Cientistas criam "matéria óptica", com partículas unidas apenas por luz

Cientistas ingleses construíram uma estrutura bidimensional de partículas que são mantidas unidas apenas por luz. As estruturas de "matéria óptica", criadas pelos cientistas Colin Bain, da Universidade de Durham, e Christopher Mellor, do Instituto Nacional de Pesquisas Médicas, ambos na Inglaterra, são formadas por nanoesferas de poliestireno, aprisionadas pela luz que é difratada a partir de um prisma.

As estruturas representam uma nova forma de se montar a matéria em nanoescala e poderão também lançar uma luz sobre os processos no interior dos cristais, que ocorrem em escalas ainda menores. O trabalho, ainda inédito, deverá ser publicado no periódico ChemPhysChem.

Bain e Mellor começaram sobrepondo dois feixes de raios laser sobre a superfície de um prisma de sílica. Os feixes foram posicionados para atingir a superfície acima do ângulo crítico, de forma que apenas os campos evanescentes - ou superficiais - atingissem o espaço além do prisma. A seguir, os pesquisadores colocaram uma gota de água contendo uma solução de esferas de poliestireno, medindo entre 300 e 600 nanômetros de diâmetro, sobre a superfície do prisma. As esferas foram atraídas pelo campo evanescente e se montaram espontaneamente em estruturas bidimensionais (ver figura).

"Para a maioria dos físicos, a idéia de materiais mantidos coesos pela luz continua sendo um assunto estranho," diz Bain. "O resultado mais surpreendente neste novo trabalho é a formação de uma estrutura quadrada de partículas de 390 nanômetros, com feixes de laser polarizados ortogonalmente. Embora o campo elétrico seja bastante uniforme no plano da superfície, observa-se a formação de uma grande estrutura regular."

As novas estruturas de matéria óptica são diferentes das pinças ópticas, nas quais campos elétricos espacialmente variáveis são utilizados para se controlar a posição de partículas. De acordo com Bain e Mellor, as ordenações 2D em estruturas ópticas surgem do espalhamento da luz evanascente pelas próprias partículas e não de um gradiente de campo externo.

"As estruturas apresentam muitas das características dinâmicas dos cristais moleculares, tais como difusão superficial, migração de defeitos, transformação por nucleação de fase e 'maturação de Ostwald' - onde duas estruturas se aglutinam em uma única," diz Bain. "Além de ser uma nova forma de se montar a matéria em nanoescala, essas estruturas também poderão se tornar uma nova forma de se estudar visualmente, em tempo real, os processos que ocorrem no interior dos cristais, em sub-nanoescala."

Bain agora planeja desenvolver um modelo quantitativo para explicar a conexão óptica nessas estruturas, e estudar como partículas com diferentes formatos e tamanhos se aglutinam. Ele também espera montar a matéria óptica em estruturas tridimensionais.