Micro-origami utiliza tensão superficial da água para fabricar MEMS

Neal Singer - Physical Review Focus - 17/04/2007

Se artistas liliputianos pudessem dobrar papéis em formatos tridimensionais, os resultados poderiam se parecer com o que aparece no exemplar de 13 de Abril da revista Physical Review Letters, o mais importante periódico científico de Física de todo o mundo.

Tensão superficial

Uma equipe de cientistas dobrou membranas de apenas alguns milímetros, transformando-as em esferas, caixas e pirâmides, usando apenas a tensão superficial de gotas de água, uma força normalmente nada benvinda por pesquisadores que trabalham em microescala.

A demonstração poderá permitir o desenvolvimento de técnicas mais robustas para a construção em microescala ou até mesmo objetos em nanoescala, que poderá se iniciar com peças planas que são mais fáceis de se cortar e produzir em massa.

Máquinas em escala micrométrica já estão presentes em tecnologias comerciais, que vão desde as impressoras domésticas e os sensores dos airbags de automóveis, até chaves para telecomunicações. Esses MEMS (sistemas microeletromecânicos) podem incluir peças como engrenagens, espelhos e correntes.

Objetos tridimensionais

Uma das razões pelas quais eles não são mais comuns é que sua fabricação se baseia nas técnicas bidimensionais de gravação herdadas da indústria da microeletrônica. Para trabalhar com objetos 3-D de forma mais prática, alguns pesquisadores voltaram sua atenção para a tensão superficial, utilizando-a para montar, orientar ou desviar objetos rígidos.

Mas José Bico e seus colegas do Instituto de Física e Química de Paris queriam levar a tensão superficial além da mera manipulação de objetos e usaram-na para criar objetos inteiramente novos, com vários formatos, tamanhos e complexidades. Bico disse que a técnica de dobradura permite a criação de formatos tridimensionais complexos e robustos a partir de materiais bidimensionais, simplesmente escolhendo as dobras na ordem e na orientação corretas.

Bico e seus colegas cortaram formatos geométricos com mais ou menos 1 milímetro de largura a partir de finas membranas flexíveis, que variam entre 40 e 80 micrômetros de espessura. Eles então colocaram sobre elas uma gota de água grande o suficiente para alcançar todos os cantos de cada um de seus recortes.

Micro-pipetas

À medida em que o líquido evaporava, sua tensão superficial ia puxando a membrana, forçando-a a manter-se ao redor da gota cujo volume ia decrescendo, até que o líquido restante ficasse totalmente encapsulado no interior de esferas, tetraedros ou algum outro formato.

"Eu poderia propor nosso processo como uma forma promissora de produzir formatos simples em massa," diz Bico, mas ele pode também vislumbrar a utilização da técnica para produzir formatos mais complicados a partir de combinações de formatos simples, com micro-pipetas automatizadas depositando gotas de água sobre folhas pré-cortadas.

Com uma combinação de teoria e experimentos práticos, a equipe mostrou que o formato final depende de duas forças opostas: a tensão superficial, que tende a dobrar a membrana ao redor da gota de forma tão apertada quanto possível; e a elasticidade da membrana, que tende a desdobrá-la. Os pesquisadores manipularam essa oposição ajustando a espessura e o formato da membrana para conseguir os formatos definitivos.

Auto-montagem

"Eu adorei esse trabalho - a idéia de que se pode utilizar a tensão superficial para disparar a auto-montagem em pequenas escalas é ao mesmo tempo extremamente simples e extremamente inteligente," comenta Anette Hosoi, do MIT. E, à medida em que os objetos se tornam menores, diz ela, os efeitos da tensão superficial que a técnica explora se tornam ainda mais importantes.

Thomas Witten, da Universidade de Chicago, chama a tensão superficial de "uma bem conhecida maldição da microscopia eletrônica," por causa dos danos que ela pode causar às amostras, e aqui ela está sendo usada para o bem. "Quaisquer novos métodos de formação espontânea de estruturas que funcionem em pequenas escalas são evidentemente muito úteis," diz ele.

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