Metamateriais quirais reduzirão atrito em nanomáquinas

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Em 2005, dois cientistas brasileiros propuseram a possibilidade teórica da levitação quântica mediante a reversão do efeito de Casimir - quando atração vira repulsão, o resultado é a levitação.

A possibilidade prática foi demonstrada em laboratório pela primeira vez somente em 2009 - veja Levitação quântica é demonstrada pela primeira vez.

O tema é um dos mais importantes para a área das nanomáquinas (NEMS e MEMS). Embora as forças de atrito em nanoescala sejam pequenas em intensidade, elas praticamente inviabilizam o funcionamento de dispositivos mecânicos muito pequenos que, quando chegam a funcionar, desgastam-se muito rapidamente.

Atrito nas nanomáquinas
Agora, um grupo de pesquisadores norte-americanos demonstrou por meio de simulações matemáticas que uma classe de materiais artificiais, conhecidos como metamateriais quirais, pode ser usada para reverter a força de Casimir e eliminar o problema do desgaste prematuro nas nanomáquinas.

A pesquisa demonstra que os metamateriais quirais exercem uma força repulsiva quando colocados muito próximo uns dos outros. A força repulsiva, baseada na inversão da força atrativa de Casimir, poderá permitir a construção de equipamentos em escalas impensáveis atualmente porque, ao se aproximarem, peças muito pequenas simplesmente aderem umas às outras, de forma virtualmente irreversível.

Compreender a importância da descoberta exige um entendimento básico tanto do efeito Casimir quanto da natureza única dos metamateriais quirais.

Efeito Casimir
A força de Casimir, ou efeito Casimir, recebeu esse nome em homenagem ao físico holandês Hendrik Casimir, que postulou a sua existência em 1948. Usando a teoria quântica, Casimir previu que a energia deve existir mesmo no vácuo, o que pode dar origem a forças que atuam sobre corpos postos muito próximos uns dos outros.

Para o caso mais simples de duas placas paralelas, ele postulou que a densidade de energia dentro do espaço entre as duas deve diminuir à medida que a distância diminui - o que implica a necessidade de um trabalho para separar as placas. Alternativamente, pode-se dizer que existe uma força atrativa que puxa uma placa na direção da outra.

As forças de Casimir observadas experimentalmente na natureza têm sido quase sempre de atração e seu efeito mais conhecido é o de tornar inoperantes as micro e nanomáquinas, fazendo suas peças móveis aderirem de forma permanente umas às outras.

Materiais quirais
Os pesquisadores, liderados pelo Dr. Costas Soukoulis, da Universidade de Iowa, propuseram a criação de um efeito de Casimir repulsivo usando metamateriais quirais.

Materiais quirais possuem uma característica interessante: a sua estrutura molecular os impede de se sobreporem a uma cópia invertida deles próprios, da mesma forma que uma mão humana não pode se encaixar perfeitamente em cima de uma imagem invertida de si mesma.

Os materiais quirais são bastante comuns na natureza. A molécula de açúcar (sacarose) é um exemplo. No entanto, os materiais naturais quirais são incapazes de produzir um efeito Casimir repulsivo que seja forte o suficiente para ter uso prático.

Metamateriais quirais
Por essa razão, os pesquisadores voltaram sua atenção para metamateriais quirais - metamateriais têm esse nome porque não existem na natureza, devendo ser fabricados artificialmente em laboratório.

O fato de serem artificiais lhes dá uma vantagem única. "Com materiais naturais, você tem que dispor do que a natureza lhe dá. Com os metamateriais, você pode criar um material exatamente para atender às suas necessidades," explica Thomas Koschny, do Laboratório Ames, que também participou da pesquisa.

Os metamateriais quirais utilizados pelos pesquisadores têm uma estrutura geométrica única que lhes permite mudar a natureza das ondas de energia, tais como aquelas localizadas no espaço entre as duas placas posicionadas do experimento de Casimir, fazendo com que essas ondas exerçam uma força de Casimir repulsiva.

Na prática
O processo funcionou perfeitamente nos modelos de computador. O próximo passo é utilizar as técnicas de fotolitografia para fabricar o metamaterial quiral capaz de produzir o efeito esperado, provavelmente utilizado algum metal ou o semicondutor silício.

Somente então os pesquisadores poderão mensurar o efeito repulsivo gerado e a sua aplicabilidade em nanomáquinas reais.

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