O polvo e o choco são conhecidos pela sua capacidade de se integrarem perfeitamente no ambiente. Eles podem mudar rapidamente a cor e a textura da pele, uma habilidade que os cientistas há muito procuram replicar em materiais feitos pelo homem. Agora, pesquisadores de Stanford relataram um grande avanço. Em um estudo publicado pelo Dr. a naturezaEles descrevem um material flexível que pode mudar rapidamente os padrões e cores de sua superfície, criando características menores que o cabelo humano.
“As texturas são importantes para a forma como percebemos os objetos, como eles se parecem e se sentem”, disse Siddharth Doshi, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais em Stanford e primeiro autor do artigo. “Esses animais podem mudar fisicamente seus corpos próximo à escala do mícron, e agora podemos controlar dinamicamente a topografia de um material – e suas propriedades visuais associadas – nesta mesma escala.”
Esta inovação poderá levar a sistemas avançados de camuflagem tanto para humanos como para robôs, bem como ecrãs flexíveis que mudam de cor em dispositivos vestíveis. Também abre novas portas para a nanofotônica, um campo focado no controle da luz em escala muito pequena para uso em eletrônica, criptografia e biologia.
“Não há outro sistema que possa ser tão suave e expansível e que possa ser padronizado em nanoescala”, disse Nicholas Melosh, professor de ciência e engenharia de materiais e autor sênior do artigo. “Você pode imaginar todos os tipos de aplicações diferentes.”
Como os elementos criam padrões dinâmicos
Para criar essas texturas mutáveis, a equipe combinou a litografia por feixe de elétrons, uma técnica amplamente utilizada na fabricação de semicondutores, com um filme de polímero responsivo à água. Certas regiões do filme tornam-se mais ou menos absorventes quando expostas a um feixe focalizado de elétrons. À medida que o material absorve água, essas áreas incham separadamente, criando padrões complexos que só aparecem quando o filme está molhado.
O insight principal veio inesperadamente. em um exame anteriorDoshi usou um microscópio eletrônico de varredura para examinar nanoestruturas em um filme polimérico. Em vez de jogar fora as amostras mais tarde, ele as reutilizou. Durante os testes subsequentes, as áreas previamente expostas ao feixe de elétrons se comportaram de maneira diferente e exibiram cores distintas.
“Percebemos que poderíamos usar esses feixes de elétrons para controlar a topografia em uma escala muito precisa”, disse Doshi. “Deve ter sido brutal.”
De superfícies planas a estruturas 3D
A precisão desta técnica permite detalhes notáveis. Os pesquisadores até criaram uma versão menor do El Capitan de Yosemite. Quando seca, a superfície fica completamente plana. Depois que a água é adicionada, a estrutura sobe do filme, formando uma forma tridimensional.
Ajustando cuidadosamente o quanto o material incha, a equipe pode controlar como ele reflete a luz. Permite alternar entre acabamentos brilhantes e foscos, criando efeitos visuais que superam o que as telas atuais podem alcançar. O processo é reversível. A adição de um solvente semelhante ao álcool remove a água e retorna o material ao seu estado plano.
O mesmo método também pode criar padrões de cores complexos. Ao colocar finas camadas de metal em cada lado do polímero, os pesquisadores criaram estruturas conhecidas como ressonadores Fabry-Perot, que selecionam comprimentos de onda específicos de luz. À medida que o filme se expande ou contrai, ele exibe cores diferentes. Com o equilíbrio certo de água e solvente, uma superfície plana pode ser transformada em uma variedade vibrante de padrões.
“Ao controlar dinamicamente a espessura e a topografia de um filme de polímero, você pode obter uma grande variedade de belas cores e texturas”, disse Mark Brongersma, professor de ciência e engenharia de materiais e autor sênior do artigo. “A introdução de materiais macios que podem expandir, contrair e alterar a sua forma abre uma caixa de ferramentas totalmente nova no mundo da óptica para manipular a aparência das coisas.”
Aplicações futuras em camuflagem e robótica
Quando múltiplas camadas desses filmes são combinadas, os pesquisadores podem ajustar independentemente a cor e a textura, permitindo que o material se misture como um polvo (embora não sem algumas tentativas e erros).
Atualmente, é necessário ajustar manualmente os níveis de água e solvente para corresponder ao fundo. A equipe espera automatizar esse processo adicionando visão computacional e sistemas de IA que possam analisar o ambiente e ajustar componentes em tempo real.
“Queremos ser capazes de controlar isso com redes neurais – basicamente um sistema baseado em IA – que possa comparar a pele e seu fundo e, em seguida, corrigi-lo automaticamente para corresponder em tempo real, sem intervenção humana”, disse Doshi.
Além da camuflagem: novas possibilidades
Os usos potenciais vão além da camuflagem. O controle preciso sobre a textura da superfície pode ajudar a controlar o atrito, permitindo que pequenos robôs agarrem as superfícies ou deslizem sobre elas. Em nanoescala, mudanças na estrutura podem afetar o comportamento das células, abrindo aplicações potenciais em bioengenharia. A equipe está até colaborando com artistas para explorar usos criativos do material.
“Pequenas mudanças nas propriedades de materiais macios em distâncias micrométricas serão eventualmente possíveis, o que abrirá todos os tipos de possibilidades”, disse Melosh. “Acho que muitas coisas interessantes estão por vir.”
Equipe de pesquisa e suporte
Brongersma é professor, por cortesia, de física aplicada; Membro da Stanford Bio-X, da Wu Tsai Human Performance Alliance e do Wu Tsai Neurosciences Institute; e afiliado ao Precourt Institute for Energy.
Melosh é membro dos Institutos de Neurociências Stanford Bio-X e Wu Tsai; Uma afiliada do Precourt Institute for Energy; e Sarafan é professor do ChEM-H.
Coautores adicionais de Stanford no estudo incluem Alberto Salio, professor de Hong Se e Vivian WM Lim e professor de ciência de fótons; Professora Associada Polly Fordyce; Pesquisador de pós-doutorado Nicholas A. Gusken e Garwin Dyck; a diretora da fundição de microfluídica de Stanford, Jennifer E. Ortiz-Cardenas; e os estudantes de pós-graduação Johan Carlström, Peter Suzuki e Bohan Lee.
Este trabalho foi financiado por uma Stanford Graduate Fellowship, uma Meta PhD Fellowship, a Wu Tsai Human Performance Alliance da Universidade de Stanford, e a Fundação Joe e Clara Tsai, a Academia Nacional Alemã de Ciências Leopoldina, o Departamento de Energia, o Escritório de Pesquisa Patrocinada da Força Aérea e a National Science Foundation.
