Em um subsolo nas profundezas do Laboratório de Ciência e Engenharia Integradas da Universidade de Harvard, Mikhail Kats se veste. Coberturas de sapato de malha, uma máscara facial, uma rede de cabelo, um macacão cinza claro, botas de tecido até o joelho, luvas de vinil, óculos de segurança, e um capuz com fivelas na gola - estes não são para protegê-lo, Kats explica, mas para proteger os delicados equipamentos e materiais dentro da sala limpa.

Enquanto fazia seu Ph.D. em física aplicada na Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Kats passou incontáveis ​​horas nesta instalação de ponta. Com seu conselheiro, Federico Capasso, o Professor Robert L. Wallace de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica, Kats contribuiu para alguns avanços impressionantes.

Um é um metamaterial que absorve 99,75 por cento da luz infravermelha - muito útil para dispositivos de imagem térmica. Outro é um ultrafino, lente plana que focaliza a luz sem transmitir as distorções das lentes convencionais. E a equipe produziu feixes de vórtice, feixes de luz que se assemelham a um saca-rolhas, que poderia ajudar as empresas de comunicação a transmitir mais dados através de largura de banda limitada.

Certamente o avanço mais colorido a surgir do laboratório de Capasso, Contudo, é uma técnica que reveste um objeto metálico com uma camada extremamente fina de semicondutor, apenas alguns nanômetros de espessura. Embora o semicondutor seja de uma cor cinza metálico, o objeto acaba brilhando em tons vibrantes. Isso ocorre porque o revestimento explora os efeitos de interferência nas películas finas; Kats o compara aos arco-íris iridescentes que são visíveis quando o óleo flutua na água. Cuidadosamente sintonizado no laboratório, esses revestimentos podem produzir um brilho, rosa sólido - ou, dizer, um azul vívido - usando os mesmos dois metais, aplicado com apenas alguns átomos de diferença de espessura.

O grupo de pesquisa de Capasso anunciou a descoberta em 2012, mas naquela época, eles apenas demonstraram o revestimento em relativamente liso, superfícies planas como silício. Esta queda, o grupo publicou um segundo artigo, no jornal Cartas de Física Aplicada , levando o trabalho muito mais longe.

“Cortei um pedaço de papel do meu caderno e depositei ouro e germânio nele, "Kats diz, "e funcionou da mesma forma."

Essa descoberta, enganosamente simples, dada a física envolvida, agora sugere que os revestimentos ultrafinos podem ser aplicados a essencialmente qualquer material áspero ou flexível, de tecidos vestíveis a eletrônicos elásticos.

"Isso pode ser visto como uma forma de colorir quase qualquer objeto usando apenas uma pequena quantidade de material, "Capasso diz.

Não era óbvio que os mesmos efeitos de cor seriam visíveis em substratos ásperos, porque os efeitos de interferência geralmente são altamente sensíveis ao ângulo da luz. E em uma folha de papel, Kats explica, "Existem colinas e vales e fibras e pequenas coisas projetando-se - é por isso que você não pode ver seu reflexo nela. A luz se espalha."

Por outro lado, os filmes aplicados são tão extremamente finos que interagem com a luz quase instantaneamente, então, olhando para o revestimento diretamente ou de lado - ou, ao que parece, olhar para aquelas imperfeições ásperas no papel - não faz muita diferença para a cor. E o papel continua flexível, como sempre.

Demonstrando a técnica na sala limpa do Center for Nanoscale Systems, um centro de pesquisa apoiado pela National Science Foundation em Harvard, Kats usa uma máquina chamada evaporador de feixe de elétrons para aplicar o revestimento de ouro e germânio. Ele sela a amostra de papel dentro da câmara da máquina, e uma bomba suga o ar até que a pressão caia para impressionantes 10 ^-6 Torr (um bilionésimo de uma atmosfera). Um fluxo de elétrons atinge um pedaço de ouro preso em um cadinho de carbono, e o metal vaporiza, viajando para cima através do vácuo até atingir o papel. Repetindo o processo, Kats adiciona a segunda camada. Um pouco mais ou um pouco menos de germânio faz a diferença entre índigo e carmesim.

Esta técnica de laboratório particular, Kats aponta, é unidirecional, então, a olho nu, diferenças muito sutis na cor são visíveis em diferentes ângulos, onde um pouco menos do metal caiu nas laterais das cristas e vales do papel. "Você pode imaginar aplicações decorativas onde você pode querer algo que tenha um pouco desse aspecto perolado, onde você olha de diferentes ângulos e vê um tom diferente, "ele observa." Mas se fôssemos ir até a porta ao lado e usar um pulverizador reativo em vez deste evaporador de feixe de elétrons, poderíamos facilmente obter um revestimento que se adapte à superfície, e você não veria nenhuma diferença. "

Muitos pares diferentes de metal são possíveis, também. "O germânio é barato. O ouro é mais caro, claro, mas na prática não estamos usando muito disso, “Kats explica. A equipe de Capasso também demonstrou a técnica com alumínio.

"Esta é uma forma de colorir algo com uma camada muito fina de material, então, em princípio, se é um metal para começar, você pode usar apenas 10 nanômetros para colorir, e se não for, você pode depositar um metal de 30 nm de espessura e depois outro de 10 nm. Isso é muito mais fino do que um revestimento de tinta convencional, que pode ter entre um mícron e 10 mícrons de espessura. "

Nas situações ocasionais em que o peso da tinta importa, isso pode ser muito significativo. Capasso lembra, por exemplo, que o tanque de combustível externo do ônibus espacial da NASA costumava ser pintado de branco. Após as duas primeiras missões, os engenheiros pararam de pintar e economizaram 600 libras de peso.

Como os revestimentos de metal absorvem muita luz, refletindo apenas um conjunto estreito de comprimentos de onda, Capasso sugere que eles também poderiam ser incorporados a dispositivos optoeletrônicos como fotodetectores e células solares.

"O fato de que estes podem ser depositados em substratos flexíveis tem implicações para optoeletrônicos flexíveis e talvez até mesmo elásticos que podem fazer parte de sua roupa ou podem ser enrolados ou dobrados, "Capasso diz.

O Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia de Harvard continua a buscar oportunidades comerciais para a nova tecnologia de revestimento de cores e agradece o contato das partes interessadas.

Kats, que conclui sua posição de pós-doutorado de um ano na SEAS este mês, se tornará um professor assistente na Universidade de Wisconsin, Madison, em janeiro. Ele credita as muitas horas gastas nas instalações de laboratório de última geração de Harvard por muito de seu sucesso em física aplicada.

"Você aprende muito enquanto faz isso, "Kats diz." Você pode ser criativo, descobrir algo ao longo do caminho, aplique algo novo à sua pesquisa. É maravilhoso termos alunos e pós-doutorandos aqui fazendo coisas. "