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Física

Vibrações em escala nanométrica

Pesquisadores da Unicamp e dos Estados Unidos detectam em tempo real as oscilações que a temperatura provoca em nanotubos de carbono

Pinça e cavidade diminutas permitem medir vibração de nanotubos

Mian Zhang e Arthur Barnard/Nature

Um experimento conseguiu detectar em tempo real as vibrações mecânicas que a temperatura ambiente provoca em nanotubos de carbono. A maneira como essas estruturas diminutas reagem a fatores como temperatura determina propriedades mecânicas, elétricas e térmicas das quais depende uma série de aplicações industriais. Ocorre que é muito difícil fazer essas medições na escala em que elas atuam – são cilindros com diâmetro de 5 nanômetros, seriam necessários 20 mil deles para chegar à espessura de um fio de cabelo. Agora, cientistas da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e das universidades Cornell, Harvard e Stanford, todas dos Estados Unidos, tiveram sucesso, de acordo com resultados publicados hoje (21/1), na revista Nature.

“O potencial de uso dos nanotubos está evoluindo rapidamente com aplicações emergentes, incluindo processamento de sinais, detecção biológica e mecânica quântica. Na medida em que as dimensões dessas estruturas encolhem, suas vibrações se tornam cada vez mais suscetíveis às flutuações térmicas”, explica o físico Gustavo Wiederhecker, do Departamento de Física Aplicada do Instituto de Física Gleb Wataghin da Unicamp, coautor do artigo. “A mecânica nessa escala tem uma dinâmica muito rica ainda pouco explorada, porque faltam maneiras eficientes de detectar esse movimento em tempo real.”

Uma corda esticada parece não fazer movimento algum, mas microscopicamente ela está sendo excitada pelo movimento incessante dos átomos que a constituem. São movimentos muito pequenos quando comparados às dimensões da corda, mas, em uma estrutura nanométrica, a temperatura provoca vibrações bem maiores; mal comparando, seria como se alguém de tamanho nanométrico pulasse corda com um nanotubo. “Para medir essas vibrações, foi necessário desenvolver um sistema com alta resolução espacial e extrema sensibilidade. Dessa forma, fomos capazes de observar uma dinâmica até então não detectada; o tempo de vida das vibrações mecânicas se mostrou quase mil vezes mais longo do que o relatado anteriormente”, diz o físico.

Para isso, os pesquisadores se valeram da optomecânica, campo da fotônica que se dedica à interação entre luz e vibrações em cavidades ópticas – algo parecido ao realizado em 2015, nos Estados Unidos, quando um feixe de laser aprisionado em uma cavidade de 4 quilômetros de extensão foi usado para detectar, pela primeira vez, as ondas gravitacionais geradas pela fusão de dois buracos negros no espaço no Observatório Interferométrico de Ondas Gravitacionais (Ligo). No experimento com as vibrações térmicas, o feixe de laser foi confinado em uma microcavidade óptica, discos de nitreto de silício de aproximadamente 30 micrômetros de diâmetro – o equivalente a um quinto da espessura de um fio de cabelo. A maneira como essa luz se refratava quando o nanotubo de carbono era aproximado da microcavidade, e a cada vibração do seu corpo, permitiu aos pesquisadores monitorar esses movimentos em tempo real. “É a mesma lógica dos detectores das ondas gravitacionais, que têm cavidades ópticas de quilômetros”, compara Wiederhecker.

Mian Zhang e Arthur Barnard/Nature Imagem colorida artificialmente: pinça (amarela), cavidade (verde) e fibra óptica que alimenta cavidade com luz (azul) permitem medir vibração de nanotubosMian Zhang e Arthur Barnard/Nature

O nanotubo é aproximado da cavidade por meio de uma pinça também de proporções mínimas, feita de pontas de ouro suportadas em uma estrutura polimérica e acionada por uma tensão elétrica que abre e fecha o mecanismo, sem o uso direto da mão humana. O desenvolvimento dessa pinça e a coleta de nanotubos com a mesma foi o tema da tese de doutoramento de Arthur Barnard, um dos autores do artigo. Cada braço da pinça tem 5 micrômetros de espessura e todo o processo foi observado por meio de um microscópio.

Detalhes tão pequenos
Monitorar essas vibrações já era possível, conta Wiederhecker, mas por meio de medidas elétricas amplificadas, que não permitiam detectá-las em tempo real. “O máximo que se conseguia era perceber um efeito médio, como quando se está na estrada e a roda do carro ao lado parece girar para um lado, depois para outro, em vez de continuamente na mesma direção”, explica Wiederhecker. Isso porque não temos suficiente velocidade no nosso sensor óptico, os olhos, para enxergar a roda em seus milhares de rotações por minuto. “Com as medidas elétricas amplificadas, é possível detectar que há vibração no nanotubo, mas não exatamente como ele está vibrando.”

Para que as reações da luz na microcavidade óptica do sistema desenvolvido retratassem exatamente as vibrações do nanotubo, toda a interação entre os elementos do experimento precisou ser cuidadosamente calculada. O feixe de laser que ilumina a microcavidade, por exemplo, não podia ser muito intenso, já que, apesar de a luz não ter não ter massa, a velocidade das suas partículas, os fótons, exerce força sobre os objetos. Dessa forma, a quantidade de luz dentro da cavidade precisava ser ínfima.

“Trata-se de um experimento de muitas sutilezas e que levou ao desenvolvimento de um sistema inovador de caracterização das vibrações térmicas dos nanotubos de carbono, ampliando ainda mais seu potencial como transistores eletrônicos ou sensores, entre outras aplicações”, destaca o pesquisador.

Projeto
Nanofotônica em semicondutores do Grupo IV e III-V (nº 12/17765-7); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Regular; Programa Jovem Pesquisador; Pesquisador responsável Gustavo Silva Wiederhecker (Unicamp); Investimento R$ 1.309.700,14.

Artigo científico
BARNARD, A. et al. Real-time vibrations of a carbon nanotube. Nature. 21 jan. 2019.

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