Os lasers têm as fabricaçãos de uma ferramenta de geociência do século XXI

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Os lasers têm as fabricaçãos de uma ferramenta de
geociência do século XXI
Um laser pode não ser a primeira ferramenta que a maioria dos geocientistas pensa usar ao analisar
amostras geológicas, mas a técnica conhecida como espectroscopia de avaria induzida por laser (LIBS)
tem grande potencial para iluminar as geociências.
“É uma técnica muito simples”, disse Russell Harmon, geoquímico da Universidade Estadual da Carolina
do Norte, que usa o LIBS há décadas.
Ao pulsar rapidamente um laser de alta potência em qualquer amostra, um plasma é formado em sua
superfície e os átomos da amostra dentro estão excitados. Como os átomos decaem de volta ao seu
estado fundamental, eles emitem luz em comprimentos de onda específicos, que podem ser analisados
espectralmente para obter um tipo de impressão digital geoquímica dos elementos atômicos da amostra.
Como o LIBS pode capturar toda a composição elementar de uma amostra, é uma técnica versátil que
pode ser facilmente aplicada em muitos domínios científicos diferentes. Ao longo de sua carreira,
Harmon usou a LIBS de várias maneiras, incluindo a avaliação da contaminação ambiental por chumbo,
a seleção de fontes de obsidiana e a análise de carbonatos e silicatos.
A velocidade e versatilidade do LIBS fazem dele uma “ferramenta geoquímica para o século XXI”, de
acordo com Harmon e Giorgio S. Senesi, pesquisador do Conselho Nacional de Pesquisa da Itália
(CNR). É capaz de análise quantitativa e qualitativa da composição elementar de materiais como rochas,
https://meas.sciences.ncsu.edu/people/rsharmon/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0883292721000615
https://www.researchgate.net/profile/Giorgio-Senesi
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minerais, metais, sedimentos, solos, artefatos arqueológicos, gases, líquidos, explosivos e além.
Também é útil tanto no laboratório quanto no campo, na Terra ou fora dele.
“Hoje não há uma área que a LIBS não tenha sido aplicada por alguém”, disse Harmon.
Os Feats da LIBS em Marte
Talvez os usos mais divulgados do LIBS estejam fora deste mundo, em Marte. Atualmente, três
instrumentos LIBS vasculem a superfície do Planeta Vermelho em três rovers diferentes: ChemCam
(ferramenta de química e câmera) a bordo do Curiosity da NASA; MarSCoDe (Mars Surface Composition
Detector) em Zhurong, o primeiro rover chinês; e, mais recentemente, SuperCam na Perseverança da
NASA.
“Na verdade, [O LIBS] é extremamente adaptável para a ciência planetária”, disse Roger Wiens, líder do
projeto para os instrumentos ChemCam e SuperCam e cientista planetário do Laboratório Nacional de
Los Alamos.
“O LIBS está basicamente nos dando informações sobre quase todos [da] tabela
periódica de uma só vez.”
LIBS é capaz de analisar amostras em tempo quase real com preparação e manuseio mínimos. É
importante ressaltar que é especialmente bom em detectar elementos mais leves que a maioria das
outras técnicas, como a fluorescência de raios-X, não pode captar. Por exemplo, a ChemCam do
Curiosity foi o primeiro instrumento terrestre a observar o hidrogênio na superfície de Marte e também
encontrou boro, um componente necessário para o RNA.
“O LIBS está basicamente nos dando informações sobre quase todos [da] tabela periódica de uma só
vez”, disse Wiens.
A técnica também sinergiza bem com os outros instrumentos em cada rover, disse Wiens. Os poderosos
pulsos de laser que atingem uma amostra produzem algo como uma “versão muito pequena de
relâmpagos e trovões”, criando “efetivamente uma bola redonda de plasma” seguida por uma onda de
choque que remove convenientemente a poeira do material, permitindo experimentos mais limpos.
