A revolução dos metamateriais

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24/08/2016 A revolução dos metamateriais
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A revolução dos metamateriais
Da refracção negativa à promessa de invisibilidade
O Prémio Nobel da Física de 2010 foi atribuído ao trabalho com o grafeno e ao seu potencial
revolucionário para a electrónica e outras aplicações. O que nos reservará, por sua vez, a recente
descoberta de uma espécie de “electricidade magnética”? E a evolução da produção de
metamateriais com propriedades ópticas “absurdas”, como as que foram concebidas pelo físico
ucraniano Veselago? Paulo Afonso faz uma revisão das promessas de invisibilidade e de outros
tópicos (quase ) de ficção científica.
Grande parte do conforto em que vivemos hoje assenta nos utensílios electrónicos usados
diariamente. Tudo começou, de algum modo, com a descoberta da mecânica quântica e a ulterior
invenção dos transístores e dos circuitos integrados. Naturalmente, num planeta cada vez mais
competitivo, todos procuram encontrar e desenvolver novos materiais com propriedades cada vez
mais mirabolantes, que servem de base a novos produtos e novas soluções de elevado valor
acrescentado. Um pouco por todo o mundo desenvolvido são, pois, vários os institutos e centros de
investigação que se dedicam a estes temas. Em Portugal, também surgem exemplos de tais
esforços, com o primeiro laboratório de nano­fabricação a arrancar, sob a direcção da equipa de
Elvira Fortunato, no Centro de Investigação de Materiais (CENIMAT) da Faculdade de Ciências e
Tecnologias da Universidade Nova de Lisboa. Já em Braga, localiza­se o Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia.
Não espanta, assim, que o Prémio Nobel da Física de 2010 tenha sido atribuído a Andre Geim e Konstantin Novoselov, pelo seu trabalho com o grafeno, uma forma bidimensional de
carbono, cujas características prometem revolucionar a electrónica, possibilitando desde processadores informáticos mais rápidos a uma forma mais eficiente de conduzir o calor.
Por seu lado, os metamateriais representam uma mudança de paradigma no desenvolvimento tecnológico, afirmando­se cada vez mais como candidatos às próximas revoluções
opto­electrónicas. Ao contrário dos materiais naturais, as propriedades dos metamateriais não resultam da sua composição cristalina, mas antes de uma estrutura artificialmente
fabricada para determinado efeito. O objectivo é obter uma melhor performance, batendo os materiais naturais no seu comportamento à escalas do nanómetro. Numa altura em que,
por exemplo, cerca de um décimo do consumo eléctrico anual dos Estados Unidos se deve ao uso dos computadores e da internet (e com tendência para continuar a crescer), é
óbvio que um uso optimizado das propriedades opto­electrónicas poderá trazer ganhos substanciais.
Entre outras aplicações resultantes da refracção negativa (uma das propriedades ópticas dos materiais concebidos por Veselago), discutem­se imagens ultra­ampliadas em
telescópios e microscópios e também mantos de invisibilidade electromagnéticos e seus análogos acústicos, desde sonares a outros usos dos ultra­sons.
Quando se fala dos aviões “invisíveis” aos radares, virá à memória o F­117 Nighthawk, tornado famoso em 1989, na conturbada e polémica invasão norte­americana do Panamá, ou
durante a primeira Guerra do Golfo, em 1991. Tal como outros caças norte­americanos, como o F­22 e o F­35, ou como os bombardeiros B­2, estas aeronaves foram concebidas
para emitir o mínimo de infravermelhos, assim como para reflectir o menos possível as ondas do radar, mesmo a custo de alguma instabilidade no voo. Usam para o efeito materiais
especiais que procuram absorver as ondas radar, que incluem resinas epóxicas de poligrafite.
Estamos ainda longe da invisibilidade pura, mas até aqui foram certamente progressos na física dos materiais que permitiram alguns avanços. Entramos agora na era dos
metamateriais, discutindo­se de seguida alguns exemplos do estado da arte numa e noutra frente.
As propriedades do grafeno
O carbono é um elemento químico que se pode organizar de várias formas: todos conhecemos a
grafite e os diamantes, por exemplo. Descobertas em 1985, são famosas ainda as estruturas
moleculares dos fulerenos ou buckminsterfullerenos, com dimensões da ordem do nanómetro e
formados por moléculas como a C60, a C20 e a C70, já localizadas até no meio interestelar. Já a
grafite dos lápis com que escrevemos é composta por múltiplas camadas empilhadas de grafeno,
que, ao contrário da grafite, é extremamente resistente.
