Refração negativa no visível permitirá finalmente ver vírus e bactérias em cores

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/03/2022

Diagrama mostrando a refração negativa em um metamaterial (a cor é o RGB da luz visível).
[Imagem: POSTECH]

Metamateriais hiperbólicos

De que cor é o coronavírus? Não sabemos. Você pode até ter visto alguma imagem "colorizada" de um ou outro vírus, mas as cores são colocadas por programas de computador para facilitar a visualização.

Os microscópios ópticos ainda são incapazes de gerar imagens coloridas e de alta resolução de vírus e bactérias. Microscópios eletrônicos são usados para visualizá-los de maneira mais real, mas o pós-processamento é demorado e as imagens resultantes estão disponíveis apenas em preto e branco. O que vem depois é arte, mérito do pesquisador que quer apresentar um trabalho melhor, colorindo cada elemento com uma cor diferente.

Pelo menos tem sido assim até agora.

Hanlyun Cho e seus colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul, usaram um metamaterial hiperbólico vertical para criar, pela primeira vez, uma superlente que apresenta um índice de refração negativo na faixa visível do espectro eletromagnético.

Um metamaterial hiperbólico é um material artificial que controla livremente a luz, permitindo obter a refração negativa, que não existe em materiais naturais.

Quando a refração negativa ocorre em todo o espectro visível, torna-se possível gerar imagens de alta resolução além do limite de difração - é isto que permitirá a visualização direta das cores originais de vírus, bactérias e outras estruturas microscópicas, que até agora só estão disponíveis em preto e branco.

Os materiais hiperbólicos servem até mesmo para simular eventos astrofísicos, como a curvatura do espaço e os buracos negros.
[Imagem: Dasol Lee et al. - 10.1186/s43593-021-00008-6]

Refração negativa no espectro visível

Em termos teóricos, já se sabia que a refração negativa seria possível em uma ampla largura de banda usando um metamaterial hiperbólico vertical, mas isso nunca havia sido demonstrado na prática devido ao seu difícil processo de fabricação - vários campos de pesquisa esperam ansiosamente por esses materiais hiperbólicos, incluindo os estudos sobre a curvatura do espaço-tempo descrita por Einstein.

Para viabilizar essa tecnologia, a equipe estudou a relação entre as propriedades dos metamateriais hiperbólicos e a espessura máxima da camada em que a refração negativa é possível. Partindo desses primeiros princípios, Cho projetou um metamaterial hiperbólico que pudesse ser fabricado com os equipamentos convencionais de nanoprocessamento - em outras palavras, o melhor que se poderia fazer com a tecnologia atual.

O metamaterial resultante apresentou refração negativa na faixa de comprimento de onda de 450 a 550 nanômetros (nm). Teoricamente, o metamaterial hiperbólico vertical pode apresentar refração negativa em todo o domínio visível, que vai de 350 a 700 nm; no entanto, as limitações dos materiais e da tecnologia de fabricação limitaram o resultado prático alcançado pela equipe a uma largura de banda de 100 nm.

Ainda assim é um grande motivo para comemoração: Pela primeira vez em 50 anos foi possível alcançar a refração negativa no espectro visível - desde que o matemático Victor Veselago previu matematicamente a refração negativa em 1968.

"Nós confirmamos a possibilidade de melhorar a estreita largura de banda - a maior desvantagem do metamaterial hiperbólico horizontal convencional - verificando experimentalmente o metamaterial hiperbólico vertical neste estudo," observou o professor Junsuk Rho, que liderou o estudo. "Isso tem uma grande significância, uma vez que mostra grande potencial de industrialização da nano-óptica, como geração de imagens precisas de vírus e bactérias."

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