10 usos de ponta da tecnologia laser

Desenvolvidos pela primeira vez por Gordon Gould durante a década de 1950, os lasers são um dos dispositivos mais populares e amplamente utilizados na sociedade moderna. Os feixes ópticos podem ser encontrados em tudo, desde sistemas de orientação de armas até cirurgias de remoção de pelos. No entanto, nem sempre foi assim. Originalmente, Gould e seus colegas lutaram para encontrar aplicações práticas para sua nova invenção. Na verdade, um dos pioneiros, Irnee D’Haenens, certa vez descreveu o dispositivo em tom de brincadeira como “uma solução à procura de um problema”. ^[1]

Hoje em dia, a tecnologia é praticamente onipresente, e os lasers – ou, para dar-lhes o título completo, amplificação de luz por emissão estimulada de radiação – são uma ferramenta de ponta usada no desenvolvimento de todos os tipos de inovações brilhantes. Com eles, somos capazes de resfriar átomos até uma fração de grau, criar sistemas incrivelmente avançados de armazenamento de dados e até detectar fenômenos astronômicos evasivos, como ondas gravitacionais. Sessenta anos desde a sua invenção, a tecnologia laser continua tão relevante e excitante como sempre.

10 Amplificação de pulso chiado

A amplificação de pulso chirped (CPA) é uma das inovações mais notáveis ​​da tecnologia moderna. A técnica inovadora é usada para produzir pulsos de laser de alta intensidade sem destruir o material através do qual a luz se move. As rajadas ópticas são alongadas no tempo para reduzir o pico de potência e depois amplificadas antes de serem comprimidas, formando um pulso de luz com intensidade fenomenal. ^[2]

Desenvolvido pela primeira vez em meados da década de 1980, o CPA tornou-se comum na cirurgia ocular corretiva, na qual lasers de alta intensidade são usados ​​para remodelar a córnea. Outros campos potenciais de aplicação incluem a computação quântica e o armazenamento de dados. Na verdade, os cientistas esperam que os princípios do CPA possam ser usados ​​para construir computadores que operem com uma eficiência sem precedentes – até 100.000 vezes mais rápido do que os modelos actuais.

Embora esteja longe de ser realizado em todo o seu potencial, a técnica do laser tem diversas aplicações significativas e tem feito uma série de contribuições científicas consideráveis. Como tal, dois dos seus principais criadores, Donna Strickland e Gerard Mourou, receberam o Prémio Nobel da Física de 2018. A decisão foi bem recebida por grande parte da comunidade científica; Strickland é a primeira mulher física a receber o Prêmio Nobel desde 1963, e apenas a terceira na história do prêmio.

9 Liberando linhas de trem

Pode não parecer um grande problema, mas as folhas molhadas nos trilhos causam um caos absoluto no sistema ferroviário. A pressão regular dos trens que passam faz com que as folhas fiquem rasgadas e comprimidas, o que, com o tempo, leva à formação de uma camada escorregadia. Os detritos traiçoeiros reduzem o atrito na linha, criando condições perigosas para qualquer trem que se aproxime .

Normalmente, as empresas ferroviárias tentam explodir as folhas da linha com jatos de água ou usam areia para reforçar o atrito. No entanto, sabe-se que ambas as soluções danificam os trilhos, além de água e areia serem materiais difíceis de transportar.

A empresa LaserThor apresentou uma solução alternativa para o problema das folhas: destrua as folhas com lasers. Um laser Nd:YAG de 2 quilowatts vaporiza material orgânico aquecendo-o a impressionantes 5.000 graus Celsius (9.032 °F). Em 2014, a empresa holandesa Nederlandse Spoorwegen concordou em testar o sistema em um de seus trens DM-90. Além de queimar folhas e outros detritos, o calor da viga também seca os trilhos, evitando que enferrujem. ^[3]

8 Resfriamento a laser

Pode parecer contra-intuitivo usar lasers para resfriar uma substância – afinal, eles geralmente não aquecem os objetos? No entanto, em meados da década de 1980, o físico pioneiro Steven Chu demonstrou como os raios laser podem ser usados ​​para resfriar átomos a temperaturas extremamente baixas .

As partículas de um gás exibem um comportamento frenético – disparando em alta velocidade e com abundância de energia. No entanto, à medida que o gás é resfriado, as partículas começam a perder energia e há uma queda acentuada na velocidade. Em outras palavras, a desaceleração dos átomos faz com que a temperatura de um gás caia.