O discurso de entrega do Nobel na Academia de Ciências sueca aludiu às propriedades únicas
deste tipo de cristais de carbono extremamente finos e de forma hexagonal: é muito mais resistente
do que o aço, expansível e flexível, bom condutor eléctrico (tão bom como o cobre) e térmico
(melhor do que a prata), essencialmente transparente, etc.
Pensa­se que a extrema resistência e a espessura monoatómica do grafeno poderiam permitir tecer
uma rede de dormir que pesasse apenas uns miligramas (tanto quanto um dos pêlos do bigode de
um gato que nela se deitasse). Para além destes materiais ultraleves e super­resistentes, na
cerimónia do Nobel referiram­se ainda outras potenciais aplicações do grafeno, que vão de ecrãs
tácteis transparentes a transístores que tornarão os computadores muito mais rápidos do que os actuais (baseados em silício), células solares, sensores de gás, etc. Pensa­se ainda
que os plásticos podem tornar­se condutores misturando­lhes um pouco de grafeno, que adere a superfícies que se podem contorcer, sem perder as suas propriedades electrónicas.
Segundo os especialistas em fulerenos e física do estado sólido, o grafeno parece mais promissor do que os nanotubos de carbono, que são basicamente folhas de grafeno enroladas
numa forma cilíndrica. Quando se fala em telemóveis cada vez mais leves ou em papel electrónico, obviamente há que bater o baixo preço do papel convencional usado em revistas e
jornais. O problema está nas técnicas de fabricação ainda a desenvolver para atingir tais objectivos: como conseguir produzir em substratos transparentes e em larga escala
transístores de filmes finos baseados em nanotubos de carbono e os subsequentes circuitos integrados ? Em Fevereiro, noticiava­se o que parece ser o primeiro circuito integrado
fabricado até hoje com capacidade de lógica sequencial, baseado nos tais transístores de nanotubos de carbono.
Enfim, desde o anúncio da sua descoberta, em 2004, o progresso tem sido notável, mas o grafeno continua igualmente em fase de investigação e não está ainda pronto para produção
em larga escala. Estima­se que dentro de cerca de dez anos se comecem a materializar as primeiras aplicações industriais do grafeno.  
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24/08/2016 A revolução dos metamateriais
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Materiais de Veselago
Nos anos 60, o físico ucraniano Victor Veselago desenvolveu um trabalho teórico original e
fundamental na concepção de materiais com permitividade eléctrica e permissividade magnética
simultaneamente negativas. Para se ter uma ideia da importância destas grandezas físicas, bastadizer que a velocidade da luz num meio se define com base nelas. De uma forma simples, pode
dizer­se que a permitividade eléctrica mede a capacidade de um material de transmitir um campo
eléctrico e de se polarizar em resposta a esse campo. Isto influi, por exemplo, na quantidade de
carga eléctrica que um condensador pode armazenar em função do campo eléctrico aplicado. Já a
permissividade magnética está relacionada com o grau de magnetização adquirido por um material
quando exposto a um campo magnético.
As ondas electromagnéticas a que chamamos “luz visível” podem interagir com materiais e
superfícies através de processos de reflexão, refracção, transmissão, absorção, dispersão, etc.
Uma onda de luz pode entender­se como a propagação de um campo electromagnético através, por
exemplo, do ar, da água, do vidro ou do vácuo. Quando a luz passa, por exemplo, do ar para a água,
sofre refracção, que é causada pela diferente velocidade da luz em cada um destes meios
transparentes. A relação entre os índices de refracção dos meios em questão quantifica os desvios
que a luz irá sofrer em relação à direcção perpendicular à superfície de separação dos meios. A lei de Snell equaciona o que podemos observar, por exemplo, quando as nossas
pernas parecem encolher e ficar tortas ao entrarmos na água da praia. Ora, se a permitividade eléctrica e a permissividade magnética forem negativas, Veselago mostrou que
devemos esperar não apenas uma lei de Snell inversa, mas também efeito de Doppler inverso e radiação de Cherenkov inversa, entre outras consequências bizarras dos materiais
que possuírem tais propriedades.
As lentes de vidro podem curvar a luz (convergindo ou separando os seus raios) porque o vidro tem um índice de refracção maior do que o do ar. Uma lei de Snell inversa poderá ser
muito útil para camuflar um objecto, tornando­o invisível, se for possível conseguir fazer a luz contorná­lo totalmente. A nível dos metamateriais, por enquanto apenas se conseguiram
progressos significativos com microondas e infravermelhos. Embora seja ainda muito cedo, as potenciais aplicações militares são óbvias para os infravermelhos, sendo parte deste
trabalho desenvolvido na Universidade Técnica do Michigan, em que a camuflagem é feita com materiais dieléctricos vítreos.
