Em busca da invisibilidade - metamateriais e camuflagem | Andrea Alú | TEDxAustin

Esta palestra foi dada em um evento TEDx, que usa o formato de conferência TED, mas é organizado de forma independente por uma comunidade local. Para saber mais visite http://ted.com/tedx

Da taça de Lycurgus ao "O Homem Invisível" de H. G. Wells, sempre houve uma linha tênue entre ficção e realidade, quando se fala sobre a possibilidade de se manipular a luz e obter a invisibilidade.

Ao criar a primeira capa de invisibilidade do mundo para um objeto tridimensional, o professor de Engenharia Andrea Alú explica como a descoberta de metamateriais está impulsionando a tecnologia para além dos limites convencionais, produzindo novas oportunidades, além do que a natureza pode oferecer.

Esta tecnologia emergente oferece uma vasta gama de aplicações em biociências, energia, defesa e muito mais do que podemos somente imaginar.

Em seu romance de 1881,
"O Homem Invisível",

Herbert George Wells criou um cientista

que dedica toda a sua vida
à pesquisa em ótica.

No final, ele consegue uma forma

de tornar os objetos, ou corpos,
invisíveis para o olho humano.

Wells não foi a primeira pessoa
a escrever sobre a invisibilidade,

mas, com sua fantástica imaginação,

e suas descrições detalhadas
dos processos óticos envolvidos,

ele foi capaz de fascinar as gerações

de leitores, diretores de cinema
e até muitos cientistas.

Há, também, um pouquinho
de voyeurismo em todos nós,

que instiga a nos escondermos
atrás de uma capa de invisibilidade,

para andarmos tranquilamente,
sem sermos vistos.

O fascínio humano
por controlar e manipular a luz,

é muito mais antigo do que Wells,

provavelmente, tão antigo
quanto a humanidade.

O que se vê nesta imagem
é a taça Lycurgus,

um vaso de vidro romano,
de 1,5 mil anos antes de Wells.

Ele está exposto no Museu Britânico,
em Londres, e tem um efeito ótico único:

se você olhar o copo quando
ele estiver iluminado por trás,

parece vermelho;
mas quando iluminado pela frente,

com a luz passando por ele, parece verde.

Os gregos e romanos antigos aprenderam

ao longo de séculos de experimentos
por tentativa e erro,

que, derretendo cuidadosamente

pequenas porções
de metais preciosos em vidro,

eles poderiam obter
esse efeito ótico surpreendente.

Olhando-se o vidro num microscópio,

pode-se ver minúsculas
ligas de prata e ouro.

Essas nano partículas metálicas são
tão pequenas quanto 70 nanômetros,

que é 10 mil vezes menor
do que um único grão de areia.

Agora sabemos, depois de séculos,
que as proporções exatas de materiais,

o tamanho e a densidade
dessas nano partículas

são a combinação exata que pode
produzir este efeito ótico único.

É surpreendente, como
artistas, há alguns milênios,

foram capazes de desenvolver
esses artifícios minuciosos nos materiais,

para produzir esse efeito ótico único.

Eles tinham ferramentas muito simples
e muita habilidade para conseguir isso.

Vamos andar alguns séculos à frente,
até o norte da Europa moderna.

Essas mesmas técnicas foram posteriormente
dominadas por artistas da época,

para produzir as cores excepcionalmente
brilhantes que podemos admirar nos vitrais

que decoram milhares
de igrejas em toda a Europa.

E, provavelmente, no mundo todo.

Naquela época, os artistas
dessas obras-primas

não conheciam todas as leis da ótica
que determinam esses fenômenos.

Mas, com um trabalho
único e habilidades incríveis,

eles conseguiram encontrar a fórmula certa

para transformar um vidro comum
numa belíssima obra de arte.

Eles estavam usando essas nano
partículas para produzir esses efeitos.

É surpreendente pensar

o que esses artistas faziam naquela
época, com as ferramentas disponíveis.

