Máquinas em nanoescala convertem luz em trabalho

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/10/2020

É como uma engrenagem maior fazendo girar uma engrenagem menor (na verdade uma única partícula) - tudo mantido coeso e acionado pela luz.
[Imagem: Norbert F. Scherer/University of Chicago]

Partículas são unidas por luz

Físicos desenvolveram uma nova nanomáquina capaz de converter luz laser em trabalho.

Essas máquinas alimentadas por luz se automontam e podem ser usadas para manipulação de cargas minúsculas para aplicações como microfluídica, biochips e classificação de nanopartículas.

"Nosso trabalho aborda uma meta de longa data na comunidade da nanociência de criar máquinas automontantes em nanoescala que possam realizar trabalhos em ambientes convencionais, como líquidos a temperatura ambiente," disse o professor Norbert Scherer, da Universidade de Chicago, nos EUA.

As nanomáquinas pertencem ao campo emergente da chamada matéria óptica, na qual nanopartículas de metal são mantidas juntas pela luz, em vez das ligações químicas que unem os átomos que constituem a matéria típica.

"Tanto a energia para montar a máquina quanto a energia usada para fazê-la funcionar vêm da luz," disse Scherer. "Uma vez que a luz laser é introduzida em uma solução contendo nanopartículas, todo o processo ocorre por conta própria. Embora o usuário não precise controlar ativamente ou direcionar o resultado, isso pode ser feito prontamente para adaptar as máquinas para várias aplicações."

Matéria óptica

Na matéria óptica, um campo de luz laser cria interações entre nanopartículas de metal que são muito menores do que o comprimento de onda da luz. Essas interações fazem com que as partículas se automontem em matrizes ordenadas. Este é um princípio semelhante ao das pinças ópticas e dos raios tratores, nos quais a luz é usada para capturar e manipular partículas, moléculas biológicas e células.

A equipe havia descoberto anteriormente que, quando a matéria óptica é exposta à luz polarizada circularmente, ela gira como um corpo rígido na direção oposta à rotação de polarização. Em outras palavras, quando a luz incidente gira para um lado, o objeto de matéria óptica responde girando para o outro, uma manifestação de "torque negativo".

Os pesquisadores então especularam que poderiam desenvolver uma máquina com base neste novo fenômeno.

Eles conseguiram criando uma máquina de matéria óptica que opera de forma muito semelhante a uma máquina mecânica baseada em engrenagens interligadas. Nessas máquinas, quando uma engrenagem é girada, uma engrenagem de intertravamento menor gira na direção oposta.

A máquina de matéria óptica usa luz polarizada circularmente de um laser para criar uma matriz de nanopartículas que atua como uma engrenagem maior. Esta engrenagem de matéria óptica converte a luz polarizada circularmente em momento orbital, ou angular, um momento que força uma partícula próxima a orbitar a matriz de nanopartículas (a engrenagem) na direção oposta.

Assim como nas máquinas mecânicas convencionais, a eficiência da nanomáquina depende do número de "dentes" da engrenagem.
[Imagem: John Parker et al. - 10.1364/OPTICA.396147]

Eficiência da engrenagem acionada por luz

Os pesquisadores construíram duas nanomáquinas alimentadas por luz laser com comprimento de onda de 600 nanômetros e usando nanopartículas de 150 nanômetros de diâmetro depositadas em água. Eles descobriram que uma engrenagem feita de oito nanopartículas cria uma máquina mais eficiente do que uma engrenagem de sete nanopartículas, o que sugere que a eficiência da máquina pode ser alterada pela construção de engrenagens diferentes.

"Acreditamos que o que demonstramos, com mais refinamento, será útil em nanofluídicos e classificação de partículas," disse o pesquisador John Parker. "Nossas simulações mostram que uma máquina muito maior, feita de muito mais partículas, deve ser capaz de exercer mais potência para a partícula móvel, de modo que é um aspecto de refinamento que prevemos perseguir."

Mais tópicos