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O algoritmo de remoção de ruído melhora a velocidade de varredura Raman. Crédito: ©Science China Press
O grafeno está sempre suscitando grandes expectativas, como um material forte, ultrafino e bidimensional que também poderá ser a base para novos componentes de tecnologia da informação.
Caracterização de grafeno dispositivos estão em alta demanda. A espectroscopia Raman pode ser usada para fazer isso. A luz do laser é direcionada para a amostra do material, e os fótons espalhados fornecem informações sobre as rotações e vibrações das moléculas nela contidas, bem como a estrutura cristalina.
Em média, apenas cerca de 1 em cada 10 milhões de fotões é espalhado desta forma. Isso não apenas dificulta a detecção da informação correta, mas também é muito lento: pode levar meio segundo para visualizar um único pixel. A questão é se Raman ainda continua sendo a melhor opção ou se existem alternativas melhores. Os pesquisadores da Universidade de Twente (UT), Sachin Nair e Jun Gao, mantêm a espectroscopia Raman como ponto de partida, mas conseguem melhorar drasticamente a velocidade: não alterando a técnica em si, mas adicionando um algoritmo.
O grafeno é um alótropo de carbono composto por uma única camada de átomos organizados em uma nanoestrutura bidimensional em favo de mel. Cada átomo em uma folha de grafeno está conectado aos seus três vizinhos mais próximos por uma ligação σ e contribui com um elétron para uma banda de condução que abrange toda a folha.
Redução de ruído
Este algoritmo não é desconhecido no mundo do processamento de sinais e é denominado Análise de Componentes Principais. É usado para melhorar a relação sinal-ruído. O PCA determina as características do ruído e do sinal 'real'. Quanto maior o conjunto de dados, mais confiável é esse reconhecimento e mais claro o sinal real pode ser distinguido. Além disso, os instrumentos Raman modernos possuem um detector denominado dispositivo de carga acoplada multiplicadora de elétrons (EMCCD) que melhora a relação sinal-ruído. O resultado líquido deste trabalho é que o processamento de um pixel não leva meio segundo, mas apenas 10 milissegundos ou menos. Mapear uma única amostra não leva mais horas. Uma característica importante para materiais vulneráveis como o óxido de grafeno é que a intensidade do laser pode ser reduzida em duas ou três ordens de grandeza. Esses são passos importantes para obter um controle rápido das propriedades dos materiais.
Multiuso
Exceto para o grafeno, a técnica Raman aprimorada também pode ser usada para outros materiais bidimensionais como germaneno, siliceno, dissulfeto de molibdênio, dissulfeto de tungstênio e nitreto de boro. O uso do algoritmo não se limita à espectroscopia Raman; técnicas como a Microscopia de Força Atômica e outras técnicas hiperespectrais também poderiam se beneficiar disso.
A pesquisa foi feita no grupo de Física de Fluidos Complexos do Prof Frieder Mugele, parte do Instituto MESA+ da UT. Os pesquisadores colaboraram com o grupo Medical Cell BioPhysics e o grupo Physics of Interfaces and Nanomaterias, ambos também da Universidade de Twente.
Referência: “Imagem Raman confocal não invasiva e de alta velocidade aprimorada por algoritmo de materiais bidimensionais” por Sachin Nair, Jun Gao, Qirong Yao, Michael HG Duits, Cees Otto e Frieder Mugele, 13 de novembro de 2019, Revisão Nacional de Ciência.
DOI: 10.1093/nsr/nwz177