Uma coisa que podemos ter certeza
é que esses artistas não imaginavam

que eles seriam os precursores
dos cientistas modernos,

que estão revelando os mistérios
da luz interagindo com a matéria.

Os vitrais que estou mostrando
e que mostrarei depois com mais detalhes,

são os ancestrais da tecnologia moderna

que poderiam realizar o sonho
de Wells, de uma capa de invisibilidade.

Hoje, estamos num período
particularmente instigante da história

porque, com as ferramentas
modernas da nanotecnologia,

podemos controlar com precisão

o tamanho, a forma, a orientação, posição
e o alinhamento das nano partículas

e produzir os efeitos óticos

que seriam considerados impossíveis
de se obter há apenas alguns anos.

Apenas para se ter uma ideia

do tipo de nano materiais
que podemos fabricar atualmente

ou dos modernos vitrais
que estamos produzindo,

observem essas imagens microscópicas
criadas recentemente em meu laboratório.

Pode-se ver camadas
de vidro extremamente finas,

sobrepostas e decoradas por minúsculos
nano filetes perfeitamente alinhados,

ainda menores que aqueles
existentes na taça de Lycurgus.

Você pode pensar

que eles não parecem tão bonitos
como os vitrais que mostrei anteriormente,

mas posso dizer que eles têm
implicações muito maiores

no futuro da ótica aplicada
e nos sensores de câmeras.

Nos últimos dez anos houve
um crescimento sem precedentes

na realização e no entendimento da física

dos materiais que funcionam na escala nano

e percebemos que, se pudermos controlar
esses nano materiais, na escala do nano

talvez possamos desafiar
as regras e limitações

que foram consideradas
imutáveis por séculos.

Foi assim que se iniciou uma nova
área da ciência e da tecnologia,

a dos metamateriais
ou materiais criados pelo homem,

que possuem propriedades
que podem ir além ou transcender

aquelas dos materiais naturais.

Apenas como exemplo

de como esses metamateriais
podem realmente enganar a luz,

considere um dos fenômenos
mais básicos em ótica:

talvez até seja familiar para você...

O fenômeno da refração da luz
no limite entre dois materiais.

Refração ocorre quando um raio
de luz entra num novo material

digamos, da água para o ar,

ele se curva porque
muda a direção na qual viaja.

Esse é o efeito combinado
de todas as moléculas de água

que interagem com a luz incidente
e, como resultado, a curva.

Este mesmo fenômeno também explica
por que um canudo num copo de água

parece quebrado no limite com a água.

Em 1968, um jovem físico russo
escreveu seu primeiro artigo teórico

sobre uma simples,
mas obscura questão teórica.

Ele se perguntou, o que aconteceria

se pudesse encontrar um material
com índice de refração negativo.

O índice de refração
é essencialmente o que descrevi:

é a grandeza que mede
quanto a luz se curva

quando entra num determinado material.

Victor Veselago,
esse era o nome do cientista,

imaginou o que aconteceria
se essa grandeza fosse negativa.

Para o ar, o índice vale um;

e é maior que um para
qualquer outro material.

Mas ele tinha essa curiosidade.

E ele descobriu que a luz
pode se curvar de outra forma.

Se pudéssemos encontrar
esse material na forma líquida,

é assim que ficaria o nosso canudo.

Quando esse artigo foi publicado,

o trabalho de Veselago
não recebeu muita atenção

e, para ser honesto, mesmo anos
depois, praticamente ninguém o leu.

O que não é uma surpresa:

os cientistas daquela época achavam
que esses materiais não existiam.

E mesmo que acreditassem,
não saberiam o que fazer com eles.

No entanto, Veselago continuou
trabalhando com eles por muitos anos,

ao longo de sua carreira

e sua busca finalmente
terminou 35 anos depois,

quando um grupo da Universidade
da Califórnia, em San Diego,

conseguiu obter, de forma
experimental, pela primeira vez,

um metamaterial de índice negativo.

Trinta e cinco anos.

Foi o tempo que levou para essa ideia
fascinante passar de sonho à realidade.

