realizar em fraturas que se propagam em ambientes heterogaªneos, que estamos analisando atualmente, para aprender algo novo", disse Aime. “Ha¡ um ano me mudei para Paris, onde tenho novos projetos comea§ando, mais uma vez em uma direção diferente. No entanto, a maioria dos meus projetos de pa³s-doutorado ainda estãoem andamento: eles são muito divertidos para serem deixados para trás. E Acredito que o melhor ainda estãopor vir! "