Um material nano-arquitetado recém-criado exibe uma propriedade que anteriormente era apenas teoricamente possível: ele pode refratar a luz para trás, independentemente do ângulo em que a luz atinge o material.
Essa propriedade é conhecida como refração negativa e significa que o índice de refração – a velocidade que a luz pode viajar através de um determinado material – é negativo em uma porção do espectro eletromagnético em todos os ângulos.
A refração é uma propriedade comum em materiais; pense na maneira como um canudo em um copo de água parece deslocado para o lado, ou na maneira como as lentes dos óculos focalizam a luz. Mas a refração negativa não envolve apenas o deslocamento da luz alguns graus para um lado. Em vez disso, a luz é enviada em um ângulo completamente oposto àquele em que entrou no material. Isso não foi observado na natureza, mas, a partir da década de 1960, teorizou-se que ocorresse nos chamados materiais artificialmente periódicos – ou seja, materiais construídos para ter um padrão estrutural específico. Só agora os processos de fabricação alcançaram a teoria para tornar a refração negativa uma realidade.
“A refração negativa é crucial para o futuro da nanofotônica, que busca entender e manipular o comportamento da luz quando interage com materiais ou estruturas sólidas nas menores escalas possíveis”, diz Julia R. Greer, professora Ruben F. e Donna Mettler do Caltech. de Ciência dos Materiais, Mecânica e Engenharia Médica, e um dos autores seniores de um artigo que descreve o novo material. O artigo foi publicado na Nano Letters em 21 de outubro.
O novo material alcança sua propriedade incomum por meio de uma combinação de organização em nano e microescala e a adição de um revestimento de um filme fino de germânio metálico por meio de um processo demorado e trabalhoso. Greer é um pioneiro na criação de tais materiais nano-arquitetados, ou materiais cuja estrutura é projetada e organizada em escala nanométrica e que, consequentemente, exibem propriedades incomuns, muitas vezes surpreendentes – por exemplo, cerâmicas excepcionalmente leves que voltam à sua forma original, como uma esponja, depois de comprimida.
Sob um microscópio eletrônico, a estrutura do novo material se assemelha a uma rede de cubos ocos. Cada cubo é tão pequeno que a largura das vigas que compõem a estrutura do cubo é 100 vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano. A treliça foi construída usando um material polimérico, que é relativamente fácil de trabalhar na impressão 3D, e depois revestida com o metal germânio.
“A combinação da estrutura e do revestimento confere à estrutura essa propriedade incomum”, diz Ryan Ng (MS ’16, Ph.D. ’20), autor correspondente do artigo da Nano Letters. Ng conduziu esta pesquisa enquanto estudante de pós-graduação no laboratório de Greer e agora é pesquisadora de pós-doutorado no Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia na Espanha. A equipe de pesquisa concentrou-se na estrutura e no material da treliça do cubo como a combinação certa por meio de um processo meticuloso de modelagem por computador (e o conhecimento de que o gerânio é um material de alto índice).
Para obter o polímero revestido uniformemente nessa escala com um metal exigiu que a equipe de pesquisa desenvolvesse um método totalmente novo. No final, Ng, Greer e seus colegas usaram uma técnica de sputtering na qual um disco de germânio foi bombardeado com íons de alta energia que explodiram átomos de germânio do disco e na superfície da estrutura do polímero. “Não é fácil obter um revestimento uniforme”, diz Ng. “Levou muito tempo e muito esforço para otimizar esse processo.”
A tecnologia tem aplicações potenciais para telecomunicações, imagens médicas, camuflagem de radar e computação.
Na observação de 1965, o ex-aluno da Caltech Gordon Moore (Ph.D. ’54), membro vitalício do Conselho de Curadores da Caltech, previu que os circuitos integrados seriam duas vezes mais complicados e metade mais caros a cada dois anos. No entanto, devido aos limites fundamentais de dissipação de energia e densidade de transistor permitidos pelos atuais semicondutores de silício, a escala prevista pela Lei de Moore deve terminar em breve. “Estamos chegando ao fim de nossa capacidade de seguir a Lei de Moore; tornando os transistores eletrônicos tão pequenos quanto possível”, diz Ng. O trabalho atual é um passo para demonstrar as propriedades ópticas que seriam necessárias para permitir circuitos fotônicos 3D. Como a luz se move muito mais rapidamente que os elétrons, os circuitos fotônicos 3D, em teoria, seriam muito mais rápidos que os tradicionais.
O artigo da Nano Letters é intitulado “Mapeamento de dispersão em treliças de cristal fotônico de núcleo-casca tridimensionais capazes de refração negativa no infravermelho médio”.
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