Como as imagens que mostrei antes,

o que esses cientistas compreenderam
foi que, controlando cuidadosamente

a composição, a forma
e o arranjo de moléculas artificiais,

eles poderiam obter esse efeito,
que era considerado impossível.

Ao longo desses 35 anos, cientistas
de muitos países entenderam

que, controlando materiais na escala nano
e produzindo metamoléculas artificiais,

eles poderiam fazer a luz
se curvar no sentido inverso,

da mesma forma que as moléculas
de água curvam a luz no sentido normal.

Basicamente, foi assim que a nossa
jornada à invisibilidade começou.

Alguns colegas e eu imaginamos

que, se pudéssemos enganar
a luz para ir em outro sentido,

poderíamos tentar um maior
número de efeitos exóticos.

Invisibilidade e camuflagem
representam hoje,

uma das aplicações mais
fantásticas dos metamaterais

que conseguimos até agora.

Somente a possibilidade
de se obter este efeito

tem incitado a imaginação de cientistas
e leigos de todo o mundo

e conectado este campo da tecnologia

com algo que esteve em nossos
sonhos, livros ou romances.

Nos últimos oito anos houve
muitas sugestões e diferentes propostas

para associar esses
metamateriais à invisibilidade.

Como isso funcionaria?

Temos que entender um pouquinho
como vemos esses materiais:

quando um raio de luz
excita ou atinge um material,

sua superfície reflete e dispersa

todas as ondas de luz
que interagem com ele.

Nossos olhos podem, então, captar
uma porção das ondas dispersadas,

e é o que nos permite ver o objeto.

Se conseguirmos, de alguma
forma, evitar essa interação,

entre a luz e o objeto ou cancelar
todas essas ondas que se dispersam,

então, o objeto se tornaria invisível.

Observe que isso é diferente de apenas
tentar eliminar os reflexos de um objeto.

Isso é o que a tecnologia invisível
já faz nos aviões militares, por exemplo.

O que desejamos é muito mais desafiador.

Queremos eliminar todas
as ondas refletidas pelo objeto,

incluindo a sombra na parte de trás dele,

para tornar o objeto
completamente invisível.

Uma ideia para se obter este efeito,
é pegar uma capa de metamaterial,

colocá-la em torno do objeto

e curvar cuidadosamente
os raios de luz ao redor do objeto,

de forma que eles
não interajam com o objeto.

Em 2005, eu e alguns colegas
propusemos uma abordagem diferente,

imaginando se poderíamos
criar um metamaterial

que difundisse uma forma de luz
negativa, oposta àquela do objeto,

equilibrando adequadamente
a luz positiva do objeto

com a luz negativa difundida
a partir do metamaterial,

cancelando completamente
as ondas dispersadas,

com a luz passando através
do objeto, sem ser detectada.

Após a apresentação desta ideia,
começamos a trabalhar num experimento

quando percebemos que Wells
já a tinha entendido completamente.

(Risos)

No seu romance, ele descreve
um efeito muito similar em termos leigos:

Griffin, o cientista louco
trabalhando neste experimento,

percebeu que, se ele pudesse diminuir

o índice de refração
de um corpo em relação ao ar,

não haveria a difusão da luz.

Nas próprias palavras de Wells:

"Griffin inventou um método
que tornava possível,

sem alterar qualquer
outra propriedade da matéria,

diminuir o índice de refração
de uma substância,

naquilo que diz respeito
a todos os aspectos práticos.

Ou um corpo absorve a luz
ou a reflete ou a refrata

ou faz todas essas coisas.

Se nem reflete nem refrata e não
absorve a luz, não pode ser visível".

Não é fantástico?

Quando li esta passagem pela primeira vez,

imaginei como um autor,
um escritor do século 19,

poderia apresentar
esses conceitos difíceis

e explicá-los com palavras
simples, mas muito poderosas.

No ano passado, meu time
da Universidade do Texas, Austin,

conseguiu, pela primeira
vez, obter a invisibilidade

de um objeto tridimensional.

Ao invés de trabalhar
com a luz ou espectro visível,

trabalhamos com ondas de rádio.

