Olografia a speckle dinamica: una tecnica ottica altamente efficace che combina imaging e dispersione

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Questa tecnica, presentata in un articolo pubblicato su Physical Review Letters, è in grado di rilevare spostamenti fino a 10 nanometri su diversi centimetri, superando in modo significativo le tecniche di imaging convenzionali.

“DSH è nato nel Weitzlab di Harvard, dove ho svolto il mio postdoc tra il 2018 e il 2020”, ha detto a Tech Xplore Stefano Aime, il ricercatore principale dello studio.

“Uno dei miei progetti post-dottorato riguardava la propagazione della frattura nei mezzi porosi, che mi ha affascinato anche se era piuttosto distante dal mio background scientifico. Da estraneo, ho iniziato a guardare gli esperimenti di altre persone e a chiedermi cosa stesse provocando la frattura, cosa ne ha dettato la direzione e la velocità, cosa è successo vicino a un confine o a un difetto e questioni simili”.

Quando Aime ha iniziato a fare ricerche sulla propagazione della frattura, il suo supervisore accademico Dave Weitz lo ha incoraggiato a fidarsi della sua curiosità e a condurre i propri esperimenti, piuttosto che cercare semplicemente risposte nella letteratura esistente. Dopo aver acquisito una buona comprensione della diffusione della luce, ha quindi iniziato a sperimentare diverse tecniche e approcci.

“Un giorno ho deciso di puntare un laser sul campione incrinato e registrare un video della luce diffusa”, ha spiegato Aime.

“La configurazione ottica che ho impiegato era identica all’imaging di correlazione fotonica, quindi niente di particolarmente nuovo in sé. Tuttavia, il risultato è stato sorprendente. Quello che ho trovato è stato un divertente motivo a farfalla, che si muoveva con la punta della fessura e si estendeva in profondità nel materiale , lontano dalla fessura, dove non si poteva osservare alcun movimento nemmeno al microscopio. Non avevo idea di quale fosse quel segnale, ma pensavo che fosse carino e che valesse la pena indagare.”

Durante i suoi esperimenti, Aime si rese conto che il segnale osservato era una generalizzazione di un altro fenomeno studiato durante il dottorato, ovvero il segnale derivante dalla deformazione elastica di un campione proiettato sul vettore di diffusione.

Questa realizzazione lo ha ispirato a sviluppare una nuova tecnica che utilizza due laser e due fotocamere per misurare l’intero campo di deformazione 3D di un campione. Usando la tecnica che ha sviluppato, Aime è stato in grado di imparare molto di più sulla propagazione della frattura rispetto a quello che avrebbe imparato se avesse semplicemente esaminato la letteratura esistente.

“L’illuminazione mediante luce laser dà sempre un’immagine molto diversa rispetto alla luce normale”, ha detto a Tech Xplore Lizhi Xiao, un’altra ricercatrice coinvolta nello studio.

“Questo perché la coerenza della luce laser e alcune piccole caratteristiche possono produrre punti luminosi che luccicano. È stato emozionante rendersi conto che tali scintillii (o macchioline) possono essere combinati con l’imaging per ottenere DSH per osservare i ceppi minuscoli e la loro propagazione.”

L’olografia è una tecnica che mira a ricostruire la forma completa di un oggetto 3D da immagini 2D di esso

L’idea alla base di DSH è simile: ogni vettore di scattering (cioè combinazione di raggio laser in ingresso + diaframma/obiettivo/fotocamera) consente di sondare una proiezione del campo di spostamento.

“Ricostruiamo l’intero campo di spostamento tridimensionale combinando le informazioni ottenute con diversi vettori di scattering (4 combinazioni di 2 raggi laser in ingresso e 2 set di ottiche di raccolta)”, ha affermato Aime.

“Questo è ciò che rende DSH una tecnica olografica. Non nel senso standard (non ricostruisce alcun oggetto 3D), ma in un senso generalizzato (ricostruisce i campi di spostamento 3D).”