Ainda no âmbito das ideias de Veselago, concebeu­se também o conceito de “superlentes”, que iriam para além do limite de resolução dos instrumentos ópticos (o limite de difracção).
Normalmente, um microscópio óptico apenas pode observar objectos com dimensões típicas do comprimento de onda da luz visível. As superlentes dos materiais de Veselago
permitiriam, por exemplo, microscopia óptica a nível celular, ou seja, a níveis inferiores aos do comprimento de onda da luz visível.
Porém, os materiais de Veselago não se encontram de forma natural, e durante algum tempo pensou­se que seriam um pouco como os míticos supercristais de semicondutores ou
proteínas a produzir em imponderabilidade (zero­g): o “Unobtainium” (algo como “inob tenível”, em português), como ironizavam alguns norte­americanos.
Os metamateriais
Embora continuemos a não conhecer materiais naturais de Veselago, no inicio deste milénio começaram a surgir metamateriais sintéticos que exibem propriedades similares. A
Universidade da Califórnia em San Diego, a Universidade de Duke e a Universidade de Princeton são exemplos de vanguarda no sector. Já no Imperial College London, Sir John
Pendry tem dirigido os esforços para produzir superlentes e conseguir tornar objectos invisíveis. Esta última ideia implica levar a luz a contornar impecavelmente o objecto que se quer
invisível. Até ao momento, porém, a maioria dos metamateriais que se conseguiram fabricar são relativamente “brutos”, no sentido em que as suas estruturas periódicas são ainda de
dimensões muito grandes quando comparadas com o comprimento de onda da radiação visível. Em qualquer caso, já foi possível camuflar totalmente um objecto metálico que deixou
de ser observável por microondas, ou seja, estas contornaram a sua localização. Claro que, sendo invisível apenas para as microondas (como o radar), o objecto continua visível
para o olho humano, porém o desafio está lançado e a corrida para os mantos de invisibilidade óptica passa pelo desenvolvimento de novos e complexos nanomateriais com índice de
refracção negativo.
As propriedades dos metamateriais até agora construídos dependem do seu ordenamento e da sua estrutura, e não tanto da sua composição. Assim, anéis de cobre, pinos e outros
elementos metálicos e vítreos ressonantes com propriedades indutivas e capacitivas próprias são agrupados em topologias com dimensões que se querem menores do que o
comprimento de onda da radiação (luz) a manipular.
O progresso ocorre passo a passo e, em 2008, a Universidade da Califórnia em Berkeley reportava terem sido fabricados os primeiros metamateriais que, não tendo permitividade
eléctrica e permissividade magnética simultaneamente negativas (não sendo, portanto, verdadeiros materiais de Veselago), exibiam refracção negativa também para a luz vermelha e
sem recorrer a materiais ressonantes (que normalmente absorvem parte significativa da luz incidente).
A camuflagem parece estar, pois, a chegar também à luz visível. A fabricação destes metamateriais em dimensões macroscópicas é ainda apenas um sonho, mas, para além da
Fundação norte­americana para a Ciência, agora os gabinetes para a investigação científica do Exército e da Força Aérea dos Estados Unidos também já co­financiam estes
resultados em Berkeley.
Uma importante aplicação dos metamateriais com índices de refracção negativos prende­se com a redução das interferências em antenas. Em Fevereiro, a Lockeed Martin anunciou
precisamente a construção do protótipo da primeira antena espacial comercializável construída com metamateriais, em conjunto com a Universidade do Estado da Pensilvânia. Com
funcionalidade em bandas mais alargadas do que as suas antenas congéneres, esta primeira aplicação práctica dos metamateriais reforça a confiança no seu potencial. 
Coisas de f(r)icção científica
Numa cena memorável de um dos episódios “velhinhos” de O Caminho das Estrelas, Scotty, o chefe da “casa das máquinas”, volta ao passado para salvar as baleias, deixando
espantado um professor dos nossos tempos com a criação de alumínio transparente. Uma equipa da Universidade de Oxford publicou em Julho de 2009, na revista Nature, os
primeiros resultados sobre a obtenção de alumínio transparente após ser irradiado durante alguns fentossegundos por um laser de raios X de extrema intensidade. O novo material é
apenas transparente a radiação ultravioleta de elevada energia e a sua existência é bastante efémera. Porém, já não é totalmente ficção!
A corrida para a invisibilidade ou a quase não­detecção continua também a nível militar. Em 2010, a Rússia acabou de construir o seu primeiro caça “invisível”, o Sukhoi PAK FA 50, no
desenvolvimento do qual a Embraer esteve quase a participar, no contexto do apetrechamento de novos aviões de última geração para a Força Aérea do Brasil.
