(Phys.org) - Desde a primeira demonstração de sistemas microeletromecânicos (MEMS) em meados dos anos 80, a tecnologia não se provou tão útil quanto inicialmente previsto. Um dos problemas é que os componentes minúsculos tendem a se grudar devido a fortes forças de adesão de superfície em nanoescala, um efeito que os engenheiros chamam de "esticão". Agora em um novo estudo, os cientistas sugerem que este problema pode ser resolvido induzindo a levitação quântica entre os componentes, o que eles demonstram simplesmente adicionando um fino revestimento metálico a uma das superfícies de interação.

A equipe de pesquisadores, de instituições na Noruega, Austrália, e Suécia, publicou o estudo sobre levitação quântica entre nanossuperfícies em uma edição recente da Cartas de Física Aplicada .

O estranho sobre essa levitação é que ela se origina da força Casimir-Lifshitz, que tem a propriedade incomum de ser atraente ou repulsiva. Como um tipo de força de van der Waals, surge entre as partículas próximas devido às suas propriedades elétricas inerentes.

Neste estudo, os cientistas analisaram a força de Casimir-Lifshitz que ocorre entre duas superfícies de sílica em um líquido (bromobenzeno ou tolueno). Normalmente, esta força é atrativa, mas enfraquece à medida que as partículas de sílica se separam. Este enfraquecimento é chamado de retardo, e os pesquisadores descobriram que podiam diminuir a distância em que ocorre o retardamento revestindo uma camada ultrafina de ouro em uma das superfícies de sílica.

Esta pequena modificação muda o regime de retardamento de uma distância de separação de vários nanômetros para alguns nanômetros, modificando as propriedades dielétricas da superfície de sílica revestida. Na verdade, o retardo enfraquece tanto a atração que a força se torna repulsiva quando as superfícies são separadas por alguns nanômetros ou mais, a uma distância crítica chamada distância de levitação. Abaixo da distância de levitação, a força novamente se torna atrativa, enquanto acima dessa distância torna-se cada vez mais repulsivo até um ponto máximo. Em distâncias ainda maiores, a repulsão se estabiliza abaixo do valor máximo.

A capacidade de controlar a força Casimir-Lifshitz não é completamente nova. Os cientistas sabem sobre esses efeitos teoricamente desde a década de 1970, mas apenas os avanços recentes na nanotecnologia permitiram investigações experimentais.

“A interação entre dois objetos de sílica em tolueno é atraente, ”Disse o co-autor Bo Sernelius da Linköping University na Suécia Phys.org . “Estudos anteriores mostraram que, se um dos objetos for substituído por um objeto de ouro maciço, a interação torna-se repulsiva para distâncias além da distância de levitação. Portanto, existe uma barreira potencial que reduz a chance de os objetos se aproximarem e grudarem uns nos outros. Nós achamos, e isso é novo, que se em vez de um objeto de ouro maciço tivéssemos um objeto de sílica com uma fina camada de ouro, a distância de levitação diminuiu e a barreira ficou mais alta. A chance de prevenir atrito aumentou consideravelmente. ”

Ao prevenir o atrito, a levitação quântica pode oferecer uma maneira de evitar que superfícies usadas em MEMS e sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) colidam devido a outras forças atraentes de van der Waals que existem entre eles. Uma vez que a espessura do nanocoating altera as propriedades dielétricas das superfícies de interação, os pesquisadores teriam que determinar com precisão a espessura correta para uma distância de levitação desejada. Se a técnica funcionar, pode fornecer uma revitalização muito necessária dos campos de MEMS e NEMS.

No futuro, os pesquisadores planejam estender suas investigações a outros materiais, como óxido de zinco e hafnia, que são amplamente utilizados em dispositivos microelétricos e micro-ópticos. Eles também têm um próximo artigo (arxiv.org/abs/1206.4852v1) em que investigam as forças repulsivas e atrativas entre os átomos de césio excitados que estão confinados em um nanocanal, que são muito diferentes daqueles no espaço livre.

“Dois átomos de césio que estão próximos e em um estado excitado podem formar moléculas invulgarmente grandes quando estão entre duas superfícies de ouro, ”Explicou o co-autor Mathias Bostrom da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia em Trondheim, Noruega, e a Australian National University em Canberra, Austrália. “Os efeitos do retardo para essas interações de estado excitado entre átomos são muito semelhantes ao que encontramos para a força Casimir-Lifshitz entre uma superfície de sílica revestida de ouro e uma superfície de sílica em tolueno. Portanto, encontramos a atração de longo alcance que une os átomos e a repulsão de curto alcance permitindo estados vinculados (evitando que os átomos colidam, ou seja, formando moléculas supergrandes). ”

Finalmente, os pesquisadores planejam investigar mais como a levitação quântica pode ser usada para sistemas NEMS, observando os efeitos anisotrópicos, quais são as diferentes propriedades que surgem quando paralelas ou perpendiculares à interface do material.

“Nossos colegas em Oslo (Professor Clas Persson da Universidade de Oslo e sua equipe) calcularam as propriedades ópticas reais dos materiais (a função dielétrica) para folhas de ouro finas que serão usadas para investigar como os efeitos anisotrópicos podem influenciar os sistemas NEMS com nanocoatings de ouro. É provável que o alcance com forças repulsivas (impedindo o sistema de colidir) pode ser influenciado em tais cálculos aprimorados. Nosso objetivo é fazer esses cálculos neste outono. ”

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