Polvos e chocos são conhecidos pela sua capacidade de se misturar perfeitamente com o ambiente. Eles podem mudar rapidamente a cor e a textura da pele, uma habilidade que os cientistas há muito tentam replicar em materiais artificiais. Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford relatam um grande avanço. Em um estudo publicado em naturezaeles descrevem um material flexível que pode mudar rapidamente o padrão e a cor da superfície, criando características menores que um fio de cabelo humano.
“A textura é fundamental para a forma como experimentamos os objetos, tanto na aparência quanto na sensação”, disse Siddharth Doshi, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais na Universidade de Stanford e primeiro autor do artigo. “Esses animais podem mudar seus corpos em escalas de quase mícrons, e agora podemos controlar dinamicamente a topografia dos materiais – e as propriedades visuais associadas a eles – na mesma escala”.
A inovação poderá levar a sistemas de camuflagem melhorados para humanos e robôs, bem como a ecrãs flexíveis que mudam de cor para dispositivos vestíveis. Também abre novas portas para a nanofotônica, um campo focado no controle da luz em escalas muito pequenas para uso em eletrônica, criptografia e biologia.
“Não existe outro sistema que seja tão macio e expansível e que possa ser padronizado em escala nanométrica”, disse Nicholas Melosh, professor de ciência e engenharia de materiais e autor sênior do artigo. “Você pode imaginar todos os tipos de aplicações diferentes.”
Como os materiais criam padrões dinâmicos
Para criar essas texturas mutáveis, a equipe combinou a litografia por feixe de elétrons, uma técnica amplamente utilizada na fabricação de semicondutores, com filmes finos de polímeros sensíveis à água. Quando expostas a um feixe de elétrons focado, áreas específicas do filme absorvem mais ou menos. Quando o material absorve água, essas áreas se expandem de forma diferenciada, formando padrões complexos que só aparecem quando o filme está molhado.
Os principais insights surgiram inesperadamente. em um primeiros experimentosDorsey usou microscopia eletrônica de varredura para examinar nanoestruturas em filmes poliméricos. Em vez de descartar as amostras posteriormente, ele as reutilizou. Em testes posteriores, áreas previamente expostas ao feixe de elétrons se comportaram de maneira diferente e apresentaram cores diferentes.
“Percebemos que poderíamos usar esses feixes de elétrons para controlar uma topografia muito fina”, disse Dorsey. “Foi definitivamente acidental.”
Do plano à estrutura 3D
A precisão desta tecnologia permite detalhes extraordinários. Os pesquisadores até criaram uma versão em miniatura do El Capitan no Parque Nacional de Yosemite. Após a secagem, a superfície permanece completamente plana. Depois que a água é adicionada, a estrutura sobe do filme, formando uma forma tridimensional.
Ao ajustar cuidadosamente o quanto o material se expande, a equipe também pode controlar como ele reflete a luz. Isso possibilita alternar entre acabamentos brilhantes e foscos, produzindo efeitos visuais além do que é possível com as telas atuais. O processo é reversível. A adição de um solvente semelhante ao álcool remove a água e retorna o material a um estado plano.
O mesmo método também pode produzir padrões de cores complexos. Ao colocar finas camadas de metal em ambos os lados do polímero, os pesquisadores criaram estruturas chamadas ressonadores Fabry-Perot, que podem selecionar comprimentos de onda específicos de luz. Quando o filme se expande ou contrai, ele exibe cores diferentes. Com o equilíbrio certo entre água e solvente, uma superfície plana pode ser transformada em uma série de padrões vibrantes.
“Ao controlar dinamicamente a espessura e a morfologia dos filmes de polímero, você pode obter uma variedade de belas cores e texturas”, disse Mark Brongersma, professor de ciência e engenharia de materiais e autor sênior do artigo. “A introdução de materiais macios que podem expandir, contrair e mudar de forma abre uma caixa de ferramentas totalmente nova no mundo da óptica para manipular a aparência dos objetos.”
Aplicações futuras de camuflagem e robótica
Quando múltiplas camadas desses filmes são combinadas, os pesquisadores podem ajustar independentemente a cor e a textura, permitindo que o material se misture ao ambiente como um polvo (embora não sem algumas tentativas e erros).
Atualmente, a correspondência de fundo requer ajuste manual dos níveis de água e solvente. A equipe espera automatizar esse processo adicionando sistemas de visão computacional e inteligência artificial que possam analisar o ambiente e ajustar os materiais instantaneamente.
“Esperamos poder controlar isto através de uma rede neural, basicamente um sistema baseado em inteligência artificial que compara a pele com o seu fundo e depois ajusta-a automaticamente para corresponder em tempo real, sem intervenção humana”, disse Dorsey.
Além da Pretensão: Novas Possibilidades
Os usos potenciais vão muito além da camuflagem. O controle preciso da textura da superfície pode ajudar a regular o atrito, permitindo que pequenos robôs agarrem ou deslizem pelas superfícies. Na escala nanométrica, mudanças na estrutura também podem afetar o comportamento celular, abrindo possíveis aplicações em bioengenharia. A equipe está até trabalhando com artistas para explorar usos criativos do material.
“Pequenas mudanças nas propriedades dos materiais macios em distâncias micrométricas são finalmente possíveis, e isso abre todos os tipos de possibilidades”, disse Melosh. “Acho que muitas coisas interessantes vão acontecer.”
Equipe de pesquisa e suporte
Por cortesia, Broungsma é professor de física aplicada. Membro da Stanford Bio-X, da Wu Tsai Alliance for Human Performance e do Wu Tsai Neuroscience Institute; e afiliado do Precourt Institute for Energy Research.
Melosh é membro do Stanford Bio-X e do Wu Tsai Neuroscience Institute; uma afiliada do Precourt Institute for Energy Research; e membro do corpo docente da Sarafan ChEM-H.
Outros coautores do estudo em Stanford incluem Hong She e Alberto Salleo, professor Vivian WM Lim e professor de ciência fotônica; Professora Associada Polly Fordyce; os bolsistas de pós-doutorado Nicholas A. Güsken e Gerwin Dijk; Jennifer E. Ortiz-Cárdenas, diretora da Stanford Microfluidics Foundry; e os estudantes de pós-graduação Johan Carlström, Peter Sohanuki Carlström e Peter Sohan.
Este trabalho foi financiado por uma Stanford Graduate Fellowship, uma Meta Doctoral Fellowship, o Stanford Wu Tsai Human Performance Consortium, a Joe and Clara Tsai Foundation, a Academia Nacional Alemã de Ciências Leopoldina, o Departamento de Energia, o Escritório de Pesquisa Patrocinada da Força Aérea e a National Science Foundation.
