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À esquerda, diferentes padrões de fatias através de uma fina folha de metal são feitos por um feixe de íons focado. Esses padrões fazem com que o metal se dobre em formas predeterminadas, que podem ser usadas para fins como modificar um feixe de luz. Cortesia dos pesquisadores
O nanokirigami decolou como campo de pesquisa nos últimos anos; a abordagem é baseada nas antigas artes do origami (fazer formas 3-D dobrando papel) e do kirigami (que permite cortar e dobrar), mas aplicada a materiais planos no nanoescalamedido em bilionésimos de metro.
Agora, pesquisadores da MIT e na China aplicaram pela primeira vez esta abordagem à criação de nanodispositivos para manipular a luz, abrindo potencialmente novas possibilidades de investigação e, em última análise, a criação de novos dispositivos de comunicação, detecção ou computacionais baseados na luz.
As descobertas são descritas hoje na revista Avanços da Ciência, em um artigo do professor de engenharia mecânica do MIT, Nicholas X Fang, e cinco outros. Usando métodos baseados na tecnologia padrão de fabricação de microchips, Fang e sua equipe usaram um feixe de íons focado para fazer um padrão preciso de fendas em uma folha de metal com apenas algumas dezenas de nanômetros de espessura. O processo faz com que a folha se dobre e se torça em uma forma tridimensional complexa, capaz de filtrar seletivamente a luz com uma polarização específica.
Tentativas anteriores de criar dispositivos funcionais de kirigami usaram métodos de fabricação mais complicados que exigem uma série de etapas de dobramento e visavam principalmente funções mecânicas em vez de ópticas, diz Fang. Os novos nanodispositivos, por outro lado, podem ser formados em uma única etapa de dobramento e podem ser usados para realizar diversas funções ópticas diferentes.
Para esses dispositivos iniciais de prova de conceito, a equipe produziu um equivalente nanomecânico de filtros dicróicos especializados que podem filtrar a luz circularmente polarizada que é “destra” ou “canhota”. Para fazer isso, eles criaram um padrão de apenas algumas centenas de nanômetros de diâmetro na fina folha de metal; o resultado lembra lâminas de cata-vento, com uma torção em uma direção que seleciona a torção correspondente da luz.
A torção e flexão da folha ocorrem devido às tensões introduzidas pelo mesmo feixe de íons que corta o metal. Ao utilizar feixes de íons com dosagens baixas, muitas vagas são criadas, e alguns dos íons acabam alojados na rede cristalina do metal, deformando a rede e criando fortes tensões que induzem à flexão.
“Cortamos o material com um feixe de íons em vez de uma tesoura, escrevendo o feixe de íons focado nesta folha de metal com um padrão prescrito”, diz Fang. “Então você acaba com essa fita de metal que está enrugada” no padrão planejado com precisão.
“É uma conexão muito boa entre os dois campos, mecânica e óptica”, diz Fang. A equipe usou padrões helicoidais para separar as porções polarizadas no sentido horário e anti-horário de um feixe de luz, o que pode representar “uma direção totalmente nova” para a pesquisa do nanokirigami, diz ele.
A técnica é suficientemente simples para que, com as equações que a equipa desenvolveu, os investigadores possam agora calcular retroativamente a partir de um conjunto desejado de características ópticas e produzir o padrão necessário de fendas e dobras para produzir exatamente esse efeito, diz Fang.
“Permite uma previsão baseada em funcionalidades ópticas” para criar padrões que alcancem o resultado desejado, acrescenta. “Anteriormente, as pessoas sempre tentavam cortar por intuição” para criar padrões de kirigami para um determinado resultado desejado.
A pesquisa ainda está em um estágio inicial, ressalta Fang, portanto serão necessárias mais pesquisas sobre possíveis aplicações. Mas estes dispositivos são ordens de magnitude menores do que os equivalentes convencionais que executam as mesmas funções ópticas, pelo que estes avanços podem levar a chips ópticos mais complexos para detecção, computação, sistemas de comunicação ou dispositivos biomédicos, diz a equipa.
Por exemplo, diz Fang, os dispositivos para medir os níveis de glicose geralmente usam medições da polaridade da luz, porque as moléculas de glicose existem nas formas destra e canhota, que interagem de maneira diferente com a luz. “Quando você passa luz através da solução, você pode ver a concentração de uma versão da molécula, em oposição à mistura de ambas”, explica Fang, e este método poderia permitir detectores muito menores e mais eficientes.
A polarização circular também é um método usado para permitir que vários feixes de laser viajem através de um cabo de fibra óptica sem interferir uns nos outros. “As pessoas têm procurado tal sistema para sistemas de comunicação óptica a laser” para separar os feixes em dispositivos chamados isoladores ópticos, diz Fang. “Mostramos que é possível fabricá-los em tamanhos nanométricos.”
A equipe também incluiu o estudante de pós-graduação do MIT, Huifeng Du; Zhiguang Liu, Jiafang Li (supervisor do projeto) e Ling Lu na Academia Chinesa de Ciências em Pequim; e Zhi-Yuan Li, da Universidade de Tecnologia do Sul da China. O trabalho foi apoiado pelo Programa Nacional de P&D da China, pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.
Referência: “Nano-kirigami com quiralidade óptica gigante” por Zhiguang Liu, Huifeng Du, Jiafang Li, Ling Lu, Zhi-Yuan Li e Nicholas X. Fang, 6 de julho de 2018, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.aat4436