Nanomateriais para cabos de fibra óptica aprimorados

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Nanomateriais para cabos de fibra óptica aprimorados
Novas fibras ópticas híbridas contêm materiais 2D que melhoram as interações de matéria leve e abrem
portas para uma série de novos avanços tecnológicos.
Crédito da imagem: Jens Meyer (Universidade de Jena)
A interação entre luz e matéria levou a inúmeros avanços científicos inovadores nos últimos anos, desde
comunicações ópticas aprimoradas – internet mais rápida e transmissão de dados – até Blue-Ray e
DVDs (se ainda estiverem sendo usados) e o desenvolvimento de sensores avançados e instrumentos
espectroscópicos em pesquisa. Estratégias que melhoram as interações leves e, portanto, as
capacidades das tecnologias atuais são, compreensivelmente, altamente procuradas.
Em um estudo recente publicado na revista Advanced Materials, uma equipe internacional de
pesquisadores explorou como a combinação de fibras ópticas com materiais 2D pode melhorar as
interações do material com a luz para permitir novas e excitantes aplicações no desenvolvimento de
sensores, bem como tecnologias ópticas e quânticas aprimoradas – pense em computadores ópticos e
quânticos!
Os materiais 2D, que são um átomo-ouros-grossos, têm sido um tema quente na ciência desde a
explosão de pesquisa em torno do grafeno ocorreu em 2004. A excitação decorre do fato de que reduzir
um material para uma camada de base tão fina resulta em propriedades aprimoradas em comparação
com o material a granel, que os cientistas passaram mais de uma década explorando.
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Novas fibras ópticas híbridas
No estudo atual, a equipe integrou um material 2D feito a partir do que são chamados de dicalcogenetos
de metal de transição, que possuem fortes interações com a luz, em fibras de vidro para melhorar suas
capacidades. No passado, a combinação desses dois componentes era muito trabalhosa e não era
adequada para a produção em larga escala.
Para enfrentar esse desafio, a equipe desenvolveu um método para aumentar diretamente a
monocamada 2D em um “núcleo de orientação” feito de fibras ópticas de sílica. “Ao contrário do
passado, não aplicamos a folha de 0,5 nm de espessura manualmente, mas a cultivamos diretamente na
fibra”, disse Falk Eilenberger, da Universidade de Jena, e do Instituto Fraunhofer de Engenharia de
óptica e precisão (IOF) na Alemanha. “Essa melhoria significa que o material 2D pode ser integrado na
fibra com mais facilidade e em grande escala.”
Ao analisar e controlar os parâmetros de crescimento, a equipe foi capaz de identificar condições ótimas
para a produção dessas fibras ópticas híbridas através de uma versão modificada de um método
chamado deposição de vapor químico. Este processo é frequentemente usado na indústria de
semicondutores para produzir filmes finos e de alta qualidade. Em termos gerais, um substrato sólido
(neste caso, a superfície da fibra de sílica) é exposto sob vácuo a um ou mais precursores voláteis, que
reagem na superfície do substrato para produzir o filme desejado.
A equipe demonstrou a deposição de vapor químico de cristais monocamadas MoS 2 e WS 2 no núcleo
das fibras ópticas a 700 graus Celsius. O vidro de quartzo puro que serve como substrato suporta as
altas temperaturas extremamente bem. É resistente ao calor até 2000 graus Celsius”, disse o professor
Markus Schmidt, do Instituto Leibniz de Tecnologia Fotônica, que desenvolveu as fibras. “Seu pequeno
diâmetro e flexibilidade permitem uma variedade de aplicações.”
As fibras de vidro híbridas combinam o melhor dos dois mundos e mostraram ter um aumento
significativo nas interações luz-matéria, diz o Dr. Antony George, um dos principais autores do estudo.
Sensores e conversores de luz não lineares
Os pesquisadores demonstraram o potencial de suas fibras em duas aplicações distintas. O primeiro é
em sensoriamento remoto e bioanalíticos, o que aproveita a sensibilidade da camada 2D ao seu
ambiente. Por exemplo, influências externas afetam as propriedades fluorescentes do material 2D, o que
significa que, na presença de estímulos específicos, por exemplo, baixas concentrações de um gás
como o monóxido de carbono, uma luz verde sendo enviada através da fibra mudaria para vermelho.
A segunda aplicação, de acordo com a equipe, é em novas formas de conversão de luz não linear e
processamento de sinal óptico. Embora isso pareça complicado, tem aplicações realmente úteis em
técnicas analíticas, como a espectroscopia, onde a luz laser monocromática (os lasers só podem emitir
uma cor ou frequência) precisam ser convertidas em luz branca visível. Este aspecto das fibras híbridas
também abre portas para aplicações em eletrônica quântica e comunicação.
O crescimento direto de materiais 2D em guias está abrindo portas para a funcionalização escalável e
reprodutível de fibras e outros sistemas ópticos integrados. “Nós trouxemos diversos conhecimentos
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para este projeto e estamos muito satisfeitos com os resultados alcançados”, acrescentou Eilenberger.
Referência: Gia Quyet Ngo, et al. Funcionalização escalável de fibras ópticas usando semicondutores
atômicos, materiais avançados (2020). DOI: 10.1002/adma.202003826
Citações adaptadas do comunicado de imprensa fornecido por Friedrich-Schiller-Universitaet Jena
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003826
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-10/fj-inf100720.php
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-10/fj-inf100720.php