Metamaterial

Na física da matéria condensada, o metamaterial (do grego: "além do natural") é um material artificial produzido com propriedades que não existem naturalmente na natureza; um conjunto de vários elementos microscópicos, construídos com um padrão repetitivo, formados com materiais convencionais, tais como metal, plástico, ou polímero.

Os metamateriais derivam suas propriedades a partir de elementos microscópicos padronizados, onde suas propriedades (geometria, tamanho, orientação e, disposição) podem afetar a luz (radiação electromagnética) ou o som de uma maneira não observável em materiais naturais.^[1]

Metamaterial é um material produzido artificialmente, dotado de propriedades físicas que não são encontradas normalmente na natureza, em sua definição regular. O prefixo meta vem do grego e significa "além de", assim a palavra metamaterial designaria materiais que possuem propriedades não naturais. Evidentemente, qualquer propriedade que um metamaterial apresente, por mais estranha que possa parecer, é fisicamente possível e verificada. Entretanto, esse nome reflete a perplexidade da comunidade científica quando encontrou nos materiais referidos propriedades físicas antes consideradas não possíveis e, que normalmente não são encontradas na natureza.

Os metamateriais foram teorizados pela primeira vez num ensaio do físico ucraniano Victor Veselago, em 1968, mas durante muito tempo foram considerados impossíveis por apresentarem propriedades ópticas estranhas, tais como índice de refração negativo e efeito Doppler invertido. Em 2005 engenheiros da Universidade Purdue (nos Estados Unidos) produziram o primeiro "material canhoto" com índice de refração negativa de ondas eletromagnéticas, para ser usado nas telecomunicações.^[2]

O metamateriail opto-eletrônico possui índice de refração negativa de ondas eletromagnéticas, e é formado por nanobarras de ouro dispostas paralelamente.^[2] As nanobarras conduzem todos os elétrons se movendo em conjunto, como se fossem um único objeto (plasmons) na freqüência de infravermelho próximo, com comprimento de onda próximo de 1,5 mícron, como é usado nas comunicações por fibras ópticas.^[2] Quando a luz de um laser chega as nanobarras, é induzida uma "corrente eletro-óptica" no circuito.^[2]

A nanobarra possui comprimento entre 100 e 700 nanômetros e reverte a refração, fenômeno que ocorre quando as ondas eletromagnéticas curvam-se ao passar de um material para outro, que altera a velocidade da luz na passagem.^[2] E o índice de refração é a medida da curva das ondas eletromagnéticas, onde cada material tem um índice próprio de refração, que define o quanto a luz irá diminuir de velocidade quando o atravessa.^[2]

Estes metamaterial torna possível alguns avanços tecnológicos:^[2]

• criação de imagens de objetos menores que o comprimento da luz visível, incluindo moléculas de DNA;^[2]
• desenvolvimento da foto-nanolitografia, permite a construção de pequenos circuitos integrados resultando em computadores mais rápidos, e;^[2]
• antenas e componentes eletrônicos, que usam luz no lugar da eletricidade, para comunicações mais rápidas e transportar de dados a serem processados.^[2]

As propriedades ópticas dos metamateriais proveem de nanoestruturas produzidas em laboratório que atuam no caminho das ondas eletromagnéticas que os atravessam de formas não usuais. Os comprimentos de onda para os quais os metamateriais apresentam tais propriedades dependem diretamente dos tamanhos de suas nanoestruturas, o que significa que o desenvolvimento dessa tecnologia depende diretamente do desenvolvimento de nanotecnologia cada vez mais sofisticada. Os primeiros metamateriais produzidos eram capazes de desviar com índice de refração negativo comprimentos de onda relativamente pequenos, tais como as micro-ondas.

A utilização das propriedades de metamateriais com ondas na faixa da luz visível depende de se conseguir nanoestruturas de aproximadamente 50 nanômetros, o que equivale a 5 átomos em fila (suficiente para refratar a luz verde, que tem aproximadamente 500 nm). Entretanto, o máximo que se conseguiu até o momento (em trabalho do físico Costas Soukoulis, do Ames Laboratory, Iowa) foram nanoestruturas de 100 nm, suficiente para criar um índice de refração de -0,6 para a luz vermelha de 780 nm.^[3][4]

As pesquisas de metamateriais têm recebido grande atenção e investimento de agências governamentais e privadas dadas as incríveis tecnologias que prometem viabilizar. Objetos revestidos de cobertura metamaterial poderiam se tornar invisíveis, pois seriam contornados pela luz visível da mesma forma que uma pessoa é contornada pela corrente de um rio, o que traria óbvias aplicações militares. Super lentes produzidas com metamateriais poderiam permitir que se estude em detalhes inéditos estruturas menores que o comprimento de onda da luz visível, tais como trechos de DNA em uma célula viva, substituindo com vantagens a cristalografia de raios X.

Além do mais, o desenvolvimento de cristais metamateriais que permitissem a manipulação de seus índices de refração em escalas nanométricas possibilitaria a criação de cristais fotônicos, que são chips que trabalhariam com luz ao invés de eletricidade. Chips fotônicos apresentariam ganhos incríveis em desempenho e velocidade de processamento, com consumo e desperdício de energia incrivelmente pequeno, o que permitiria poderosos computadores com baixo custo.^[5][6][7][8]

Um metamaterial "inteligente" composto por matéria ativa foi produzido na China por Chunli Yang e equipe no Instituto de Tecnologia de Harbin, feito a partir de polímeros (monômeros) com memória de forma, dando a capacidade do metamaterial impresso em 4D de se reprogramar para diferentes tarefas sem a necessidade de ferramentas.

Este metamaterial a partir de polímeros pode ser controlada por comando e pode mudar (mágicamente) a: forma, rigidez e, função, semelhante ao canivete suíço que consegue resolver múltiplos problemas.^[9]

Os polímeros com memória de forma, voltam à sua forma original, mas podem incorporar outros materiais para assumir diversos formatos com diferentes estímulos.^[9] Os protótipos sintetizados na China estimulados (por luz, calor, eletricidade ou, campo magnético) podem torcer, enrijecer, ou amolecer.^[9] Além de ter múltiplas formas simultaneamente e alternar entre elas quando necessário (um material quase vivo).^[9]

Referências

• Novo material é o caminho para invisibilidade, dizem cientistas