Menor LED do mundo pode fazer seu celular virar um microscópio

Pesquisadores criaram um LED (light-emitting diode) de silício extremamente pequeno e um microscópio holográfico que abrem uma ampla gama de usos potenciais. Um deles inclui a câmera de seu smartphone. Ou seja, o menor LED do mundo pode fazer seu celular virar um microscópio portátil de alta resolução.

A fotônica é a área da tecnologia que lida com a transmissão e as propriedades dos fótons. Os desenvolvimentos em fotônica proporcionaram inovações em uma ampla gama de campos, incluindo comunicações de dados ópticos, imagens, ciências da vida e saúde, iluminação e displays.

Embora os chips fotônicos – micro chips contendo dois ou mais componentes fotônicos que formam um circuito funcional – tenham percorrido um longo caminho no campo da iluminação, a integração de um pequeno e brilhante emissor de luz on-chip permaneceu indefinida. Geralmente, os fabricantes recorrem ao uso de uma fonte de luz off-chip, a qual possui baixa eficiência energética e limita a escalabilidade dos chips fotônicos.

Todavia, os emissores off-chip podem ser coisa do passado, graças aos pesquisadores da SMART (aliança formada entre o Instituto de Tecnologia de Massachusetts – MIT – e a Fundação Nacional de Pesquisa de Cingapura). A pesquisa resultou na criação do menor LED de silício do mundo, com menos de um micrômetro de largura, cuja intensidade é comparável à de LEDs de silício muito maiores.

Os emissores on-chip de antes eram difíceis de integrar em plataformas padrão de semicondutores de óxido de metal complementar (CMOS). O CMOS é um circuito integrado construído em uma placa de circuito impresso – tecnologia de semicondutores usada na maioria dos chips atuais. Em telefones celulares, o CMOS é usado como o ‘olho’ da câmera.

Na SMART, os pesquisadores colocaram o minúsculo LED de silício em um nódulo de CMOS de 55 nm ao lado de outros componentes fotônicos e eletrônicos – tudo em um único chip.

Para testar a possibilidade de usar o LED em uma situação do mundo real, eles o colocaram em um microscópio holográfico sem lentes, os quais são menores e mais baratos do que os microscópios comuns porque não requerem um sistema de lentes complexo e preciso. Em vez disso, eles usam uma fonte de luz para iluminar uma amostra; a luz é então espalhada em um sensor CMOS de imagem digital, criando um holograma digital que o computador processa para produzir uma imagem.

A microscopia holográfica sem lentes pode apresentar dificuldades para a reconstrução de uma imagem. Geralmente, uma reconstrução precisa requer conhecimento detalhado da abertura e comprimento de onda da fonte de luz e distância da amostra ao sensor. Para combater essa dificuldade, os pesquisadores usaram um algoritmo de rede neural para reconstruir objetos vistos pelo microscópio holográfico. As redes neurais são sistemas de computador que imitam as redes do cérebro humano, contando com dados de treinamento para aprender e melhorar sua precisão ao longo do tempo.

Os pesquisadores descobriram que suas lentes holográficas forneciam imagens de alta resolução que eram mais precisas do que as imagens de um microscópio óptico comum. Eles calcularam que a resolução de suas lentes era de aproximadamente 20 micrômetros (μm). Para contextualizar, uma célula da pele humana tem de 20 a 40 μm de diâmetro; um glóbulo branco é de cerca de 30 μm.

Os pesquisadores veem muitas aplicações para seu micro-LED e redes neurais integrados ao CMOS de última geração, incluindo a reconstrução de objetos microscópicos, como amostras de tecido humano e sementes de plantas.

Eles dizem também que a tecnologia pode ser usada nas câmeras dos atuais smartphones pela modificação do chip de silicone e o software do telefone, convertendo a lente do aparelho em um microscópio portátil de alta resolução.

“Além de seu imenso potencial em holografia sem lentes, nosso novo LED tem uma ampla gama de aplicações possíveis”, disse Rajeev Ram, um dos autores do estudo. “Como seu comprimento de onda está dentro da janela mínima de absorção dos tecidos biológicos (juntamente com sua alta intensidade e área de emissão em nano escala), nosso LED pode ser ideal para aplicações de imagem biológica ou como biossensor, incluindo microscopia de campo próximo e dispositivos CMOS implantáveis.”

O estudo foi publicado no periódico científico Nature Communications.

Fonte: SMART (Singapore–MIT Alliance for Research and Technology).

Artigo original (em inglês) publicado por Paul McClure, na New Atlas.

Sobre o autor
Paul McClure se formou em jornalismo em 2022 e ingressou na New Atlas em 2023. Anteriormente, ele escreveu para várias publicações on-line, em áreas como saúde e bem-estar, entretenimento e cultura popular. Antes de perceber sua paixão pela escrita, Paul trabalhou por muitos anos como enfermeiro de terapia intensiva e advogado de defesa criminal.