Esta é a essência do resfriamento a laser. Quando um átomo se move em direção a um laser, ele absorve fótons do feixe e começa a desacelerar. À medida que desaceleram, as partículas em desaceleração perderão parte de sua energia e, assim, começarão a cair de temperatura.

A teoria básica sugere que seriam necessários 20.000 fótons para reduzir o momento de um átomo de sódio a zero. Isto pode parecer difícil de conseguir, mas Chu afirmou que, com o nível certo de sintonia, os lasers podem inibir cerca de dez milhões de absorções por segundo. Com o resfriamento a laser, os átomos podem quase parar em milissegundos. ^[4]

Nas últimas três décadas, a técnica desenvolveu-se de forma surpreendente. Os físicos agora são capazes de resfriar átomos a um bilionésimo de grau acima do zero absoluto.

7 Manipulando Roedores

Nos últimos anos, os cientistas desenvolveram múltiplas técnicas para alterar o comportamento dos roedores. Alguns deles envolvem lasers.

A tecnologia laser permitiu aos cientistas reverter o alcoolismo em ratos . Um grupo de especialistas do Scripps Research, instituto médico de San Diego, Califórnia, conseguiu reduzir a dependência das criaturas do álcool. O artigo da equipe, publicado em março de 2019, descreve como eles implantaram fibras ópticas nos cérebros dos ratos e atingiram neurônios específicos com um feixe de laser. O professor da Scripps, Olivier George, descreveu a técnica como sendo tão rápida e eficaz quanto “apertar um botão”. ^[5]

Embora seu trabalho seja notável, o Scripps Research não é o primeiro instituto a usar lasers para manipular criaturas pequenas e peludas. Dois anos antes, pesquisadores da Universidade de Yale desenvolveram uma técnica semelhante para ativar instintos predatórios em ratos . Ao direcionar luz azul para os neurônios nos lobos temporais dos roedores, os pesquisadores conseguiram estimular morder, agarrar e outros comportamentos assassinos.

6 Armazenamento de dados holográficos

Desde o lançamento do disco compacto na década de 1980, a tecnologia laser tem desempenhado um papel essencial na gravação, armazenamento e recuperação de dados . No entanto, esta tecnologia tem limitações. Em todas as técnicas de armazenamento óptico disponíveis atualmente, os dados são gravados na superfície de um disco. Isso significa que a quantidade total de dados que pode ser armazenada em um dispositivo como um DVD é limitada pela sua área de superfície.

Para superar o problema, os cientistas procuram uma nova técnica para melhorar o espaço de armazenamento de dispositivos ópticos: o armazenamento de dados holográficos. Esses dispositivos seriam capazes de armazenar grandes quantidades de informações na forma de hologramas tridimensionais. Isto não só aumenta significativamente a quantidade de dados que podem ser mantidos numa determinada área, como também é considerado um método mais eficiente e fiável.

No entanto, há um grande revés que impede você de adquirir o último sucesso de bilheteria ou álbum de sucesso em forma holográfica: essa tecnologia só existe como um protótipo . Nos últimos anos, os desenvolvedores tentaram produzir uma técnica comercial para armazenamento holográfico, mas nenhuma decolou ainda. ^[6]

O desenvolvimento mais promissor vem da Universidade Normal do Nordeste, na província chinesa de Jilin. Pesquisadores da universidade desenvolveram um filme semicondutor feito de dióxido de titânio e nanopartículas de prata. Para gravar dados no filme, um sistema de laser altera a carga das nanopartículas de prata, e as partículas são afetadas de forma diferente, dependendo do comprimento de onda da luz.

5 Lentes de contato

Embora não se compare à visão laser do Super-Homem , os cientistas desenvolveram uma lente de contacto sofisticada que emite luz laser para fora dos seus olhos . Este feito impressionante é possível devido à criação de uma película ultrafina – com apenas um milésimo de milímetro de espessura – que pode ser fixada ou incorporada numa lente de contacto.

