Metamaterial é um material produzido artificialmente, dotado de propriedades físicas que não são encontradas normalmente na natureza. O prefixo meta vem do grego e significa além de. A palavra metamaterial, assim, designaria materiais que possuiriam propriedades não naturais. Evidentemente, qualquer propriedade que um metamaterial apresente, por mais estranha que possa parecer, é fisicamente possível, caso contrário não seria 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.
Histórico
Os metamateriais foram teorizados pela primeira vez num ensaio do físico soviético Victor Veselago, em 1967, mas durante muito tempo foram considerados impossíveis por apresentarem propriedades ópticas estranhas, tais como índice de refração negativo e efeito Doppler invertido. Foi em 2006 que pesquisadores da Universidade Duke, na Carolina do Norte, e do Imperial College, de Londres, provaram que é possível sintetizar materiais que apresentem índices de refração negativos.
Tecnologia e aplicações
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 500nm).
Entretanto, o máximo que se conseguiu até o momento (em trabalho do físico Costas Soukoulis, do Ames Laboratory, Iowa) foram nanoestruturas de 100nm, suficiente para criar um índice de refração de -0,6 para a luz vermelha de 780nm. 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.
Metamateriais podem oferecer invisibilidade
2011 - Por Renan Hamann. Pesquisas do MIT sugerem que com a utilização de materiais artificiais será possível criar invisibilidade para pequenos objetos. Metamateriais são elementos criados artificialmente, possuindo uma série de propriedades que não poderiam ser encontradas em elementos químicos da natureza. Uma dessas propriedades é a invisibilidade, que nenhum material conhecido pelos homens pode reproduzir. Sim, metamateriais podem!
Pelo menos é o que afirmam alguns pesquisadores do MIT (Massachusetts Institute of Technology). Eles dizem que com a utilização de materiais produzidos em laboratório já está sendo possível criar pequenos campos de invisibilidade. Os testes já apontam para resultados satisfatórios com objetos com cerca de 100 micrômetros.
A luz passa diretamente pelos materiais (Fonte da imagem: National Science Foundation)
A invisibilidade só é possível porque os elementos utilizados conseguem dobrar a luz em pequenos nós que não são percebidos pelo olho humano. Por enquanto, os objetos que puderam ficar invisíveis já não podiam ser vistos a olho nu. Mas as pesquisas continuam evoluindo e, em um futuro não muito distante, devem permitir que os resultados melhores.
Mais avanços nas pesquisas
Na Universidade de Illinois, outras pesquisas começam a mostrar resultados. O grupo responsável desenvolveu selos com dimensões de algumas polegadas com um novo material capaz de camuflar qualquer objeto, tornando impossível a sua visualização.
Ainda estamos muito longe das “Capas da Invisibilidade” dos livros do Harry Potter, mas é preciso admitir que os estudos avançam de uma maneira bastante promissora. Quem sabe em alguns anos será possível tornar invisíveis objetos maiores do que alguns poucos centímetros.
Metamaterial focaliza ondas de som como a lente de uma câmera
2012 - Engenheiros projetaram um novo tipo de material artificial - um metamaterial - capaz de manipular uma ampla gama de ondas acústicas usando um único dispositivo muito simples.
O feito mereceu a capa da renomada revista Journal of Applied Physics. A invenção irá beneficiar quase todas as aplicações sônicas e ultra-sônicas atuais, tais como exames médicos de ultra-som e testes ultra-sônicos não destrutivos.
Metamateriais sônicos
Metamateriais ópticos têm sido amplamente estudados para aplicações como mantos da invisibilidade e lentes perfeitas. Embora ondas acústicas e ondas eletromagnéticas sejam muito diferentes, os princípios básicos dos metamateriais ópticos aplicam-se aos metamateriais acústicos. As estruturas artificiais, conhecidas como metamateriais, são criadas em padrões que curvam a onda acústica, direcionando-a para um ponto único. Em seguida, a onda acústica é reorientada para formar um feixe que pode ser mais largo ou mais estreito, dependendo da direção de deslocamento.
O dispositivo - tecnicamente um modificador de abertura acústico - foi construído com cristais fonônicos com índice de refração variável, um nome pomposo para uma matriz de pinos de aço incorporados em epóxi, segundo um padrão cuidadosamente calculado. Os obstáculos - os pinos de aço - diminuem a velocidade da onda acústica, fazendo-a compor feixes curvos.
Terapias ultra-sônicas
Segundo Sz-Chin Steven Lin, idealizador do novo dispositivo, embora outros tipos de metamateriais acústicos também possam concentrar ou desfocar um feixe acústico, o novo aparelho possui a vantagem de ser pequeno e ter uma elevada conservação de energia. Hoje, cientistas e médicos precisam de vários transdutores de tamanhos diferentes para produzir ondas acústicas com aberturas diferentes. É algo parecido a ter que trocar as lentes de uma câmera para mudar a abertura da lente.
Com este novo metamaterial acústico, a abertura desejada poderá ser facilmente obtida apenas alterando o modificador de abertura acústico ligado ao transdutor.O dispositivo também deverá permitir o desenvolvimento de novas terapias ultra-sônicas de alta intensidade mais precisas e mais eficientes. Essa técnica não-invasiva de calor pode ser usada no combate a uma variedade de cânceres e doenças neurológicas.
