Os blocos de construção em escala atômica que foram comparados ao Lego microscópico estão permitindo que os pesquisadores brinquem com as propriedades de materiais comuns, e as possibilidades são tão grandes que podem manter os cientistas ocupados pelos próximos 50 anos.

Da Idade da Pedra ao Vale do Silício, os materiais definiram as capacidades tecnológicas das civilizações.

O professor Andre Geim, da Universidade de Manchester, no Reino Unido, está bem familiarizado com a caixa de ferramentas disponível hoje. Em 2010, ele recebeu o Prêmio Nobel de Física por estendê-lo com uma forma exótica de carbono conhecida como grafeno.

Ao contrário dos materiais provenientes da natureza, o grafeno é uma criação da ciência. Ele é descascado em grafite em motivos de favo de mel tão fino quanto um único átomo. As leis quânticas que prevalecem nessas escalas minúsculas fazem com que os elétrons se movam através do grafeno de maneiras incomuns.

'O grafeno pode ser mais forte do que o aço, mais condutivo que o cobre e transparente como o vidro, 'disse o Prof. Geim. 'É diferente de qualquer substância encontrada na natureza.'

Agora, como parte do projeto ARTIMATTER financiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa da UE, O Prof. Geim está adaptando a matéria com características ainda mais estranhas, empilhando grafeno sobre outros materiais atomicamente finos.

Misturar e combinar camadas bidimensionais feitas de diferentes elementos dá origem a propriedades físicas notáveis. De acordo com o Prof. Geim, a combinação certa de blocos de construção pode transformar materiais isolantes em condutores, ajuste as cores que eles absorvem, e sincronizar o comportamento dos elétrons dentro deles.

Essas capacidades resultam de profundas alterações no comportamento dos materiais. Aproveitado corretamente, eles podem superar as barreiras estabelecidas na eletrônica moderna, como a redução do tempo de resposta dos detectores de infravermelho distante, ou talvez até sustentando supercondutividade em temperatura ambiente.

Os novos blocos de construção também fornecem ferramentas para testar teorias científicas e explorar novos fenômenos. O que aprendemos com suas excentricidades pode impactar a tecnologia futura tão profundamente quanto a física de semicondutores transformou o setor de computação e telecomunicações hoje.

Possibilidades infinitas

'Cientificamente falando, o grafeno está pronto. Agora entendemos como funciona e estamos encontrando aplicações para isso, 'disse o Prof. Geim. “Mas as possibilidades de combinar grafeno com outros materiais atomicamente finos são quase infinitas. Não vejo esse trabalho de Lego sendo concluído nos próximos 50 anos. '

Uma razão pela qual é difícil prever os resultados potenciais dos blocos de construção nanoscópicos é que os computadores que calculam como eles se encaixam não são poderosos o suficiente para levar em consideração toda a sua complexidade.

Dra. Barbara Capone, da Universidade de Viena, Áustria, e a Universidade Roma Tre, Itália, está trabalhando em polímeros - longas cadeias de átomos que repetem milhões de vezes a mesma sequência.

Embora os processadores de dados possam prever como esses blocos de construção se comportam quando estão sozinhos ou em grupos densos, eles não podem seguir as reações que ocorrem quando concentrações esparsas de polímero se misturam.

'Podemos simular como átomos individuais se comportam em moléculas individuais, e para concentrações densas, podemos calcular a média de bilhões de torções e peculiaridades, - disse o Dr. Capone. "Mas o que acontece entre esses extremos permanece misterioso porque há muitas moléculas para rastrear e muito poucas para generalizar."

Tamanho de uma mordida

O Dr. Capone passou anos refinando métodos estatísticos em física teórica para ajudar os computadores a lidar com a complexidade. Em vez de seguir cada peça do quebra-cabeça simultaneamente, ela agrupa as reações em regiões pequenas e modela as interações entre suas médias locais. Quando aplicado a concentrações esparsas de polímero, suas simplificações estão revelando joias entre a desordem.

'Esses polímeros são blocos de construção notáveis, - disse o Dr. Capone. 'Dependendo do comprimento e da densidade que os tornamos, ou como enxertamos as correntes umas nas outras, eles se dobram em formas completamente diferentes. '

Em princípio, a mistura certa de ingredientes pode se formar espontaneamente nas colunas cúbicas de cristais semicondutores comuns, a rede amorfa de vidro, ou mesmo a estrutura em favo de mel do grafeno.

Esta é uma boa notícia para quem trabalha com materiais para eletrônica. Esculpir as grades atômicas perfeitas necessárias para construir transistores ou células solares de alta qualidade requer atualmente uma grande quantidade de tempo e energia.

Colegas do Dr. Capone estão dando passos experimentais para outra aplicação. Como parte do projeto NANODRIVE financiado pela UE, eles produzirão polímeros em forma de estrela que entram em colapso ao reagir com um determinado composto e, em seguida, liberam sua carga ao atingir o ambiente desejado.

É essencialmente assim que as drogas fornecem produtos químicos, apenas o fazem com moléculas tortuosamente complicadas. Simplificar os componentes pode tornar o processo mais econômico e versátil.

'As oportunidades são infinitas, 'disse o Dr. Capone, que estará lançando NANODRIVE este mês. 'Com alguns ajustes, esses polímeros podem formar estruturas que encapsulam poluentes e os filtram para fora da água potável. '

A Dra. Capone diz que está animada com os benefícios sociais que essa tecnologia pode trazer para situações de emergência e com a visão que os blocos básicos de construção podem oferecer no plano físico, processos químicos e biológicos ocorrendo em nanoescala.

'Sempre me interessei em encontrar a maneira mais simples de fazer algo complicado, - disse o Dr. Capone. 'Muitas vezes é a melhor maneira de entender como funciona.'