Levitação por luz pode levar sensores às alturas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/02/2021

Esquema dos "discos voadores" e mapa de calor, mostrando como a luz do laser aquece a superfície do dispositivo.
[Imagem: Mohsen Azadi et al. - 10.1126/sciadv.abe6855]

Levitação por luz

Uma das equipes envolvidas com o projeto Starshot, que planeja enviar nanonaves para a primeira viagem interestelar, fez um grande progresso no uso de uma forma completamente nova de propulsão.

Mohsen Azadi e seus colegas da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, conseguiram trazer para mais perto da realidade em escala humana uma tecnologia já largamente usada para segurar e manipular micropartículas: a levitação por luz.

Azadi demonstrou que a luz é suficiente para prover uma sustentação para pequenos discos de plástico saírem voando de forma dirigida - cada "disco voador" tem o diâmetro de uma caneta.

Mas não basta cortar dois pedaços de plástico quaisquer com uma tesoura. O material, que a equipe vem desenvolvendo há vários anos com vistas a aplicações espaciais - eles o chamam de nanopapelão -, tem sua superfície cuidadosamente projetada para lidar adequadamente com a luz incidente.

"O que estamos vendo é um novo mecanismo de levitação que foi usado no passado para partículas realmente pequenas, aquelas que você não pode ver. Mas o que estamos fazendo é fazer com que funcione para estruturas que são grandes o suficiente para que você possa segurá-las em suas mãos e, portanto, pelo menos potencialmente, terá aplicações na vida real," disse o professor Igor Bargatin, um dos coordenadores da equipe.

Fotoforese

A técnica explora o fenômeno da fotoforese, um fenômeno no qual partículas ficam suspensas em um líquido ou gás - que pode ser o ar atmosférico - e podem ser movimentadas usando gradientes térmicos, com o calor geralmente fornecido por uma fonte de luz laser - este é o princípio por trás da maioria dos experimentos com raios tratores a laser.

"Quando você expõe [o dispositivo] à luz, as moléculas que atingem a superfície absorvem parte do calor," explicou Bargatin. "Projetamos as superfícies [do dispositivo] de forma que a superfície superior não seja muito boa para transferir calor, enquanto a superfície inferior é muito boa para transferir calor e, como resultado, mais moléculas ganharão velocidade descendente do que velocidade ascendente."

Isso cria uma força de sustentação, o que significa que, quando os cartões são expostos à intensidade da luz incidente de cerca de 0,5 Watt por centímetro quadrado, a pressões de ar de cerca de 10 Pascais, eles se movem pelo ar.

Foto das amostras voando dentro de uma caixa de acrílico em condições similares à da mesosfera.
[Imagem: Mohsen Azadi et al. - 10.1126/sciadv.abe6855]

Estudo da mesosfera

Embora já haja propostas teóricas bem elaboradas para que a levitação com luz nos leve às estrelas, esta tecnologia se enquadra na proposta anterior da equipe de usar nanonaves flutuantes para estudar a atmosfera da Terra ou de outros planetas.

Como se pode notar, a demonstração se baseia na manipulação de moléculas ao redor do objeto a uma baixa pressão. Essas condições equivalem à da mesosfera terrestre, uma camada da atmosfera entre 50 e 80 km de altitude. E a energia da luz necessária para levitar os dispositivos é baixa o suficiente para ser suprida pela luz solar.

Essa pode ser uma oportunidade, uma vez que a mesosfera é densa demais para os satélites artificiais, que desacelerariam e cairiam na Terra, e rarefeita demais para os balões, de forma que é uma região não pesquisada do nosso planeta.

Bargatin sugere que seria possível manter sensores do tamanho de cartões de crédito voando de forma sustentada nessa região por meio da levitação por luz. "Devo dizer que, cada vez que um novo mecanismo de voo é implementado ou descoberto, as pessoas encontram novas aplicações que são difíceis de imaginar a princípio," disse ele.

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