(Phys.org) —O onipresente van der Waals interação - uma consequência das flutuações de carga quântica - inclui forças intermoleculares, como atração e repulsão entre átomos, moléculas e superfícies. A força de maior alcance agindo entre as partículas, influencia uma série de fenômenos, incluindo adesão de superfície, atrito e estabilidade coloidal. Normalmente uma tarefa simples quando as superfícies paralelas estão mais distantes do que 10 nanômetros, calculando as forças de van der Waals entre, por exemplo, um par de nanoesferas com menos de cinco nanômetros de distância torna-se bastante difícil. Além disso, a última escala requer que o efeito da não localidade (a interação direta de dois objetos que são separados no espaço sem nenhuma agência ou mecanismo intermediário perceptível) seja considerado, introduzindo complexidade em, e, portanto, dificultando ainda mais, análise.

Recentemente, Contudo, cientistas do Imperial College London, Londres propôs uma solução analítica simples, mostrando - pela primeira vez, os pesquisadores dizem que a não localidade em sistemas plasmônicos 3D pode ser analisada com precisão usando a óptica de transformação. ( Plasmons são quasipartículas decorrentes da quantização das oscilações do plasma em frequências ópticas; organizando campos eletromagnéticos de uma maneira específica, óptica de transformação determina a direção na qual a radiação eletromagnética se propagará.) Os cientistas também sugerem que seus resultados aumentam a compreensão subjacente dos efeitos não locais em nanoestruturas plasmônicas.

O Prof. Sir John Pendry discutiu o artigo que ele, Dr. Yu Luo e Dr. Rongkuo Zhao publicaram no Proceedings of the National Academy of Sciences . "A não localidade introduz complexidade computacional, o que torna difícil fazer os cálculos, "Pendry conta Phys.org . "Encontramos uma solução alternativa que simplifica muito os cálculos, substituindo o sistema não local por um sistema local que reproduz os resultados com um alto grau de precisão." Especificamente, os cientistas mostraram que a não localidade em sistemas plasmônicos 3D pode ser analisada com precisão usando a abordagem de óptica de transformação - a primeira vez que a técnica foi aplicada a forças de van der Waals - que eles aplicaram para resolver o problema de incluir efeitos não locais quando dois corpos em nanoescala interagem .

"A chave para explorar com sucesso a ótica de transformação, "Pendry aponta, "é escolher a transformação certa. Em nosso caso, fomos capazes de transformar o problema de duas esferas quase que se tocam no problema muito mais simétrico de duas esferas concêntricas." Ao fazê-lo, os pesquisadores tiveram que enfrentar dois desafios:

· O problema envolve várias escalas de comprimento, o que significa que eles tiveram que levar em consideração as próprias esferas (~ 10 nm), bem como o espaçamento entre elas, que eles tentaram empurrar até o limite de um espaçamento atômico (~ 0,2 nm)

· O fato de que as forças dependem de contribuições de muitas frequências diferentes em uma faixa de quase 100eV

Pendry observa que os pesquisadores só agora estão começando a explorar as consequências da não localidade em fenômenos de superfície em nanoescala, e estão em processo de construção de modelos confiáveis. "As forças em nanoescala em nosso artigo são apenas um exemplo de onde é importante tratar a não localidade, onde a principal complicação é que a resposta de um sistema em um determinado ponto depende não apenas dos campos eletromagnéticos naquele ponto, mas também nos campos da região circundante - um problema que muitas abordagens tradicionais não conseguem resolver. "

Em seu jornal, os cientistas descobriram que a não localidade enfraquece dramaticamente o aprimoramento do campo entre as esferas, e, portanto, a interação de van der Waals. "As forças de van der Waals - embora de longo alcance em relação às ligações químicas padrão - só são significativas quando as superfícies estão muito próximas umas das outras, "Pendry explica." A teoria local padrão prevê uma força infinita no limite que as superfícies tocam - mas é claro que isso é um absurdo. Portanto, as previsões que fazem sentido e podem ser comparadas aos experimentos precisam levar em conta a não localidade. "

Relacionado, o artigo afirma que a ligação química - embora não seja uma preocupação explícita neste estudo - vai dominar a abordagem final antes que as superfícies se toquem a alguns décimos de nanômetro, nesse ponto, o contato direto das cargas entrará em ação por meio do tunelamento de elétrons. "As forças que consideramos são complementares à ligação química, "Pendry esclarece, "em que a abordagem teórica atual para ligações químicas explora a aproximação da densidade local. Em outras palavras, assim como um estudo das forças puras de van der Waals omite ligações químicas, portanto, um estudo de densidade local puro de ligações não tem nada a dizer sobre as forças de dispersão de longo alcance que calculamos. Claro, em algum estágio os dois têm que se unir ... mas para que isso aconteça precisamos de dados experimentais - e estudos teóricos das forças de van der Waals são os primeiros passos para que isso aconteça. "

A abordagem descrita no artigo torna a investigação analítica de problemas 3D não locais viável, enquanto fornece uma visão sobre a compreensão dos efeitos não locais em nanoestruturas plasmônicas. "Os cálculos são sempre difíceis ao tratar estruturas singulares - o que queremos dizer com situações como as esferas quase que se tocam consideradas em nosso artigo - mas também a interação de pontas afiadas com superfícies, "Pendry explica." Usar transformações para desvendar a singularidade revela como as forças atuam em cada uma dessas situações, e, na verdade, muitas vezes nos permite mostrar uma origem comum. "Por exemplo, sobre como seus resultados podem influenciar o desenvolvimento de substratos funcionais de subnanômetro, ele acrescenta que "qualquer sistema nanomecânico deve considerar os efeitos das forças de van der Waals - e nosso artigo é uma tentativa de aprofundar nossa compreensão desses problemas."

Olhando para a frente, Pendry conta Phys.org que as forças de van der Waals são apenas o primeiro passo de uma série de investigações que os cientistas já planejaram. "No horizonte próximo está a transferência de calor entre as superfícies que estão próximas, mas não em contato físico:as flutuações eletromagnéticas responsáveis ​​pela força de van der Waals também permitem que o calor salte através da lacuna - um efeito diferente de, e muito mais forte do que, resfriamento radiativo. "(O resfriamento radiativo é o processo pelo qual um corpo perde calor por radiação térmica.)" A longo prazo, vamos tentar generalizar nossa teoria de atrito quântico, por meio do qual as superfícies que estão próximas, mas não em contato físico, podem sofrer arrasto por atrito. A não localidade também é uma questão importante nos efeitos. "

Para encerrar, Pendry observa que várias outras áreas de pesquisa podem se beneficiar de seu estudo, dado que a ótica de transformação é uma técnica muito geral na teoria eletromagnética. “O presente estudo é apenas um em uma série de aplicações. Já vimos muitos estudos de sua aplicação à invisibilidade, e nós o usamos extensivamente para estudar intensos aprimoramentos de campo em estruturas plasmônicas, como a espectroscopia Raman com superfície melhorada. Na verdade, virtualmente qualquer problema que tenha radiação eletromagnética interagindo com uma estrutura física poderia se beneficiar potencialmente da ótica de transformação - e no caso de sistemas plasmônicos, a não localidade sempre será uma questão importante sempre que a superfície nas proximidades for considerada. "

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