Quando si utilizza l’olografia convenzionale, le superfici degli oggetti esaminati riflettono la luce laser

Tuttavia, quando un oggetto è trasparente, come acqua o plastica trasparente, la luce che arriva al rilevatore proverrà solo dalla riflessione del laser su particelle o superfici incrinate. La dimensione di questi riflessi può essere molto piccola e impossibile da rilevare utilizzando i microscopi convenzionali.

“Quando caratteristiche così piccole si spostano a una distanza paragonabile alla lunghezza d’onda della luce, il modello di interferenza può cambiare e quindi tradurre il movimento in intensità della luce”, ha detto Xiao.

“Si può pensare al DSH, la tecnica sviluppata da Stefano, come a un trasduttore molto sensibile per convertire il movimento/deformazione meccanico in luce”.

DSH combina l’imaging e la diffusione per creare mappe 3D di spostamenti di appena dieci nanometri su campi visivi di diversi centimetri.

Per ottenere ciò, la tecnica di Aime mette in correlazione le immagini dei modelli di macchiolina della luce laser diffusa dal campione esaminato.

“Il decadimento della correlazione temporale può essere convertito in un movimento locale submicronico, la cui ampiezza e direzione possono essere ricostruite con precisione sfruttando l’illuminazione simultanea da tre sorgenti laser”, ha detto Aime.

“Poiché il DSH si basa sull’interferenza con il movimento della sonda, è sensibile a spostamenti molto più piccoli rispetto a qualsiasi altra tecnica di imaging, poiché questi metodi si basano tutti sul rilevamento del movimento delle caratteristiche nell’immagine”.

I principali vantaggi della tecnica sviluppata da Aime e dai suoi colleghi sono l’elevata sensibilità e l’ampio campo visivo

Queste due caratteristiche consentono al DHS di superare significativamente le prestazioni dei sistemi di imaging tradizionali, aprendo nuove interessanti possibilità per lo studio di una serie di fenomeni fisici caratterizzati da movimenti minuti correlati su distanze macroscopiche, tra cui il flusso di fluido e le instabilità meccaniche.

“L’osservazione di Stefano della propagazione della frattura utilizzando la tecnica che ha sviluppato è sorprendente”, ha detto Xiao.

“Il fenomeno della fratturazione si verifica in così tanti campi e ha molte applicazioni. Tuttavia, è in effetti molto difficile studiare il processo di fratturazione nei materiali perché la maggior parte dei materiali reali sono opachi alla luce”.

La propagazione della frattura (cioè la propagazione fisica di crepe attraverso materiali o oggetti) può verificarsi molto rapidamente nei materiali duri

La velocità di propagazione delle fratture può dipendere anche da diverse proprietà di un materiale, come l’eterogeneità, il piano di stratificazione, la pressione di confinamento, le deformazioni interne, la pressione dei pori del fluido e la permeabilità. Lo studio delle fratture nei materiali geologici è di fondamentale importanza sia per la ricerca geoscientifica che per la produzione industriale.

La nuova tecnica sviluppata da Aime ha già portato a una migliore comprensione della propagazione della frattura. In futuro, potrebbe essere utilizzato da altri team in tutto il mondo per studiare ulteriormente i meccanismi di frattura in materiali duri e porosi.

“Questo lavoro è solo l’inizio, poiché ci sono molti esperimenti DSH che potremmo condurre su fratture che si propagano in ambienti eterogenei, che stiamo attualmente analizzando, per imparare qualcosa di nuovo”, ha detto Aime.

“Un anno fa mi sono trasferito a Parigi, dove ho iniziato nuovi progetti, ancora una volta in una direzione diversa. Eppure, la maggior parte dei miei progetti post-dottorato sono ancora in corso: sono troppo divertenti per essere lasciati indietro. E Credo che il meglio debba ancora venire!”

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