p O campo dos metamateriais trata de fazer estruturas com propriedades físicas que não são encontradas na natureza. Prever quais tipos de estruturas teriam essas características é um desafio; fabricá-los fisicamente é outra completamente diferente, já que muitas vezes requerem um arranjo preciso dos materiais constituintes nas menores escalas. p Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia desenvolveram agora uma maneira de produzir metamateriais em massa que exibem ressonância magnética em frequências ópticas. Chamadas de "metamoléculas semelhantes à framboesa" devido à sua forma única, essas estruturas em nanoescala podem ser usadas como blocos de construção para metamateriais que podem espalhar luz como se tivessem propriedades magnéticas, que podem ser relevantes para aplicações em processamento óptico e tratamento de sinais. Essas metamoléculas semelhantes à framboesa reagem ao campo magnético da luz como uma alça de arame o faz a um ímã oscilante.

p Esta habilidade decorre dos arranjos precisos das "drupelets da metamolécula parecida com a framboesa, "que são compostas de nanopartículas de ouro. Essas drupeletas precisam estar o mais próximas possível, sem tocar, para não" causar curto-circuito "nos campos elétricos ópticos ao seu redor. Por meio de um processo químico cuidadosamente projetado que revestiu cada drupeleta com um surfactante isolante, a equipe da Penn conseguiu espaçar essas nanopartículas a uma distância média de apenas dois nanômetros uma da outra.

p E como a montagem das drupelets de nanopartículas e do revestimento do surfactante pode ser feita em uma única etapa, grandes quantidades dessas metamoléculas semelhantes à framboesa podem ser fabricadas de uma só vez, em vez de ser meticulosamente montado um de cada vez.

p A pesquisa foi conduzida pela autora principal Zhaoxia Qian, que recentemente se formou com doutorado em química pela Penn's School of Arts &Sciences; Nader Engheta, o professor H. Nedwill Ramsey de Engenharia Elétrica e de Sistemas na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn; Zahra Fakhraai, professor assistente de química na Penn Arts &Sciences; e So-Jung Park, ex-professor associado do Departamento de Química, agora é professora de química na Universidade Ewha Womans da Coreia do Sul. Também contribuíram Simon Hastings, que recentemente se formou com doutorado em física, e o estudante de graduação em química Chen Li, junto com o especialista em pesquisa Brian Edwards e a estudante visitante de graduação Christine K. McGinn, ambos de Engenharia Elétrica e de Sistemas.

p Foi publicado na revista ACS Nano .

p Se alguém pega um laço de fio e passa um ímã para cima e para baixo pelo centro, o campo magnético oscilante resultante conduz os elétrons ao redor do fio, produzindo corrente elétrica no fio. Esse princípio está em jogo em cada gerador, que tem ímãs que oscilam em torno de 50 hertz, ou 50 vezes por segundo. Mas e se esse princípio pudesse ser estendido para frequências ópticas, na ordem de 500 terahertz? Em vez de gerar eletricidade, o loop seria capaz de manipular a luz visível.

p "Não há materiais conhecidos que tenham propriedades magnéticas em frequências ópticas, "Disse Fahkraai." Se você pudesse fabricar estruturas como esta, eles podem ser blocos de construção para metamateriais que podem espalhar luz como se tivessem propriedades magnéticas. "

p Engheta previu que tal estrutura seria possível em 2006, e nos anos seguintes, outros grupos de pesquisa produziram fisicamente metamateriais que exibem essa característica. Essas estruturas eram em sua maioria anéis meticulosamente construídos de nanopartículas de metal, espaçados em uma superfície plana de forma que os elétrons não pudessem realmente se mover entre eles.

p "Porque o metal não toca, "Engheta disse, "os elétrons só podem oscilar dentro de partículas individuais e não podem se mover de uma nanopartícula para a vizinha. Isso é conhecido como corrente de deslocamento. É como fazer uma onda em um estádio; nenhum fã está se movendo de seu assento, mas a onda se move em um círculo. "

p Uma configuração parecida com a de framboesa, onde as nanopartículas são agrupadas esfericamente em torno de um núcleo, ao invés de um anel, seria ainda melhor, como uma seção transversal da framboesa atua como um anel de nanopartículas, não importa a direção em que o campo magnético é aplicado. Outros pesquisadores começaram a mudar de técnicas de montagem mecânica para a automontagem química de tais estruturas, mas encontraram obstáculos.

p A abordagem da equipe Penn resolve os problemas adotando uma abordagem sintética.

p "As pessoas já tentaram fazer esses tipos de estruturas em solução antes, normalmente pela montagem de nanopartículas pré-sintetizadas, "Qian disse, "mas é difícil alcançar alta densidade de embalagem de nanopartículas por meio dessa rota."

p "No nosso caso, "Park disse, "nós geramos aglomerados de nanopartículas compactadas por uma abordagem sintética em que o crescimento e a montagem das nanopartículas ocorrem simultaneamente. Um desafio nessa abordagem sintética é que as nanopartículas em crescimento tendem a formar uma camada fundida. Em nosso método, usamos um surfactante especial que forma uma molécula fina, mas protegendo fortemente, camada em torno das nanopartículas, o que os impede de se tocarem. "

p O método sintético da equipe Penn reduz parte da complexidade que, de outra forma, vem com a produção dessas metamoléculas semelhantes à framboesa.

p "É como fazer um ensopado, "Engheta disse." Você joga tudo em uma panela. "

p Os ingredientes para o ensopado são esferas de poliestireno decoradas com pequenas partículas de sementes de prata, nitrato de prata, sais de ouro e agentes redutores que quebram esses sais e permitem que os átomos de ouro formem nanopartículas. Todos esses ingredientes são colocados em uma fórmula de crescimento contendo o surfactante isolante, que forma uma fina camada no exterior das nanopartículas de ouro em crescimento, protegendo-os um do outro.

p Outras pesquisas sobre a química do surfactante permitirão à equipe reduzir ainda mais a distância entre as nanopartículas, para fortalecer ainda mais as propriedades magnéticas das metamoléculas semelhantes à framboesa. Essa característica é crítica para as habilidades das estruturas em manipular a luz e, portanto, ser usadas em dispositivos ópticos.

p "Se você quiser fazer indutores em frequências ópticas, "Fahkraai disse, "você precisa de algo que possa responder em frequências muito altas. Quanto mais perto podemos fazer as nanopartículas, mais forte podemos fazer a dispersão da luz devido aos efeitos magnéticos. "