p O esquema mostra a luz do laser interagindo com um ressonador de lacuna plasmônica, um dispositivo em miniatura projetado no NIST para medir com precisão sem precedentes os movimentos em nanoescala das nanopartículas. Um feixe de laser incidente (raio rosa à esquerda) atinge o ressonador, que consiste em duas camadas de ouro separadas por um espaço de ar. A camada superior de ouro está embutida em uma série de pequenos cantiléveres (violeta) - dispositivos vibratórios que lembram um trampolim em miniatura. Quando um cantilever se move, muda a largura do entreferro, que, por sua vez, altera a intensidade da luz do laser refletida do ressonador. A modulação da luz revela o deslocamento do minúsculo cantilever. Crédito:NIST Center for Nanoscale Science and Technology
p Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um novo dispositivo que mede o movimento de partículas superminúsculas que percorrem distâncias quase inimaginavelmente pequenas - menores que o diâmetro de um átomo de hidrogênio, ou menos de um milionésimo da largura de um cabelo humano. O dispositivo portátil não só pode sentir o movimento em escala atômica de suas pequenas partes com uma precisão sem precedentes, mas os pesquisadores desenvolveram um método para produzir em massa a ferramenta de medição altamente sensível. p É relativamente fácil medir pequenos movimentos de objetos grandes, mas muito mais difícil quando as partes móveis estão na escala de nanômetros, ou bilionésimos de um metro. A capacidade de medir com precisão pequenos deslocamentos de corpos microscópicos tem aplicações na detecção de traços de agentes biológicos ou químicos perigosos, aperfeiçoando o movimento de robôs em miniatura, disparar airbags com precisão e detectar ondas sonoras extremamente fracas que viajam através de filmes finos.
p Os físicos do NIST Brian Roxworthy e Vladimir Aksyuk descrevem seu trabalho no dia 6 de dezembro, 2016,
Nature Communications .
p Os pesquisadores mediram o movimento em escala subatômica em uma nanopartícula de ouro. Eles fizeram isso criando uma pequena lacuna de ar, cerca de 15 nanômetros de largura, entre a nanopartícula de ouro e uma folha de ouro. Essa lacuna é tão pequena que a luz do laser não consegue penetrá-la.
p Contudo, os plasmons de superfície energizados pela luz - o coletivo, movimento ondulatório de grupos de elétrons confinados a viajar ao longo da fronteira entre a superfície do ouro e o ar.
p Essas micrografias ópticas fornecem uma visão de cima para baixo de vários ressonadores de gap plasmônico e aumentam o zoom em um único dispositivo. O canto inferior direito mostra o esquema de um único dispositivo. Crédito:NIST Center for Nanoscale Science and Technology
p Os pesquisadores exploraram o comprimento de onda da luz, a distância entre picos sucessivos da onda de luz. Com a escolha certa de comprimento de onda, ou equivalente, sua frequência, a luz do laser faz com que os plasmons de uma determinada frequência oscilem para frente e para trás, ou ressoar, ao longo da lacuna, como as reverberações de uma corda de violão dedilhada. Enquanto isso, conforme a nanopartícula se move, ele muda a largura da lacuna e, como afinar uma corda de violão, muda a frequência com que os plasmons ressoam.
p A interação entre a luz do laser e os plasmons é crítica para detectar pequenos deslocamentos de partículas em nanoescala, notas Aksyuk. A luz não consegue detectar facilmente a localização ou movimento de um objeto menor que o comprimento de onda do laser, mas converter a luz em plasmons supera essa limitação. Como os plasmons estão confinados a uma pequena lacuna, eles são mais sensíveis do que a luz para detectar o movimento de pequenos objetos como a nanopartícula de ouro.
p A quantidade de luz laser refletida de volta do dispositivo de plasmon revela a largura da lacuna e o movimento da nanopartícula. Suponha, por exemplo, que a lacuna muda - devido ao movimento da nanopartícula - de tal forma que a frequência natural, ou ressonância, dos plasmons corresponde mais de perto à frequência da luz do laser. Nesse caso, os plasmons são capazes de absorver mais energia da luz do laser, e menos luz é refletida.
p Para usar esta técnica de detecção de movimento em um dispositivo prático, Aksyuk e Roxworthy incorporaram a nanopartícula de ouro em uma estrutura mecânica em escala microscópica - um cantilever vibrante, uma espécie de trampolim em miniatura - que tinha alguns micrômetros de comprimento, feito de nitreto de silício. Mesmo quando não estão em movimento, tais dispositivos nunca ficam perfeitamente parados, mas vibrar em alta frequência, empurrados pelo movimento aleatório de suas moléculas em temperatura ambiente. Embora a amplitude da vibração fosse minúscula - movendo-se a distâncias subatômicas - era fácil de detectar com a nova técnica plasmônica. Semelhante, embora normalmente maior, estruturas mecânicas são comumente usadas para medições científicas e sensores práticos; por exemplo, detectar movimento e orientação em carros e smartphones. Os cientistas do NIST esperam que sua nova maneira de medir o movimento em nanoescala ajude a miniaturizar e melhorar o desempenho de muitos desses sistemas micromecânicos.
p "Esta arquitetura abre caminho para avanços no sensoriamento nanomecânico, "escrevem os pesquisadores." Podemos detectar movimentos minúsculos mais localmente e precisamente com esses ressonadores plasmônicos do que qualquer outra maneira de fazê-lo, "disse Aksyuk.
p A abordagem de fabricação da equipe permite a produção de cerca de 25, 000 dos dispositivos em um chip de computador, com cada dispositivo adaptado para detectar movimento de acordo com as necessidades do fabricante.