Elas são mais longas e tornam
o experimento mais fácil

e seguem as mesmas
leis da física que a luz.

Pegamos um cilindro de 15 centímetros

e o cobrimos com uma capa
de metamaterial cuidadosamente projetada

para ter a exata resposta oposta,
uma resposta eletromagnética do cilindro.

Obtivemos este efeito

inserindo placas metálicas
num revestimento de cerâmica,

muito parecidas com as imagens
que mostrei anteriormente.

Nosso experimento provou que é possível
obter a transparência total de um objeto

para todos os ângulos de observação
e para todas as posições do observador,

mesmo próximo à superfície
do objeto ou logo atrás dele.

Apenas para entender como é isso,

esta animação mostra as ondas de rádio
atingindo o cilindro original, sem a capa.

Como se vê, as ondas de rádio,
quando atingem o cilindro,

são refletidas e ricocheteiam
na superfície do cilindro.

É assim que nossos olhos
verdadeiramente veem os objetos,

percebendo essas dispersões e deflexões.

Depois que colocamos a capa
de metamaterial em torno dele,

isso é o que observamos experimentalmente,
alguma coisa parecida com isso.

A onda passava através do objeto,
sem interferir com ele

e também não há sombra atrás dele.

Se estivéssemos sentados atrás do cilindro
coberto e olhássemos através dele

veríamos as ondas
de rádio na nossa direção,

como se não houvesse nada no meio.

Do ponto de vista prático,
o objeto é invisível aos radares.

Ainda não são olhos humanos,
mas é essencialmente a mesma física.

Agora estamos trabalhando para ampliar
este conceito para objetos maiores,

grupos de objetos
e até frequências diferentes.

Não estamos só pensando

em tipos de aplicação óbvios
de defesa ou camuflagem,

mas também em outros
campos de interesse prático.

Imagine, por exemplo, se pudéssemos
construir antenas invisíveis

que poderiam receber um sinal
sem serem detectadas.

Não é uma forma moderna do século 21
de se esconder numa capa de invisibilidade

e olhar ao redor, sem ser visto?

Também, essas antenas invisíveis
poderiam não interferir entre si

num ambiente abarrotado,
como no alto de um edifício.

Conceitos similares também podem ser
aplicados à microscopia de campo próximo

para melhorar medições biomédicas,

ao permitir aproximar-se bastante
de um objeto, com a ponta do microscópio

e ver detalhes muito pequenos deste
objeto, sem interferir com as medições.

Sugerimos, também,
que se poderiam usar essas ideias

para melhorar a eficiência de absorção
em aplicações de energias limpas,

para produzir nanotecnologia
em identificação biomédica

e até mesmo produzir nano dispositivos

que seriam usados na próxima geração
de computadores óticos ultrarápidos.

Aqui está.

Se você não se liga
nesses avanços tecnológicos

e está apenas sonhando com uma capa
de invisibilidade mais cedo do que tarde,

entendo você, mas tenho que avisá-lo que
a história do Griffin não acaba tão bem.

Na verdade, Griffin consegue
aplicar o procedimento em si mesmo,

ele fica invisível, mas não
consegue reverter o processo

e fica invisível para sempre.

Seu melhor amigo o trai e revela
seu segredo para todo mundo

e Griffin decide matá-lo
e inicia um reino de terror.

Acredito que o futuro dos metamateriais
seja melhor do que a história de Griffin.

(Risos)

Na verdade, gosto de pensar

que os metamateriais são
os novos vitrais do século 21;

um pouco menos coloridos
que os antigos, como conhecemos.

Em nossa busca contínua e fascinante

para enganar e manipular
a luz com materiais,

acho que estamos perto de trazer
um pouco de ficção à realidade

e mostrarmos que, ao pensarmos
um pouco de forma criativa,

conseguimos superar algumas
limitações fundamentais

da ciência e da tecnologia modernas.

É interessante que, no frigir dos ovos,

esta é uma área de estudo
de apenas dez anos.

Obrigado.

(Aplausos)