A espuma é mais do que aparenta. Literalmente. Um estudo realizado por cientistas de Princeton mostrou que um tipo de espuma há muito estudado por cientistas é capaz de bloquear determinados comprimentos de onda de luz, uma propriedade cobiçada por tecnologia da informação de última geração que usa luz em vez de eletricidade.

Os pesquisadores, integrando experiência da ciência de materiais, química e física, conduziu simulações computacionais exaustivas de uma estrutura conhecida como espuma de Weaire-Phelan. Eles descobriram que essa espuma permitiria que algumas frequências de luz passassem enquanto refletia completamente outras. Este bloqueio seletivo, conhecido como gap fotônico, é semelhante ao comportamento de um semicondutor, o material fundamental por trás de toda a eletrônica moderna devido à sua capacidade de controlar o fluxo de elétrons em escalas extremamente pequenas.

"Isso tem a propriedade que queremos:um espelho omnidirecional para uma determinada faixa de frequências, "disse Salvatore Torquato, professor de química e do Instituto de Ciência e Tecnologia de Materiais de Princeton. Torquato, o Professor Lewis Bernard de Ciências Naturais, publicou os resultados em 6 de novembro no Proceedings of the National Academy of Science , com os co-autores Michael Klatt, um pesquisador de pós-doutorado, e o físico Paul Steinhardt, quem é Albert Einstein Professor em Ciências de Princeton.

Embora vários exemplos de lacunas de banda fotônica tenham sido mostrados anteriormente em vários tipos de cristais, os pesquisadores acreditam que sua nova descoberta é o primeiro exemplo em uma espuma, semelhante à espuma de bolhas de sabão ou de um chope. Ao contrário da espuma desordenada da cerveja, no entanto, a espuma Weaire-Phelan é um arranjo precisamente estruturado com raízes profundas na matemática e na física.

As origens da espuma Weaire-Phelan datam de 1887, quando o físico escocês Lord Kelvin propôs uma estrutura para o "éter, "a substância misteriosa que então se pensava compreender uma estrutura de fundo para todo o espaço. Embora o conceito de éter já estivesse caindo em desuso na época, A espuma proposta por Kelvin intrigou os matemáticos por um século porque parecia ser a maneira mais eficiente de preencher o espaço com formas geométricas interligadas que têm a menor área de superfície possível.

Em 1993, os físicos Denis Weaire e Robert Phelan encontraram um arranjo alternativo que requer um pouco menos de área de superfície. Desde então, o interesse na estrutura de Weaire-Phelan era principalmente na matemática, física e comunidades artísticas. A estrutura foi usada como parede externa do "Cubo d'Água de Pequim", criado para as Olimpíadas de 2008. A nova descoberta agora torna a estrutura de interesse para cientistas e tecnólogos de materiais.

"Você começa com um clássico, lindo problema em geometria, Na matemática, e agora de repente você tem este material que abre uma lacuna de banda fotônica, "Disse Torquato.

Torquato, Klatt e Steinhardt se interessaram pela espuma Weaire-Phelan como uma tangente de outro projeto no qual eles estavam investigando materiais desordenados "hiperuniformes" como uma forma inovadora de controlar a luz. Embora não seja o foco original, os três perceberam que essa espuma precisamente estruturada tinha propriedades intrigantes.

"Pouco a pouco, ficou claro que havia algo interessante aqui, "Torquato disse." E finalmente dissemos, "OK, vamos deixar o projeto principal de lado por um tempo para prosseguir com isso. ""

"Sempre olhe para o que está no caminho da pesquisa, "Klatt acrescentou.

Weaire, que não estava envolvido nesta nova descoberta, disse que a descoberta de Princeton é parte de um interesse cada vez maior no material desde que ele e Phelan o descobriram. Ele disse que o possível novo uso em óptica provavelmente decorre do material ser muito isotrópico, ou não ter propriedades fortemente direcionais.

"O fato de exibir uma lacuna de banda fotônica é muito interessante porque tem muitas propriedades especiais, "disse Andrew Kraynik, um especialista em espumas que obteve seu doutorado. em engenharia química de Princeton em 1977 e estudou extensivamente a espuma Weaire-Phelan, mas não esteve envolvido no estudo de Princeton. Outra conexão Princeton, disse Kraynik, é que uma ferramenta chave para descobrir e analisar a espuma Weaire-Phelan é uma ferramenta de software chamada Surface Evolver, que otimiza as formas de acordo com suas propriedades de superfície e foi escrito por Ken Brakke, que obteve seu Ph.D. em matemática em Princeton em 1975.

Para mostrar que a espuma Weaire-Phelan exibia as propriedades de controle de luz que buscavam, Klatt desenvolveu um conjunto meticuloso de cálculos que executou nas instalações de supercomputação do Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

"Os programas que ele executou são realmente intensivos em computação, "Disse Torquato.

O trabalho abre inúmeras possibilidades para novas invenções, disseram os pesquisadores, que apelidou a nova área de trabalho de "fotônica" (um mashup de "espuma" e "fotônica"). Como as espumas ocorrem naturalmente e são relativamente fáceis de fazer, um possível objetivo seria persuadir as matérias-primas a se auto-organizarem no arranjo preciso da espuma Weaire-Phelan, Disse Torquato.

Com mais desenvolvimento, a espuma pode transportar e manipular a luz usada nas telecomunicações. Atualmente, muitos dos dados que cruzam a Internet são transportados por fibras de vidro. Contudo, em seu destino, a luz é convertida de volta em eletricidade. Os materiais de gap fotônico podem guiar a luz com muito mais precisão do que os cabos de fibra óptica convencionais e podem servir como transistores ópticos que realizam cálculos usando luz.

"Quem sabe?" disse Torquato. "Assim que tiver isso como resultado, em seguida, apresenta desafios experimentais para o futuro. "