Superlente de prata irá revolucionar os microscópios ópticos

Adaptado de artigo de Sarah Yang - 25/04/2005

Um grupo de cientistas da Universidade da Califórnia, Estados Unidos, criou uma superlente que poderá superar os limites da física que, historicamente, têm restringido a resolução de imagens ópticas. Com o desenvolvimento da biologia e da nanotecnologia, é essencial que os cientistas consigam ver diretamente estruturas muito menores do que o comprimento de onda da luz visível.

A descoberta abre caminho para avanços tecnológicos em nanoengenharia que poderão eventualmente permitir a criação de um DVD capaz de armazenar todo o conteúdo da Biblioteca do Congresso norte-americano, a maior biblioteca do mundo.

Com os microscópios ópticos atuais, é possível ver apenas estruturas grandes no interior das células, como o núcleo e a mitocôndria. Com as novas superlentes, esses mesmos microcópios poderão um dia revelar os movimentos de proteínas individuais viajando através do microtúbulos, que constituem o esqueleto da célula.

Microscópios eletrônicos e de força atômica já são utilizados hoje para se visualizar imagens de objetos com apenas alguns nanômetros. Mas esses microscópios criam imagens varrendo os objetos ponto por ponto, o que significa que eles estão limitados ao trabalho com materiais inertes, não-vivos. Além disso, cada imagem leva de alguns minutos a até várias horas para ser capturada.

"Microscópios ópticos podem capturar um quadro inteiro em uma tomada única, de uma fração de segundos," afirma Nicholas Fang, um dos pesquisadores da equipe do Dr. Xiang Zhang, que coordenou a criação das superlentes. Eles publicaram o trabalho no exemplar de 22 de Abril da revista Science.

Utilizando uma finíssima camada de prata como lente e luz ultravioleta, os pesquisadores gravaram imagens de uma estrutura de nanofios e a palavra NANO sobre um polímero orgânico, com uma resolução de 60 nanômetros. Para comparação, os microscópios ópticos atuais somente conseguem fazer imagens de cerca de 400 nanômetros.

"Nosso trabalho tem um impacto de enorme alcance no desenvolvimento de imagens médicas detalhadas, na construção de circuitos eletrônicos de alta densidade e em comunicações por fibras ópticas ainda mais rápidas," afirmou Zhang.

"Isto abre a possibilidade de imageamento de materiais vivos, o que ajudará os biólogos a entenderem melhor a estrutura das células, seu funcionamento em tempo real e, em última instância, permitir o desenvolvimento de novos medicamentos para tratar doenças humanas," complementou Fang, num comunicado da universidade.

O artigo é a última palavra em um campo que tem sido alvo de intensos debates entre físicos e engenheiros, campo esse que envolve a criação de uma lente que possa quebrar o chamado limite da difração da óptica por meio da refração negativa.

Lentes convencionais, sejam naturais ou feitas pelo homem, criam imagens capturando as ondas de luz que se propagam dos objetos e, a seguir, "curvando" essas ondas. O ângulo da curvatura é determinado pelo índice de refração, sendo sempre positivo.

Mas os objetos também emitem ondas sutis, evanescentes, que contêm grande nível de detalhamento, mas são muito mais difíceis de serem capturadas. Essas ondas evanescentes decaem exponencialmente, portanto nunca o fazendo no plano da imagem, um limite óptico conhecido como limite de difração. Quebrar esse limite e capturar as ondas evanescentes é um passo crítico para a criação de uma representação de um objeto que seja 100% perfeita, uma espécie de Cálice Sagrado da óptica.

Em 2000, o físico britânico John Pendry teorizou que um material que apresente um índice de refração negativo poderia capturar e "refocar" as ondas evanescentes em uma imagem perfeita. A teoria proposta por Pendry, de uma "lente perfeita", apareceu mais de 30 anos depois que o físico russo Victor Veselago concebeu um material com índice de refração negativo, um material que seria capaz de inverter os fenômenos ópticos conhecidos.

Essas teorias são baseadas no fato de que, quando as ondas eletromagnéticas da luz atingem a superfíce de uma lente com índice de refração negativo, elas excitam o movimento coletivo das ondas de superfície, também conhecidas como plasmons de superfície. Isto resulta em uma amplificação das ondas evanescentes e é diferente de como a luz tipicamente se comporta quando ela atinge uma lente convencional.

Vários experimentos com refração negativa foram feitos desde então, destacando-se principalmente aqueles feitos por cientistas das Universidade de San Diego e Northeastern, nos Estados Unidos, e nos laboratórios da empresa Boeing. Mas todos estão limitados à faixa das microondas.

Em 2003, a equipe do Dr. Zhang foi a primeira a confirmar que as ondas ópticas evanescentes são mesmo ampliadas quando passam através de superlentes de prata, sob condições muito específicas.

Agora, o Dr. Zhang e seus colaboradores conseguiram, pela primeira vez, demonstrar a construção de imagens reais utilizando superlentes. Eles utilizaram luz ultravioleta, com comprimento de onda de 365 nanômetros, o que significa que as imagens criadas podem ter um nível de detalhamento superior àquelas feitas com microondas.

"Nosso trabalho criou um novo método de imageamento que pode quebrar o limite da difração óptica e tem um potencial tremendo para revolucionar uma grande variedade de tecnologias," afirmou o professor Zhang. À direita pode-se ver duas imagens dos nanofios utilizados no experimento. A imagem da esquerda foi feita com as superlentes e a da direita sem. As superlentes permitem ver todos os detalhes dos nanofios, enquanto a outra imagem apresenta apenas um borrão. A barra de escala mede um micrômetro.

O conjunto de nanofios que foi fotografado tem 40 nanômetros de largura e a palavra NANO tem cerca de 60 nanômetros. Os objetos, incorporados sobre uma camada de cromo, foram colocados na frente das superlentes, que consistem em uma camada de prata de cerca de 35 nanômetros de espessura. Os pesquisadores gravaram a imagem em um fotoresistor, uma cobertura de polímero colocada do outro lado das superlentes, que se torna insolúvel quando exposta à luz ultravioleta.

Na verdade, nenhuma lente é capaz de reconstituir completamente todas as ondas evanescentes emitidas por um objeto, de forma que o objetivo de uma imagem 100% perfeita ainda não foi alcançado. Entretanto, muitos cientistas acreditam que isto é realmente impossível, já que sempre haverá alguma absorção de energia quando as ondas de luz atravessarem qualquer material conhecido.

"Nós não criamos uma imagem perfeita em nosso experimento," afirmou Fang. "Mas é visível que nossa imagem é dramaticamente melhor do que outra criada sem as superlentes de prata."

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