Quando a poeira gruda nas superfícies ou uma lagartixa atravessa o teto, é graças ao que os cientistas chamam de “cola invisível da natureza”. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, desenvolveram uma maneira rápida e simples de observar essas forças ocultas que mantêm unidos os menores objetos do universo. Ao combinar ouro, água salgada e luz, estabeleceram uma plataforma especial onde estas forças podem realmente ser vistas como padrões coloridos.
A estudante de doutorado Michaela Hošková demonstra o dispositivo em um laboratório de física na Chalmers University of Technology. Ela segurava um recipiente de vidro cheio de milhões de minúsculos flocos de ouro suspensos numa solução salina. Ela usou uma pipeta para colocar uma gota do líquido em uma placa de vidro revestida de ouro sob um microscópio óptico. Quase imediatamente, os flocos de ouro foram puxados em direção à superfície, mas pararam antes de tocar a superfície, deixando uma lacuna extremamente fina na escala nanométrica. Essas minúsculas cavidades atuam como pequenas armadilhas luminosas, fazendo com que a luz salte para frente e para trás e produza cores vibrantes. Quando a lâmpada halógena do microscópio brilha e é analisada através de um espectrômetro, a luz é separada em diferentes comprimentos de onda. Num monitor conectado, à medida que os flocos se movem pela superfície, eles piscam e mudam entre vermelho, verde e dourado.
Usando luz presa em pequenas cavidades para estudar ‘cola natural’
“O que estamos vendo é como as forças fundamentais da natureza interagem. Com essas pequenas cavidades, podemos agora medir e estudar a força que chamamos de ‘cola natural’ – que mantém os objetos unidos nas menores escalas. Não precisamos intervir no que está acontecendo, apenas observamos o movimento natural dos flocos, “diz Michaela Hošková, estudante de doutorado no Departamento de Física da Universidade de Tecnologia de Chalmers e primeira autora do artigo científico na revista. A plataforma está descrita no PNAS.
Confinar a luz dentro destas cavidades em nanoescala permite aos cientistas explorar o delicado equilíbrio entre duas forças concorrentes: uma que puxa os flocos em direção à superfície e outra que os afasta. Essa atração, conhecida como efeito Casimir, aproxima cada vez mais os flocos de ouro do substrato. As forças eletrostáticas opostas geradas pelas partículas carregadas na solução salina impedem que elas adiram totalmente. Quando essas forças estão perfeitamente equilibradas, ocorre um processo denominado automontagem, criando as cavidades que tornam esse fenômeno visível.
“As forças à nanoescala podem influenciar a forma como diferentes materiais ou estruturas se reúnem, mas ainda não compreendemos totalmente todos os princípios que controlam esta complexa automontagem. Se os entendêssemos totalmente, poderíamos aprender a controlar a automontagem à nanoescala. Ao mesmo tempo, poderíamos obter insights sobre como os mesmos princípios controlam a natureza em escalas maiores, e até mesmo como as galáxias são formadas, “diz Michaela Hošková.
Peças de ouro se transformam em sensores flutuantes
A nova plataforma dos pesquisadores da Chalmers University of Technology é um desenvolvimento adicional de muitos anos de trabalho do grupo de pesquisa do Professor Timur Shegai no Departamento de Física. Depois de descobrirem há quatro anos que um par de folhas de ouro poderia formar um ressonador automontado, os pesquisadores desenvolveram agora um método para estudar uma variedade de forças fundamentais.
Os pesquisadores acreditam que as folhas de ouro automontadas na plataforma atuam como sensores flutuantes que poderiam ser usados em diversos campos científicos, incluindo física, química e ciência dos materiais.
“Este método permite-nos estudar as cargas de partículas individuais e as forças que actuam entre elas. Outros métodos de estudo destas forças requerem frequentemente instrumentação complexa que não pode fornecer informações ao nível das partículas,” disse o líder do estudo, Timur Shegai.
Pode fornecer novos conhecimentos sobre tudo, desde medicamentos a biossensores
Outra forma de utilizar esta plataforma, importante para o desenvolvimento de muitas tecnologias, é compreender melhor como as partículas individuais interagem nos líquidos e permanecem estáveis ou tendem a aderir umas às outras. Poderia fornecer novos insights sobre como os medicamentos se movem pelo corpo ou como criar biossensores ou filtros de água eficazes. Mas também é importante para produtos de uso diário que você não quer amontoar, como maquiagem.
“O facto de esta plataforma nos permitir estudar forças fundamentais e propriedades dos materiais mostra o seu potencial como uma plataforma de investigação realmente promissora”, disse Timur Shegai.
No laboratório, Michaela Hošková abre uma caixa contendo uma amostra do produto acabado da plataforma. Ela segurou-o com uma pinça e mostrou como colocá-lo facilmente no microscópio. Dois finos painéis de vidro contêm tudo que você precisa para estudar a cola invisível da natureza.
“O que mais me entusiasma é que a medição em si é tão bonita e simples. O método é simples e rápido, baseado apenas no movimento dos flocos de ouro e na interação entre a luz e a matéria”, diz Michaela Hošková, que amplia com o seu microscópio os flocos de ouro, cuja cor revela imediatamente as forças em ação.
Como os pesquisadores estudaram a ‘cola invisível da natureza’
Flocos de ouro, com aproximadamente 10 mícrons de tamanho, são colocados em um recipiente com solução salina (ou seja, água contendo íons livres). Quando uma gota da solução é colocada sobre um substrato de vidro coberto com ouro, os flocos são naturalmente atraídos para o substrato e aparecem cavidades de tamanho nanométrico (100-200 nm). A automontagem é o resultado de um delicado equilíbrio entre duas forças: a força de Casimir (um efeito quântico diretamente mensurável que faz com que os objetos se atraiam) e a força eletrostática gerada entre superfícies carregadas em soluções salinas.
Quando uma simples lâmpada halógena ilumina a minúscula cavidade, a luz interna fica presa, como em uma armadilha. Isso permite que os pesquisadores estudem a luz mais de perto usando um microscópio óptico conectado a um espectrômetro. Os espectrômetros separam comprimentos de onda da luz para identificar cores diferentes. Ao alterar a salinidade da solução e monitorar como o floco muda sua distância do substrato, as forças fundamentais em jogo podem ser estudadas e medidas. Para evitar que a solução de salmoura contendo os flocos de ouro evaporasse, os flocos de ouro e as gotículas de salmoura foram selados e depois cobertos com outra placa de vidro.
A plataforma foi desenvolvida no Chalmers Nanofabrication Laboratory Myfab Chalmers e no Chalmers Materials Analysis Laboratory (CMAL).
Mais informações sobre o estudo
O artigo científico Casimir self-assembly: uma plataforma para medir interações superficiais em nanoescala em líquidos foi publicado em PNAS (Anais da Academia Nacional de Ciências). Foi escrito por Michaela Hošková, Oleg V. Kotov, Betül Küçüköz e Timur Shegai, Departamento de Física, Chalmers University of Technology, Suécia, e Catherine J. Murphy, Departamento de Química, Universidade de Illinois, EUA.
A pesquisa foi financiada pelo Conselho Sueco de Pesquisa, pela Fundação Knut e Alice Wallenberg, pelo Vinnova Center 2D-Tech e pela Chalmers University of Technology NanoAdvanced Areas.
