Pequenas estruturas em micro e nanoescala dentro da superfície de um material são invisíveis a olho nu, mas desempenham um grande papel na determinação física de um material, químico, e propriedades biomédicas.

Ao longo dos últimos anos, Chunlei Guo e sua equipe de pesquisa na Universidade de Rochester encontraram maneiras de manipular essas estruturas irradiando pulsos de laser na superfície de um material. Eles alteraram os materiais para fazê-los repelir a água, atrair água, e absorvem grandes quantidades de luz - tudo sem qualquer tipo de revestimento.

Agora, Guo, Anatoliy Vorobyev, e Ranran Fang, pesquisadores do Instituto de Óptica da Universidade, avançaram a pesquisa mais um passo à frente. Eles desenvolveram uma técnica para visualizar, pela primeira vez, a evolução completa da formação estrutural em micro e nanoescala na superfície de um material, durante e após a aplicação de um pulso de laser.

"Depois de determinarmos que poderíamos alterar drasticamente a propriedade de um material por meio da criação de estruturas minúsculas em sua superfície, o próximo passo natural foi entender como essas estruturas minúsculas foram formadas, "Guo diz." Isso é muito importante porque depois que você entende como eles são formados, você pode controlá-los melhor. "

Ter esse controle abrirá o caminho para melhorias em todos os tipos de tecnologias, incluindo materiais de construção anticorrosivos, absorvedores de energia, células de combustível, telescópios espaciais, degelo de avião, instrumentação médica, e saneamento em países do terceiro mundo.

Em um artigo publicado na revista Nature Light:Ciência e Aplicações , o grupo introduziu uma técnica de imagem de luz espalhada que permite gravar um filme ultrarrápido das maneiras como a radiação laser altera a superfície de um material. A técnica abre uma janela para todo o processo, a partir do momento em que um laser atinge o material até derreter, flutuações superficiais transitórias, e resolidificação resultando em micro e nanoestruturas permanentes.

Atualmente, leva cerca de uma hora para padronizar uma amostra de metal de uma polegada por uma polegada. Identificar como as micro e nanoestruturas se formam tem o potencial de permitir que os cientistas otimizem a criação dessas estruturas - incluindo o aumento da velocidade e eficiência da padronização de superfícies.

Criar e alterar essas pequenas estruturas torna as propriedades intrinsecamente parte do material e reduz a necessidade de revestimentos químicos temporários.

Para produzir esses efeitos, os pesquisadores usam um laser de femtossegundo. Este laser produz um pulso ultrarrápido com duração de dezenas de femtossegundos. (Um femtossegundo é igual a um quatrilionésimo de segundo.)

Mudar as condições do laser causa mudanças nas características morfológicas das estruturas da superfície - como sua geometria, Tamanho, e densidade - levando o material a exibir várias propriedades físicas específicas.

É difícil obter imagens detalhadas e filmes de eventos em micro e nanoescalas porque eles ocorrem durante uma questão de femtossegundos, picossegundos (um trilionésimo de segundo), e nanossegundos (um bilionésimo de segundo).

Para colocar isso em perspectiva:Vorobyev explica que leva cerca de um segundo para a luz viajar da Terra à lua. Contudo, a luz viaja apenas cerca de um pé em um nanossegundo e cerca de 0,3 micrômetro em um femtossegundo, que é uma distância comparável ao diâmetro de um vírus ou bactéria.

Uma câmera de vídeo típica grava uma série de imagens a uma taxa de cinco a 30 quadros por segundo. Ao reproduzir a série de imagens em tempo real, os olhos humanos percebem o movimento contínuo em vez de uma série de quadros separados.

Então, como a equipe de Guo conseguiu gravar quadros em um intervalo de femtossegundos, picossegundos, e nanossegundos? Eles usaram uma técnica envolvendo luz difusa. Durante um pulso de laser de femtossegundo, o feixe é dividido em dois:um feixe de bomba é direcionado ao alvo do material, a fim de causar mudança micro e nanoestrutural, e o segundo feixe de prova atua como um flash para iluminar o processo e gravá-lo em uma câmera CCD - um dispositivo de imagem altamente sensível com recursos de alta resolução.

"Trabalhamos muito para desenvolver esta nova técnica, "Guo diz." Com a luz espalhada pulsando em intervalos de tempo de femtossegundos, podemos capturar as mudanças muito pequenas em uma velocidade extremamente rápida. A partir dessas imagens, podemos ver claramente como as estruturas começam a se formar. "

Guo explica que essa técnica de visualização de luz espalhada tem aplicações para capturar qualquer processo que ocorra em escala de minutos. "A técnica que desenvolvemos não se limita necessariamente a apenas estudar os efeitos de superfície produzidos em meu laboratório. A base que lançamos neste trabalho é muito importante para estudar mudanças ultrarrápidas e minúsculas na superfície de um material." Isso inclui estudar o derretimento, cristalografia, dinâmica de fluidos, e até mesmo atividades celulares.