Uma gravação de microfone por Perseverance rover da onda de choque produzida pela
LIBS em Marte. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech/LANL/CNES/IRAP
Além da remoção de poeira, o som produzido pela LIBS também pode dizer aos cientistas algo sobre a
dureza de um material. A SuperCam da Perseverance é equipada com um microfone que ouve cada
onda de choque à medida que os pulsos de laser subsequentes se enterram cada vez mais no material
que está sendo analisado. Este ato muda o som que é produzido. Usando a tendência na mudança de
sons, os pesquisadores podem descobrir a dureza de um material.
“Tem sido uma revolução um pouco mais lenta, mas uma revolução, no entanto, na ciência planetária,
começar a usar essa técnica”, disse Wiens.
(A maior parte) Possibilidades ilimitadas
https://mars.nasa.gov/msl/spacecraft/instruments/chemcam/
https://link.springer.com/article/10.1007/s11214-021-00836-5
https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/supercam/
https://mars.nasa.gov/people/profile/?id=23234
https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_fluorescence
https://www.nasa.gov/jpl/msl/pia19809/curiosity-finds-hydrogen-rich-area-of-mars-subsurface
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128188293000204
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Embora suas possíveis aplicações sejam inúmeras, o LIBS, como qualquer técnica, tem suas limitações.
Por um lado, o LIBS é específico do material porque o laser interage de forma diferente com cada
material em contato, por isso é necessário calibrar o instrumento para cada novo material que está
sendo medido.
“Torna-se um verdadeiro desafio fazer LIBS quantitativo para a comunidade de ciências da Terra, porque
geralmente não há padrões suficientes para fazer isso”, disse Harmon. Portanto, a biblioteca espectral
para os materiais muitas vezes precisa ser construída.
Lewis Owen, da Universidade Estadual da Carolina do Norte,
está usando o instrumento LIBS portátil SciAps Z-300 para
analisar o verniz de rocha em rochas de granito em Alabama
Hills, no leste da Califórnia. Crédito: Harmon e Senesi, 2021,
https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2021.104929
Esse desafio surgiu em Marte – na parte de trás da Perseverance, há um conjunto de 22 amostras
padrão de um centímetros da Terra para calibrar as leituras LIBS em Marte. Há também cerca de 500
amostras e um clone do instrumento SuperCam LIBS no Laboratório Los Alamos para produzir a
biblioteca espectral.
Embora haja obstáculos para saltar, o LIBS poderia ser usado em futuras missões espaciais para luas
geladas, asteroides e outros lugares. A rapidez do LIBS poderia ter potencial para coletar dados do
ambiente extremo de Vênus, um planeta com intenso calor e pressão que destruiria rapidamente a
maioria das espaçonaves. “O LIBS é uma das melhores técnicas para realmente fazer em Vênus,
https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2021.104929
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porque poderíamos obter uma série de análises em um curto período de tempo, retraírem os dados e
levar [aos] à Terra antes que o instrumento caia”, disse Wiens.
De volta à Terra, com a introdução comercial de unidades LIBS portáteis em 2016, a técnica está mais
acessível do que nunca e é portátil para o trabalho de campo, disse Harmon. As unidades de mão são
como “uma caixa em uma vara” com um nariz cônico do tamanho de um secador de cabelo. De acordo
com a Harmon, essas ferramentas acessíveis devem ser usadas por uma geração mais jovem de
geocientistas para colaborar e encontrar maneiras novas e empolgantes de usar o LIBS. Construir uma
equipe diversificada e usar o LIBS para descobrir novas descobertas, na Terra e além, “isso é uma coisa
realmente poderosa”, disse Harmon.
— Richard J. Sima (-richardsima), Escritora de Ciência
Citação: Sima, R. J. A J. (2021), os lasers têm os makings de uma ferramenta de geociência do século XXI, Eos, 102,
https://doi.org/10.1029/2021EO210544. Publicado em 15 de outubro de 2021.
Texto ? 2022. Os autores. CC BY-NC-ND 3.0 (em versão 3.0)
 
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https://twitter.com/richardsima
https://doi.org/10.1029/2021EO210544
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/