Dois tipos de nanotecnologia, metalenses e metamateriais, poderão em breve tornar realidade a capa da invisibilidade de Harry Potter. Informações do portal Big Think.
Por muito tempo um grampo de ficção científica e fantasia, a capacidade de se tornar invisível seria um desenvolvimento tecnológico revolucionário. Ao dobrar a luz de todos os comprimentos de onda ao redor de um objeto, independentemente de sua forma, tanto metalenses quanto metamateriais oferecem o potencial de efetivamente “encobrir” qualquer objeto. Pesquisas recentes demonstraram que a combinação dos dois dispositivos de nanotecnologia pode, de fato, abrir caminho para a primeira capa de invisibilidade universal funcional.
Desde que os seres humanos escrevem sobre fantasia, mito e ficção científica, o sonho da invisibilidade sempre foi uma prioridade. Enquanto Star Trek trouxe a ideia de um dispositivo de camuflagem para a consciência popular, e Harry Potter trouxe consigo a ideia generalizada de uma capa de invisibilidade real, não houve muitas aplicações úteis de tecnologia baseada em invisibilidade em larga escala. Na verdade, o mais próximo que chegamos de alcançar a invisibilidade real foi através do desenvolvimento da tecnologia furtiva, que só confere invisibilidade efetiva em comprimentos de onda muito maiores do que os olhos humanos podem perceber.
A invisibilidade ao radar, que é a radiação eletromagnética de comprimento de onda de microondas para rádio, pode ter sido o primeiro passo, mas desenvolvimentos recentes em metamateriais estenderam isso ainda mais, dobrando a luz em torno de um objeto e tornando-o verdadeiramente indetectável. Talvez o avanço crítico que poderia finalmente trazer um manto de invisibilidade à realidade tenha ocorrido em 2018, em um novo material chamado metalens acromáticos de banda larga. Pela primeira vez, tornou um objeto indetectável em todo o espectro de luz visível. A fusão dessa tecnologia com a camuflagem de metamateriais – outro avanço recente da nanotecnologia – poderia finalmente permitir o primeiro dispositivo de camuflagem de luz visível. Aqui está a história.
Em circunstâncias normais, quando você bombardeia qualquer material com luz de qualquer comprimento de onda, o comportamento típico é absorção ou reflexão. Se a luz for absorvida, qualquer luz de fundo e sinais serão obscurecidos, alertando você sobre sua presença. Em outras palavras, o objeto não será transparente.
Se a luz for refletida, qualquer sinal que você enviar será devolvido a você, iluminando o objeto e permitindo que você o observe diretamente. Novamente, o objeto não será transparente.
A única maneira de obter transparência real seria se a luz vinda de trás do objeto pudesse de alguma forma ainda chegar, com a mesma trajetória, na frente do objeto, como se a luz fosse transmitida diretamente através do objeto. A forma como um verdadeiro “dispositivo de camuflagem” funcionaria, então, para esconder um material que não fosse intrinsecamente transparente seria desviar a luz ao redor de um objeto de todas as direções. Dessa forma, qualquer observador, olhando de qualquer local e orientação, simplesmente veria os sinais de fundo, como se o objeto camuflado não estivesse lá.
Um revestimento especial de várias camadas de uma substância conhecida como metamaterial foi desenvolvido nas últimas duas décadas, permitindo que a radiação eletromagnética de certos comprimentos de onda específicos passe livremente em torno de um objeto. Isso é diferente da transparência, onde a luz é transmitida através de um material; a estrutura de um metamaterial guia a luz em torno de um objeto, enviando-o imperturbável na mesma direção em que entrou.
A partir de 2006, a ciência da ótica de transformação nos permitiu mapear um campo eletromagnético em uma grade giratória semelhante ao espaço; quando a grade fica distorcida, o mesmo acontece com o campo e, na configuração correta, um objeto interior pode ser completamente oculto. Ao dobrar e, em seguida, não dobrar a luz na quantidade adequada, os objetos podem ser camuflados para determinados comprimentos de onda de luz.
A partir de 2016, um manto de metamaterial de 7 camadas estendeu o alcance do infravermelho até as porções de rádio do espectro: um enorme conjunto de cobertura de comprimento de onda, mas que ainda não se estende ao óptico.
Uma nanotecnologia relacionada aos metamateriais vem na forma do campo dos metalenses. As lentes são bem conhecidas por serem transparentes e por mudarem o ângulo em que os raios de luz de fundo emergem. Lentes convergentes e divergentes são as formas mais comuns de lentes e são frequentemente usadas para corrigir a visão humana na forma de óculos. A maioria dos materiais normais dos quais você pode criar uma lente tem a mesma propriedade dispersiva de um prisma: quando você passa a luz através dele, a luz diminui.
