Cientistas criaram um sensor que converte luz em um sinal elétrico com uma eficiência impressionante de 200% – uma figura aparentemente impossível que foi alcançada por meio das peculiaridades da física quântica.
Tal é a sensibilidade do dispositivo conhecido como fotodiodo que a equipe responsável por sua inovação afirma que ele poderia ser potencialmente usado em tecnologia que monitora os sinais vitais de uma pessoa (incluindo batimentos cardíacos ou taxa de respiração) sem que nada precise ser inserido ou mesmo fixado ao corpo.
A eficiência do fotodiodo é tipicamente medida como o número de partículas de luz disponíveis que ele pode converter em sinais elétricos. Aqui, os cientistas estão falando sobre algo intimamente relacionado, mas um pouco mais específico: o rendimento fotoelétrico, ou o número de elétrons gerados por fótons que atingem o sensor.
O rendimento fotoelétrico de um fotodiodo é determinado por sua eficiência quântica – a capacidade essencial de um material de produzir partículas transportadoras de carga em um nível fundamental, em vez da quantidade de energia elétrica produzida.
“[I]sso parece incrível, mas não estamos falando de eficiência energética normal aqui”, diz o engenheiro químico Rene Janssen, da Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda.
“O que conta no mundo dos fotodiodos é a eficiência quântica. Em vez da quantidade total de energia solar, conta o número de fótons que o diodo converte em elétrons.”
Como ponto de partida, a equipe trabalhou em um dispositivo que combinava dois tipos de células solares, perovskita e orgânicas. Empilhando as células, de forma que a luz que é perdida por uma camada seja captada por outra, os pesquisadores alcançaram 70% de eficiência quântica.
Para aumentar esse número, luz verde adicional foi introduzida. O sensor também foi otimizado para melhorar sua capacidade de filtrar diferentes tipos de luz e responder a nenhuma luz. Isso empurrou a eficiência quântica do fotodiodo para mais de 200%, embora nesse estágio não esteja claro exatamente por que esse impulso está acontecendo.
A chave pode ser a forma como os fotodiodos produzem uma corrente elétrica. Fótons excitam elétrons no material do fotodiodo, fazendo com que eles migrem e criem um acúmulo de carga. Os pesquisadores hipotetizam que a luz verde pode liberar elétrons em uma camada, que são convertidos em corrente elétrica somente quando fótons atingem uma camada diferente.
“Cremos que a luz verde adicional leva à acumulação de elétrons na camada de perovskita”, diz o engenheiro químico Riccardo Ollearo, da Universidade de Tecnologia de Eindhoven. “Isso atua como um reservatório de cargas que é liberado quando fótons infravermelhos são absorvidos na camada orgânica”.
“Em outras palavras, cada fóton infravermelho que passa e é convertido em elétron recebe a companhia de um elétron bônus, levando a uma eficiência de 200% ou mais.”
Um fotodiodo mais eficiente também é um fotodiodo mais sensível – um que é melhor capaz de observar pequenas mudanças na luz a partir de maiores distâncias. Isso nos leva de volta à medição dos batimentos cardíacos e dos níveis de respiração.
Usando seu fotodiodo superfino, que é cem vezes mais fino que uma folha de jornal, os pesquisadores mediram pequenas mudanças na luz infravermelha refletida de volta de um dedo a uma distância de 130 centímetros (51,2 polegadas). Isso foi mostrado para coincidir com a pressão arterial e a frequência cardíaca, assim como um sensor de smartwatch faz, mas operando de longe, através de uma mesa.
Com uma configuração semelhante, a equipe mediu as taxas de respiração a partir de pequenos movimentos no peito. Há potencial aqui para todos os tipos de monitoramento e propósitos médicos, se a tecnologia puder ser desenvolvida com sucesso a partir do estágio de laboratório.
“Queremos ver se podemos melhorar ainda mais o dispositivo, por exemplo, tornando-o mais rápido”, diz Janssen. “Também queremos explorar se podemos testar o dispositivo clinicamente.”
A pesquisa foi publicada na Science Advances.
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