Interação luz-matéria: engenharia do comportamento da luz em nanoescala

É bem sabido que a matéria é composta de átomos. Esses átomos são compostos por um núcleo cercado por camadas de energia eletrônica. A luz interage com essas camadas de elétrons. A luz como energia pode ser absorvida por uma camada de elétrons e então várias ações podem ocorrer. Quando a luz interage com a matéria, ela pode fazer várias coisas dependendo do seu comprimento de onda e do tipo de matéria que encontra: pode ser transmitida, refletida, refratada, difratada, adsorvida ou espalhada.

A luz interage como uma partícula ou como uma onda que se comporta como uma partícula que sofre absorção, espalhamento ou produção de pares dependendo do número atômico e da frequência da luz. Quando o comprimento de onda da luz é comparável à distância interatômica, ela se comporta como uma onda e é difratada. Para luz de intensidade muito alta, a interação torna-se não linear e é dominada por processos de mistura de frequências.

Na verdade, o estudo da luz é uma ciência multidisciplinar que envolve muitos ramos como medicina, arquitetura e entretenimento. A luz tem implicações profundas para o campo da medicina, tanto como causa de doenças como danos UV no DNA, quanto como agente terapêutico como terapia fotodinâmica. Tais processos são a base da ciência da fotobiologia, que poderia ser definida como o estudo dos efeitos da luz visível e ultravioleta da luz natural do sol, bem como de fontes artificiais na matéria viva.

Os lasers também provaram sua utilidade no domínio da arte e do entretenimento, desde “shows de luzes” até discos compactos (CDs) e discos de vídeo digital (DVDs), até efeitos especiais em filmes.

Muitas formas de luz (radiação eletromagnética) encontram alguma aplicação na medicina. Avanços na tecnologia leve revolucionaram a indústria médica. O processo de imagens médicas envolve a criação de representações visuais do interior de um corpo para posterior análise médica.

Imagens médicas, procedimentos cirúrgicos e diagnósticos dependem do uso de luz. Essas imagens são geralmente usadas em áreas médicas como neurociência, cardiologia, psiquiatria e psicologia, entre outras. A luz visível é a mais comum e importante, pois é usada para ver e avaliar os pacientes através dos olhos do médico. Hoje em dia, a luz visível é usada para fotografia médica.

O papel da luz nos procedimentos médicos cresceu imensamente. Lasers de diversas cores são usados ​​em todos os tipos de procedimentos diagnósticos e cirúrgicos. Os lasers vêm em uma variedade de comprimentos de onda e podem ser usados ​​para quebrar pedras nos rins, cauterizar sangramentos ou vaporizar tumores. O laser de argônio tem sido usado para parar o sangramento do fígado. A luz infravermelha é usada para imagens e também para aquecer bebês prematuros. Ondas de rádio são usadas em imagens de ressonância magnética. A luz ultravioleta pode ser usada para esterilização. Os raios X são usados ​​para ver ossos e matar tumores. A luz ultravioleta é usada na psoríase, enquanto os lasers ultravioleta são usados ​​​​em procedimentos refrativos da córnea.

Energia eletromagnética de maior energia (raios X) é usada em máquinas de tomografia computadorizada e para imagens de raios X de filme simples. Os raios X podem tratar certas formas de câncer. Os raios gama, como formas de radiação eletromagnética de maior energia, podem ser usados ​​no tratamento do câncer. Os raios gama também são detectados em exames PET e usados ​​em cirurgias com faca gama para tumores cerebrais.

A iluminação é considerada um campo muito importante na arquitetura, design de interiores e engenharia elétrica que se preocupa com o projeto de sistemas de iluminação como luz natural, luz elétrica ou ambos para atender às necessidades humanas. O processo de design leva em consideração a quantidade de luz necessária. Acompanhados pela crença de que a luz e o brilho poderiam ajudar na criação de uma arquitetura icônica e de um mundo humano melhor, o vidro e o metal foram transformados de forma inovadora para criar imagens cristalinas. Como resultado, ele foi transferido de uma forma espacial interna para uma superfície externa na arquitetura.

Existem exemplos na arquitetura contemporânea que utilizaram a luz de forma magistral através do controle de luz e materiais, pois conseguem que cada espaço mostre ao usuário sua personalidade com calma. Em alguns edifícios a luz torna-se quase irreal ao combiná-la com a escuridão dos materiais, da pedra, dos reflexos na água e do vapor que constroem uma atmosfera única.

Às vezes, os estudos fotométricos são chamados de “layouts” ou “ponto por ponto”. Eles são usados ​​para simular projetos de iluminação para projetos antes de serem construídos ou reformados. Esses tipos de abordagens ajudam os arquitetos, designers de iluminação e engenheiros a determinar se uma configuração de iluminação proposta fornecerá a quantidade de luz pretendida. Eles também determinam a relação de contraste entre a luz. Tais estudos são referenciados nas práticas de iluminação recomendadas pela IESNA ou CIBSE para o tipo de aplicação.