Mas, em qualquer lente, há uma propriedade infeliz de que a luz de diferentes comprimentos de onda diminui em quantidades diferentes, e é por isso que você obtém um efeito de “arco-íris” quando a luz passa por um meio, pois a luz vermelha viaja a uma velocidade diferente da luz azul. Revestimentos podem ser aplicados em lentes cuidadosamente moldadas para tentar minimizar esse efeito de aberração cromática, mas está sempre presente em alguma quantidade. As câmeras modernas usam várias lentes para eliminar ao máximo a aberração cromática, mas são pesadas, volumosas, caras e ainda não são 100% bem-sucedidas.
É aí que a ideia de uma metalens pode oferecer uma melhoria substancial em relação às lentes tradicionais, mesmo em comprimentos de onda de luz visível. Um metalens, idealmente, moldaria as frentes de onda das ondas de luz recebidas, independentemente do comprimento de onda, permitindo que a luz fosse focada em um único ponto, mesmo nas menores escalas. Um metalens tem inúmeras propriedades atraentes, incluindo:
Eles podem ser muito finos (da ordem de um único comprimento de onda de luz),
São fáceis de fabricar,
E eles podem focalizar a luz de uma variedade de comprimentos de onda no mesmo ponto.
O avanço crítico de 2018, publicado na Nature Nanotechnology, é através da aplicação de nanofinas à base de titânio. Com base no comprimento de onda da luz incidente, essas nanofinas guiarão a luz através de uma parte diferente do material, permitindo que ela se dobre exatamente na quantidade necessária e adequada para que ela termine onde precisamos.
Imediatamente, isso permite o desenvolvimento de uma lente mais barata, mais leve e mais eficaz. Como um dos autores do artigo, Wei Ting Chen, explica:
“Ao combinar duas nanofinas em um elemento, podemos ajustar a velocidade da luz no material nanoestruturado, para garantir que todos os comprimentos de onda visíveis sejam focados no mesmo ponto, usando uma única metalena. Isso reduz drasticamente a espessura e a complexidade do design em comparação com as lentes acromáticas padrão compostas.”
Embora as primeiras aplicações comercializáveis dessas metalenses devam em breve incluir câmeras, dispositivos de RV, microscópios e outras tecnologias medicinais e aumentativas, uma fusão de longo prazo do conceito de metalens/nanofinas com metamateriais poderia ser exatamente o santo graal das combinações tecnológicas que um real -dispositivo de camuflagem de vida exigiria.
O maior desafio para a construção de um manto de invisibilidade da vida real tem sido a incorporação de uma grande variedade de comprimentos de onda, pois o material do manto deve variar de ponto a ponto para dobrar (e depois desdobrar) a luz na quantidade adequada. Embora os metamateriais tenham conseguido uma cobertura impressionante, até agora excluiu a luz visível, mas a adição de uma camada de metal aos metamateriais pode finalmente superar esse obstáculo.
Com base nos materiais descobertos até agora, ainda não conseguimos penetrar na porção de luz visível do espectro com um manto. Este novo avanço em metalenses, no entanto, parece indicar que se você pode fazer isso para um único e estreito comprimento de onda, você pode aplicar essa tecnologia nanofin para estender tremendamente o comprimento de onda coberto. Esta primeira aplicação em lentes acromáticas cobriu quase todo o espectro de luz visível: de 470 a 670 nm, enquanto a visão humana se estende de 400 a 700 nm. A fusão bem-sucedida desse avanço de metalens com avanços simultâneos em metamateriais tornaria realidade os dispositivos de camuflagem de luz visível.
Apenas alguns anos atrás, especulou-se que uma capa de invisibilidade da vida real só poderia ser aplicada a um conjunto muito estreito de comprimentos de onda para algumas configurações específicas. Pensava-se inconcebível que grandes objetos macroscópicos pudessem ser camuflados para uma enorme variedade de comprimentos de onda.
Hoje, um avanço nos metalenses, ao guiar a luz de vários comprimentos de onda para o local adequado para obter o resultado livre de distorção que tanto desejamos, pode ser apenas a descoberta de que precisamos para anunciar a chegada de um verdadeiro dispositivo de camuflagem.
Como Star Trek imaginou pela primeira vez, levou séculos para que a tecnologia de camuflagem fosse aperfeiçoada. Aqui na Terra, pode levar uma ou duas décadas. Se este último avanço de metalens puder ser aplicado rapidamente a capas de metamateriais, um dispositivo óptico de camuflagem 3D pode finalmente se tornar uma realidade em um futuro muito próximo da humanidade.