A tecnologia foi revelada em maio de 2018 por uma equipe de físicos da Universidade de St Andrews, que disse aos repórteres que poderia ser usada para criar etiquetas de segurança vestíveis. Quando testada no globo ocular de uma vaca, a lente gerou um feixe de laser com cerca de um nanowatt de potência. ^[7]

4 Defesa Militar de Drones

Podem parecer algo saído da imaginação de um fã de Star Trek , mas as armas a laser são o futuro da tecnologia militar. Nos últimos meses, o Corpo de Fuzileiros Navais dos EUA começou a testar seu Sistema Compacto de Armas Laser (CLaWS) – um sistema montado em veículo (foto acima) projetado para derrubar drones inimigos (também conhecidos como UAVs). Em comparação com o poder de fogo tradicional, a arma laser não só tem uma melhor relação custo-benefício, mas também torna muito mais difícil para os drones rastrear e atingir as tropas terrestres.

À medida que as tensões aumentam no Médio Oriente, as forças turcas também utilizam lasers como armas para demonstrar a sua inovação e destreza militar. Na verdade, tornaram-se o primeiro país a derrubar em combate um veículo da oposição utilizando um sistema laser terrestre . Em Agosto de 2019, a Turquia utilizou o seu armamento laser para atacar e destruir um drone armado dos Emirados Árabes Unidos que circulava sobre o distrito líbio de Misurata. ^[8]

3 Detectando Ondas Gravitacionais

Quando pesquisadores do LIGO anunciaram que haviam detectado ondas gravitacionais pela primeira vez em 2015, físicos e astrônomos de todo o mundo prenderam a respiração. Até então, as ondas gravitacionais tinham-se revelado incrivelmente evasivas. Embora tenham sido previstos pela primeira vez em 1916, foi necessário quase um século de inovação tecnológica antes que os cientistas pudessem realmente ter um vislumbre. Esse feito surpreendente – a primeira observação direta – só foi possível devido à tecnologia laser.

As ondas gravitacionais são ondulações cósmicas que ecoam pelo universo à velocidade da luz. À medida que viajam pelo espaço, as ondas deformam e distorcem o ambiente que as rodeia de uma forma que pode ser medida através de detectores laser sofisticados e altamente sensíveis. ^[9] LIGO, o observatório subterrâneo de ondas gravitacionais, utiliza lasers e espelhos para detectar mudanças infinitesimais que ocorrem sempre que uma onda passa.

2 Bioimpressão de células-tronco

A bioimpressão é um processo emergente e altamente sofisticado usado por médicos especialistas para fabricar órgãos e tecidos sintéticos. Normalmente, essas réplicas artificiais são criadas pelo depósito de gotículas de biotinta, camada por camada, para construir estruturas 3D funcionais.

Em 2018, uma equipe de pesquisadores da Laser Zentrum Hannover desenvolveu uma técnica para bioimpressão de um tipo de célula-tronco conhecida como hiPSCs – células-tronco pluripotentes induzidas pelo homem. Essas células são incrivelmente versáteis, capazes de se transformar em qualquer outro tipo de célula do corpo humano. Como tal, têm um excelente potencial como material para a construção de órgãos de substituição ou sistemas personalizados de testes de drogas.

Antes da bioimpressão, os hiPSCs são suspensos em biotinta e colocados na superfície de uma lâmina de vidro. Uma segunda lâmina de vidro é posicionada diretamente abaixo da primeira. Gotas de biomaterial são então ejetadas da lâmina de vidro superior para a inferior usando breves pulsos de luz laser.

Até agora, os testes preliminares foram bem-sucedidos. Quase todas as células sobreviveram ao processo de impressão a laser e também mantiveram suas propriedades. ^[10]

1 Pinças ópticas

Anteriormente neste artigo, abordamos Donna Strickland e Gerard Mourou, dois dos físicos que receberam o Prêmio Nobel em 2018 por seu trabalho pioneiro na amplificação de pulsos chiados. Naquele ano, um terceiro pioneiro óptico também recebeu o prêmio: Arthur Ashkin, o físico americano conhecido por inventar pinças ópticas.

As pinças ópticas são instrumentos notáveis ​​com uma ampla gama de aplicações biológicas, que vão desde a investigação do movimento de bactérias vivas até o exame das propriedades do DNA . A técnica de Ashkin usa um feixe de laser infravermelho altamente focado para suspender objetos microscópicos no ar, capturando-os no centro de uma armadilha óptica. À medida que o objeto interage com os fótons do laser, ele sofre a ação das forças de espalhamento e gradiente que o mantêm travado na posição. ^[11]