Os aspectos de design devem levar em consideração a segurança ou a praticidade na manutenção de níveis de luz uniformes, evitando ofuscamento ou enfatizando determinadas áreas. Um aplicativo especializado de design de iluminação é usado para criar e combinar o uso de desenhos CAD digitais bidimensionais e software de simulação de iluminação. Acompanhados pela crença de que a luz e o brilho poderiam ajudar na criação de uma arquitetura icônica e de um mundo humano melhor, o vidro e o metal foram transformados de forma inovadora para criar imagens cristalinas. Alguns projetos são notáveis ​​não só pela forma inovadora de manusear materiais tangíveis, mas também pela imaginação em relação ao meio de luz. As teorias da fragmentação e da fluidez são hoje técnicas de projeto bem conhecidas no campo da arquitetura.

Está provado que a iluminação profissional proporciona muito mais do que apenas o nível certo de brilho. Cria o clima e apoia as composições e conceitos dos designers de iluminação. Criar vários ambientes que expressam emoções é uma das principais funções da iluminação e a torna um elemento central de design em produções de cinema e TV. O tipo certo de luz denota tensão, excitação, drama, alegria e fascínio. Assim, a iluminação desempenha um papel importante na criação de momentos inesquecíveis em produções de TV e cinema.

Os lasers também provaram sua utilidade no domínio da arte e do entretenimento. Um feixe de laser é uma varinha de luz que pode ser bonita e prática. A visão de um pôr do sol vermelho profundo ou de um arco-íris multicolorido muitas vezes inspira sentimentos de felicidade, romance e até admiração. Desde há muitos séculos que os artistas tentam reproduzir a beleza da luz nas pinturas. Os inventores deram aos artistas ferramentas mecânicas, como a câmera que usa luz para criar arte. Isso é realmente divertido e bonito como visto no filme. O jovem Sherlock Holmes foi o primeiro filme a usar um laser para imprimir imagens diretamente no filme. Foi lançado em 1985 e a ILM (Industrial Light and Magic) criou o maior número de efeitos especiais. Em uma de suas cenas, um cavaleiro pintado em um vitral de uma igreja ganha vida. Então Knight pula da janela e expulsa um padre da igreja. Da mesma forma, muitos filmes de ficção científica não apenas utilizam lasers na criação de seus efeitos especiais, mas também retratam regularmente lasers ou dispositivos semelhantes a laser. Na verdade, os lasers reais acrescentaram uma dimensão nova e visualmente excitante ao mundo do entretenimento. Espera-se que cientistas e artistas continuem a combinar os seus talentos para produzir no futuro muitas novas formas criativas e dramáticas de entretenimento baseado em laser.

A maioria dos processos de interação luz-matéria são proibidos por regras de seleção eletrônica que limitam o número de transições entre níveis de energia. Como o átomo é muito menor que o comprimento de onda da luz emitida – cerca de 1/1.000 a 1/10.000 do tamanho – isso prejudica substancialmente as interações entre os dois. No entanto, um novo estudo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) poderá abrir novas áreas de tecnologia para fazer com que o momento das partículas de luz, chamadas fotões, corresponda mais de perto ao dos electrões, que normalmente é muitas ordens de grandeza maior.

Segundo os investigadores, se conseguirmos “diminuir” os comprimentos de onda da luz em ordens de grandeza, reduzindo-os quase à escala atómica, isso permitirá toda uma gama de interacções relacionadas com a absorção ou emissão de luz. No material bidimensional chamado grafeno, a luz pode interagir com a matéria na forma de plasmons, um tipo de oscilação eletromagnética no material que faz interações em uma magnitude muito maior do que seriam em materiais comuns. A utilização dessas transições proibidas poderia abrir a capacidade de adaptar as propriedades ópticas dos materiais de maneiras sem precedentes.

Esta pesquisa explora sistematicamente como os materiais 2-D melhoram as interações luz-matéria, estabelecendo uma base teórica para transições eletrônicas mais rápidas, detecção aprimorada e melhor emissão, incluindo a geração compacta de banda larga e luz quântica. Estreitamente confinada, a luz pode então ser absorvida pelo semicondutor ou emitida por ele. Este encolhimento poderia levar a novos tipos de células solares capazes de absorver uma gama mais ampla de comprimentos de onda de luz, o que tornaria os dispositivos mais eficientes na conversão da luz solar em eletricidade. Também poderia levar à produção de dispositivos como lasers e LEDs que poderiam ser ajustados eletronicamente para produzir uma ampla gama de cores.

A interação aprimorada da luz com a matéria está pronta para revolucionar os campos da medicina, arquitetura, indústria do entretenimento e muito mais. Na verdade, o uso de tecnologia mais avançada tem possibilidades infinitas para uma variedade de aplicações em múltiplas disciplinas, como espectroscopia e dispositivos de detecção, células solares ultrafinas, novos tipos de materiais para absorver energia solar, lasers altamente sintonizáveis ​​mais eficientes ou diodos emissores de luz (LEDs). ) e fontes de fótons para possíveis dispositivos de computação quântica.