Já para se atingir a invisibilidade em relação ao plano de fundo, ao andarmos numa rua, por exemplo, as coisas parecem mais complicadas e ainda literalmente fictícias. As notícias
apresentadas por alguns meios de comunicação social, há uns meses, faziam apenas alusão a um truque “barato”. Imagine que tem uma câmara nas suas costas e um monitor
portátil à sua frente ligado à câmara: dará a impressão de que se pode ver através de si. O mesmo se pode conseguir usando um casaco que sirva como ecrã de projecção.
Em geral, quanto maior o índice de refracção, mais lenta é a propagação da luz e maior a sua deflexão. Para conseguir efectivamente atingir a invisibilidade, será talvez necessário
fabricar um metamaterial com índice de refracção negativo variável no espaço. Estas ideias têm­se expandido a outros campos e merecido sérios estudos em acústica e também naprotecção sísmica de edifícios, embora aí a natureza das ondas seja mecânica. Deflectir ondas de pressão poderia anular a força destrutiva dos sismos, o que, no limite, também teria
aplicações em coletes à prova de bala e armaduras de defesa pessoal. O objectivo é conseguir uma espécie de escudo deflector das ondas sísmicas.
Vale a pena referir, para terminar, que, em 2009, foram produzidos por físicos chineses o que de alguma forma corresponde a “buracos negros” electromagnéticos baseados em
metamateriais. Estes círculos concêntricos de metamateriais nada terão a ver com os seus congéneres gravíticos. Porém, captam omnidirecionalmente toda a radiação de
microondas que neles incide, o que faz pensar em sistemas equivalentes para a luz visível, como excelentes alternativas para colheita de energia solar, libertada depois sob a forma
de calor. 
A magnetricidade
Ao contrário do que se passa com as cargas eléctricas, não se conhecem monopólos magnéticos livres, o que não quer dizer que não possam existir em condições peculiares. Sob o
ponto de vista cosmológico, a teoria da inflação veio acabar com super­abundâncias primordiais de monopólos magnéticos em algumas concepções do pós­Big Bang. Sob o ponto de
vista astrofísico, a mera existência de campos magnéticos galácticos traz­nos o chamado “limite de Parker”, que impõe restrições severas à actual abundância detectável destas
partículas, que se alimentariam da energia dos campos magnéticos galácticos até à sua exaustão.
O desenvolvimento de teorias e ideias em física dos materiais foi em muitas oca siões benéfico para outras áreas da física, incluindo a cosmologia e a astrofísica. No caso do universo
primitivo, julga­se que as transições de fase associadas a sucessivas quebras de simetria (de que resulta o universo mais ordenado e frio em que vivemos) são descritas por
equações similares às que explicam a passagem de um condutor à fase de supercondutor. 
Em 2009, várias equipas europeias observaram o que pode ser considerado como correntes magnéticas num material chamado “gelo de spin”. Esta espécie de magnetricidade não
parece, porém, trazer nada de fundamentalmente novo, a nível de monopólos magnéticos. Quando se adiciona um pouco de energia a este sistema de spins “congelados”,
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introduzem­se excitações que quebram as linhas fechadas entre os pólos norte e sul magnéticos, criando­se um novo pólo magnético sul e outro norte, que se podem mover livre e
dissociadamente. Nesse sentido, a experiência com espalhamento de neutrões no “gelo de spin” revelou que, embora estas excitações se comportem como monopólos magnéticos,
fundamentalmente não o são, pois a sua criação ocorre sempre em pares.
Uma nova era na electrónica?
Segundo físicos do Centro de Nanotecnologia de Londres e da Universidade de Oxford, as cargas “livres” magnéticas do tamanho de átomos surgem no “gelo de spin” com a
aplicação de um campo magnético exterior, que perturba o equilíbrio delicado entre ordem e liberdade estrutural do material. Uma equipa de Berlim usou titanato de disprósio, enquanto
uma equipa de Grenoble usou titanato de holmio, como constituintes do “gelo de spin”.
Nada de novo para a física de partículas, mas quem sabe as aplicações que se lhe poderão seguir, caso se desenvolva o mundo da magnetrónica? Em 1972, Leon Cooper recebeu o
Nobel da Física pelo seu trabalho realizado nos anos 50, acerca de electrões formando e comportando­se como pares. Normalmente, dois electrões deviam repelir­se entre si, mas foi
precisamente a descoberta dos pares de Cooper que abriu as portas para perceber que são as cargas eléctricas duplas que transportam a corrente nos supercondutores!
Como terá dito Faraday, “e para que serve uma criança?” Ou, em português corrente: nunca se sabe para que serve a investigação fundamental, por isso o melhor é continuar a
investigar.
P.A.
 
SUPER 159 ­ Julho 2011
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