Metamateriais produzem hologramas e partem para mudar a Óptica
2012 - Meta-holograma - Menos de uma semana depois do anúncio de que os metamateriais podem ser usados para criar ferramentas opticamente ativas, manipulando a luz de uma forma inédita, esses materiais sintéticos voltam às manchetes com outra inovação de peso. Cientistas conseguiram pela primeira vez criar hologramas usando os metamateriais. Stéphane Larouche e seus colegas da Universidade Duke, nos Estados Unidos, criaram hologramas similares aos usados em cartões de crédito e selos de identificação de produtos, funcionais no comprimento de onda infravermelho.
Embora o protótipo tenha sido construído para um comprimento de onda específico, os pesquisadores afirmam que os princípios usados para projetar e construir o metamaterial gerador de hologramas poderão ser usados para controlar a luz em praticamente todas as frequências.
Manipulando a luz à vontade
O feito mostra o ritmo de desenvolvimento atingido por um campo de pesquisas cujos primeiros resultados práticos têm pouco mais de 10 anos - os chamados materiais canhotos, ou materiais com índice negativo de refração, só foram previstos pela teoria em 1968. Enquanto a óptica passou séculos limitada a lentes e espelhos que pouco mais conseguiam do que fazer a luz fazer curvas de 90 graus, agora é possível dizer que os cientistas estão muito próximos de serem capazes de literalmente manipular a luz à vontade. Enquanto os materiais encontrados na natureza são "bem comportados" no que se refere à sua forma de interagir com a luz, os metamateriais - estruturas sintéticas, projetadas e construídas pelo homem, usando vários elementos - fazem verdadeiras estripulias com a luz. Sua aplicação mais conhecida é nos chamados mantos da invisibilidade.
Holograma com metamateriais
O metamaterial holográfico, embora funciona como uma lente, controlando a direção dos raios de luz que o atravessam, não se parece em nada com uma lente convencional. Enquanto as lentes são feitas de materiais transparentes, como vidro ou plástico, e altamente polidos, o mecanismo artificial de manipulação da luz mais se parece com uma persiana miniaturizada. Ele é feito com pequenas tiras de silício, sobre as quais são estampadas figuras geométricas feitas de metal, formando uma estrutura periódica.
Como essas figuras metálicas podem ser dispostas em qualquer formato, dependendo das propriedades ópticas desejadas, a capacidade de manipulação da luz do novo metamaterial praticamente não tem limites. "Além dos hologramas, a técnica que desenvolvemos pode ser estendida facilmente para uma enorme variedade de dispositivos ópticos," resume Larouche. "Nós acreditamos que praticamente qualquer dispositivo óptico possa se tornar mais eficiente usando esta nova abordagem."
Nova técnica produz metamateriais por automontagem
2011 - Automontagem 3D - Mesmo com todo o seu potencial para criar mantos da invisibilidade, escudos de som e até mecanismos de expansão do espaço, os metamateriais têm lá suas dificuldades. Como são materiais artificiais, projetados para serem diferentes de qualquer coisa que exista na natureza, eles precisam ser praticamente "feitos à mão" - na verdade, projetados e fabricados para cada aplicação específica. Ou, pelo menos, precisavam, porque agora já há um método bem mais simples e rápido. Kahyun Hu e seus colegas da Universidade Cornell, nos Estados Unidos, acabam de criar uma técnica que usa uma espécie de plástico capaz de se automontar em estruturas 3D. E o processo de automontagem mantém as estruturas em nanoescala que estão no cerne do comportamento dos metamateriais, ou seja, estruturas capazes de manipular a luz de formas totalmente "não-naturais".
Copolímeros de bloco
Um polímero - popularmente conhecido como plástico - é formado por moléculas que se organizam em cadeias para produzir um material sólido ou semi-sólido. Mas é possível também juntar duas moléculas de polímero pelas extremidades, de modo que, quando cada elo se encadeia com outro igual a ele mesmo, os dois formam um padrão interligado de formas geométricas que se repetem - planos, esferas, cilindros, ou uma rede trançada, chamada giroide. Estes são os chamados copolímeros de bloco. É possível complicar ainda mais as coisas, usando tri-polímeros para formar padrões ainda mais complexos. Foi este processo de automontagem que os cientistas usaram para construir seus metamateriais.
Superlentes
O sólido de copolímeros de bloco, contudo, é apenas o molde do metamaterial, que deve ser feito de metal. Primeiro, um produto químico é usado para dissolver um dos polímeros, deixando um molde 3D que pode ser preenchido com um metal, geralmente prata, ouro ou alumínio. A seguir, o outro polímero é também dissolvido, deixando a estrutura metálica porosa com as características exatas de manipulação da luz. Os cientistas afirmam que a técnica é adequada sobretudo para a construção das chamadas superlentes, capazes de produzir imagens de objetos menores do que o comprimento de onda da luz visível, incluindo proteínas, vírus e até moléculas. Os mantos da invisibilidade, obviamente, são outra possibilidade. Os pesquisadores afirmam que sua nova técnica tem potencial para alavancar o já bem acelerado processo de desenvolvimento de novas aplicações para os metamateriais.
PARTE 2