Os fabricantes de câmeras infravermelhas enfrentam um problema crescente: os metais pesados tóxicos nos detectores infravermelhos de hoje estão cada vez mais proibidos sob regulamentações ambientais, forçando as empresas a escolher entre desempenho e conformidade.
Essa pressão regulatória está desacelerando a adoção mais ampla de detectores infravermelhos em aplicações civis, justo quando a demanda em campos como veículos autônomos, imagens médicas e segurança nacional está acelerando.
Em um artigo publicado na ACS Applied Materials & Interfaces, pesquisadores da NYU Tandon School of Engineering revelam uma solução potencial que utiliza pontos quânticos ecologicamente corretos para detectar luz infravermelha sem depender de mercúrio, chumbo ou outros materiais restritos.
Os pesquisadores usam pontos quânticos coloidais, que reviram o processamento tradicional, caro e tedioso, de detectores infravermelhos. Dispositivos tradicionais são fabricados por métodos lentos e ultra-precisos, que colocam átomos quase um a um nas pixels de um detector – muito parecido com montar um quebra-cabeça peça por peça sob um microscópio.
Os pontos quânticos coloidais, por sua vez, são sintetizados inteiramente em solução, mais como a fabricação de tinta, e podem ser depositados usando técnicas de revestimento escaláveis semelhantes às usadas na fabricação roll-to-roll para embalagens ou jornais. Essa mudança da montagem meticulosa para o processamento baseado em solução reduz drasticamente os custos de fabricação e abre as portas para aplicações comerciais em larga escala.
“A indústria está enfrentando uma tempestade perfeita, onde as regulamentações ambientais estão se tornando mais rigorosas justo quando a demanda por imagens infravermelhas está explodindo,” disse Ayaskanta Sahu, professor associado do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular (CBE) da NYU Tandon e autor sênior do estudo. “Isso cria gargalos reais para as empresas que tentam aumentar a produção de sistemas de imagem térmica.”
Outro desafio que os pesquisadores abordaram foi tornar a tinta de pontos quânticos condutiva o suficiente para transmitir sinais da luz que chega. Eles conseguiram isso usando uma técnica chamada troca de ligandos em fase de solução, que ajusta a química de superfície dos pontos quânticos para aprimorar o desempenho em dispositivos eletrônicos. Ao contrário dos métodos de fabricação tradicionais que muitas vezes deixam filmes rachados ou irregulares, esse processo baseado em solução produz revestimentos suaves e uniformes em uma única etapa – ideal para a fabricação escalável.
Os dispositivos resultantes mostram desempenho notável: eles respondem à luz infravermelha em uma escala de microssegundos – para comparação, o olho humano pisca a velocidades centenas de vezes mais lentas – e podem detectar sinais tão fracos quanto um nanowatts de luz.
“O que me empolga é que podemos pegar um material há muito considerado difícil para dispositivos reais e engenharia-lo para ser mais competitivo,” disse o pesquisador de pós-graduação Shlok J. Paul, autor principal do estudo. “Com mais tempo, esse material tem potencial para atuar mais profundamente no espectro infravermelho, onde poucos materiais existem para tais tarefas.”
Este trabalho se soma à pesquisa anterior dos mesmos pesquisadores que desenvolveram novos eletrodos transparentes usando nanofios de prata. Esses eletrodos permanecem altamente transparentes à luz infravermelha enquanto coletam sinais elétricos de maneira eficiente, abordando um componente do sistema da câmera infravermelha.
Combinados com seu trabalho anterior sobre eletrodos transparentes, esses desenvolvimentos abordam ambos os principais componentes dos sistemas de imagem infravermelha. Os pontos quânticos fornecem a capacidade de detecção ecologicamente compatível, enquanto os eletrodos transparentes lidam com a coleta e processamento de sinais.
Essa combinação enfrenta desafios em matrizes de imagem infravermelha de grande área, que requerem detecção de alto desempenho em áreas amplas e leitura de sinais de milhões de pixels individuais do detector. Os eletrodos transparentes permitem que a luz alcance os detectores de pontos quânticos enquanto fornecem caminhos elétricos para a extração de sinais.
“Toda câmera infravermelha em um Tesla ou smartphone precisa de detectores que atendam aos padrões ambientais enquanto permanecem econômica”, disse Sahu. “Nossa abordagem poderia ajudar a tornar essas tecnologias muito mais acessíveis.”
O desempenho ainda fica aquém dos melhores detectores baseados em metais pesados em algumas medições. No entanto, os pesquisadores esperam que avanços contínuos na síntese de pontos quânticos e engenharia de dispositivos possam reduzir essa lacuna.
Além de Sahu e Paul, os autores do artigo são Letian Li, Zheng Li, Thomas Kywe e Ana Vataj, todos da NYU Tandon CBE. O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa Naval e pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa.
