Imagem operando em alta velocidade no infravermelho próximo durante sinterização a laser de nanopartículas para medições de temperatura resolvidas no tempo e no espaço

Observando Materiais Aquecerem em Tempo Real

De peças metálicas impressas em 3D a eletrônicos de próxima geração, muitas tecnologias avançadas dependem de lasers para fundir pequenas partículas em materiais sólidos e duráveis. Mas durante esses processos extremamente rápidos, a quantidade mais importante — a temperatura real do material — tem sido muito difícil de medir com resolução espacial e temporal. Este estudo apresenta um sistema compacto de imageamento capaz de observar aumentos e quedas de temperatura em pontos microscópicos em menos de um milésimo de segundo, abrindo caminho para um controle melhor de como materiais de alto desempenho são fabricados.

Por Que Pontos Quentes Minúsculos Importam

A sinterização a laser funciona ao concentrar um feixe sobre uma cama ou pastilha de pó para que as partículas aqueçam, se fundam e se densifiquem em um sólido. Especialmente para nanopartículas semicondutoras e óxidas, como dióxido de titânio, o tamanho de grão resultante, poros e até trincas são governados pela história precisa de temperatura ao longo de apenas alguns milissegundos e alguns micrômetros. Se estiver frio demais, o material permanece poroso; quente demais ou por tempo excessivo, e pode rachar ou até ablar. Câmeras infravermelhas convencionais frequentemente não têm nem a velocidade nem o detalhe espacial para capturar o que ocorre nesses pontos quentes minúsculos, e termopares não podem ser posicionados diretamente na região ativa. Os autores, portanto, recorreram à luz no infravermelho próximo e a uma câmera de alta velocidade para rastrear a temperatura sem tocar a amostra.

Transformando Emissão Térmica em Mapas de Temperatura

Qualquer objeto quente emite no infravermelho, e nas temperaturas elevadas relevantes para a sinterização a laser, uma parte significativa dessa emissão cai na faixa do infravermelho próximo, logo além do vermelho visível. A equipe modificou uma câmera de alta velocidade comercial baseada em sensor de silício, removeu seu filtro embutido e a equipou com uma objetiva de microscópio otimizada para o infravermelho próximo. Um filtro passa‑alto bloqueia luz visível e ultravioleta — incluindo o próprio laser e qualquer fluorescência — para que a câmera registre apenas a emissão térmica do material aquecido. Para traduzir brilho em temperatura real, calibraram cuidadosamente o sistema usando uma pastilha de dióxido de titânio aquecida sobre uma placa cerâmica, com a temperatura monitorada por um termopar e um pirômetro. Ajustando uma equação radiométrica padrão a esses dados, obtiveram uma curva de conversão que transforma a intensidade de cada pixel em temperatura, com precisão adequada para temperaturas entre aproximadamente 600 °C e 900 °C a mais de mil quadros por segundo.

Ampliando Pontos Quentes Rápidos e Pequenos

As ópticas do microscópio proporcionam uma resolução espacial melhor que 10 micrômetros — suficiente para resolver o ponto de laser de aproximadamente 9 micrômetros na pastilha. Testes com uma régua microscópica calibrada mostraram que características espaçadas a apenas 10 micrômetros podiam ser claramente distinguidas, mesmo com a câmera observando a amostra em um ângulo de 45 graus. Ao mesmo tempo, a câmera pode registrar mais de mil quadros por segundo em full‑frame e, com campo de visão reduzido, quase dezesseis mil quadros por segundo. Essa combinação permitiu aos pesquisadores acompanhar a evolução temporal da temperatura do ponto quente enquanto variavam tanto a potência quanto a duração do pulso durante a sinterização ressonante por laser ultravioleta de nanopartículas de dióxido de titânio.

Como o Calor Molda o Material Final

Com o sistema calibrado, a equipe mediu como a temperatura do ponto quente responde a pulsos de laser de diferentes potências e durações. Eles observaram uma elevação de temperatura muito rápida no primeiro milissegundo de exposição, seguida por uma leve queda até um platô que perdura pelo restante do pulso, e então um resfriamento igualmente rápido quando o laser é desligado. Ajustando a potência do laser, era possível elevar ou reduzir a temperatura do platô; alterando o comprimento do pulso, controlavam quanto tempo o material permanecia quente. Em experimentos de alta potência, as taxas estimadas de aquecimento e resfriamento alcançaram milhões de graus por segundo. Imagens de microscopia eletrônica de varredura dos pontos sinterizados revelaram que esses perfis tempo‑temperatura se correlacionam diretamente com a microestrutura: potências moderadas produziram regiões quase totalmente densas, enquanto potências maiores introduziram poros, ondulações e, eventualmente, trincas ou até sinais de remoção de material. A extensão espacial da densificação coincidiu com a região que experimentou as maiores temperaturas medidas.

Uma Nova Janela para a Fabricação Rápida

Em termos práticos, os autores construíram um "microscópio" térmico de alta velocidade que pode observar um pequeno trecho de material aquecer e esfriar enquanto um laser funde nanopartículas em um sólido. Ao vincular esses filmes detalhados de temperatura à estrutura interna final, o trabalho mostra como fabricantes poderiam ajustar potência e temporização do laser como botões para obter propriedades desejadas evitando danos. Como o sistema é compacto, baseado em componentes padrão, e funciona em temperaturas muito altas, ele pode ser integrado a uma ampla variedade de arranjos de fabricação a laser e até combinado com instrumentos de raios‑X. Em última análise, essa abordagem nos aproxima de materiais feitos sob medida cuja estrutura é moldada com precisão de milissegundos e micrômetros.

Citação: Schulte, J., Schroer, M.A. & Winterer, M. Operando high speed near infrared imaging during laser sintering of nanoparticles for time and space resolved temperature measurements. Sci Rep 16, 8158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37445-7

Palavras-chave: sinterização a laser, imageamento no infravermelho próximo, termografia de alta velocidade, nanopartículas, fabricação aditiva