Porta lógica de luz é construída em material que computa

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/12/2025

Funcionamento da porta lógica NAND usando três feixes de luz, aqui vistos frontalmente no interior do material.
[Imagem: Kalaichelvi Saravanamuttu]

Materiais computacionais

Toda a eletrônica, computadores inclusive, é construída pela junção de componentes chamados transistores, que funcionam como chaves liga/desliga para a eletricidade. Combinando múltiplos transistores, é possível criar circuitos fundamentais chamados "portas lógicas", cujas saídas (0 ou 1) dependem da combinação de suas entradas (0 ou 1), seguindo as regras da álgebra booleana.

Agora, pesquisadores criaram a primeira porta lógica totalmente funcional usando apenas feixes de luz visível viajando por um material flexível e biocompatível, um hidrogel.

Isto representa um avanço significativo no campo dos chamados materiais computacionais, quando os próprios materiais processam informações, sem a necessidade de circuitos eletrônicos tradicionais e nem de transistores - evolução na matéria e comportamento computacional emergente são termos relativos a esse campo de pesquisas dos materiais que computam.

"Ver esses materiais não apenas reagirem à luz, mas também executarem uma operação lógica, é como observar o material 'pensar'. Isso abre caminho para que sistemas flexíveis tomem decisões por conta própria," disse Fariha Mahmood, que desenvolveu a porta lógica fotônica com colegas das universidades McMaster e Pittsburgh, nos EUA.

É para comemorar mesmo: A equipe vem trabalhando nesses géis que computam há uma década, já tendo demonstrado que seus materiais abrem uma nova via para computação que controla luz com luz. Mas uma porta lógica é um passo essencial para que esses materiais possam ser usados para criar circuitos práticos em larga escala.

Três feixes de luz interagindo entre si dentro do hidrogel.
[Imagem: Fariha Mahmood et al. - 10.1038/s41467-025-64960-4]

Porta lógica de luz

O quadro conceitual dos materiais que computam propõe sistemas nos quais o material e o computador são a mesma entidade, capazes de executar tarefas como reconhecimento de padrões, sincronização ou tomada de decisões, tudo sem depender de circuitos lógicos tradicionais.

O material utilizado é um hidrogel funcionalizado com um composto orgânico chamado merocianina, que se contrai quando iluminado, além de apresentar outras propriedades ópticas interessantes. Quando um feixe de laser penetra no gel, a contração local aumenta o índice de refração, fazendo com que o feixe se "autoconfine", estreitando-se e brilhando de modo mais concentrado à medida que atravessa o material.

O que a equipe descobriu é que, quando se dispara outro feixe de luz no mesmo gel, os dois competem entre si, cada um inibindo a capacidade do outro de se autoaprisionar. E esse comportamento de cabo de guerra vai se tornando mais complexo à medida que são disparados feixes adicionais. E é essa interação que começa a criar padrões de interação que permite criar portas lógicas.

"É empolgante que apenas três feixes de luz e uma rede de polímeros possam mapear diretamente uma operação lógica booleana," comemorou o pesquisador Kalaichelvi Saravanamuttu. "Não são necessários fios, eletrodos ou circuitos externos. O material processa as entradas e determina a saída inteiramente por meio de sua dinâmica interna."

Especificamente, Saravanamuttu criou uma porta lógica do tipo NAND, uma abreviação de "NOT AND". Existem sete portas lógicas fundamentais: AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR e XNOR, mas as portas NAND e NOR são conhecidas como "universais" porque qualquer outra porta lógica pode ser construída usando apenas um único desses tipos de porta.

A conversão da merocianina em espiropirano, induzida pela luz, resulta na contração localizada da rede do hidrogel.
[Imagem: Fariha Mahmood et al. - 10.1038/s41467-025-64960-4]

Computação em materiais biológicos

Embora esses hidrogeis que computam não possam competir com processadores semicondutores em velocidade ou densidade de dados, e nem é esta a intenção, este avanço terá implicações profundas em áreas nas quais os materiais precisam tomar decisões de forma independente.

É o caso da robótica macia, de dispositivos médicos autorreguláveis e inteligentes, sensores que operam de forma independente, materiais adaptáveis que respondam ao ambiente e se reconfiguram para executar funções desejadas, e muito mais.

"Esses sistemas não visam substituir o silício, eles visam imitar a notável autonomia dos materiais biológicos," disse a professora Anna Balazs, coordenadora da equipe. "Um material macio que pode sentir, computar e responder por conta própria abre espaços de projeto completamente novos."

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