Experimento da bola e do secador de cabelos leva medições de força a novo patamar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2021

Só esse novo mecanismo de pinças termais seria um avanço enorme. Mas a equipe não parou por aí.
[Imagem: Iliya Dimitrov Stoev/Moritz Kreysing]

Pinça termal

O que tem a ver o conhecido experimento de "levitar" uma bola usando um secador de cabelos e uma das técnicas mais precisas já criadas até hoje para medir forças?

Pois esta técnica de medir forças na casa dos 10^-15 Newtons começou usando os mesmos princípios da demonstração da levitação da bola no ar.

Acontece que não precisam ser bolas, e nem mesmo ar: Pode ser qualquer partícula, e qualquer fluido, e tudo pode ser feito na dimensão que se escolher.

"Nós já havíamos usado fluxos induzidos por luz para mover o interior de células biológicas e posicionar partículas com precisão em escala nanométrica. Ao fazer isso, uma tarefa fácil sempre foi reduzir a velocidade desses fluxos. Rapidamente pareceu óbvio que as partículas expostas a esses fluxos gerados opticamente, e muito suaves, estariam sujeitas a forças arbitrariamente pequenas. Quando seguimos com essa ideia, descobrimos que as forças que agiam sobre uma partícula eram de fato incrivelmente pequenas. Elas pareciam adequadas para neutralizar precisamente outras forças que agem sobre aquela partícula," conta o professor Moritz Kreysing, da Universidade Técnica de Dresden, na Alemanha.

A equipe então aprimorou sua técnica usando dois fluxos induzidos termalmente - o calor é fornecido pela luz - para fluírem em sentidos opostos.

Cria-se naturalmente uma pequena lacuna entre os dois fluxos, onde o objeto a ser manipulado é capturado. A coisa não fica muito estável, de forma que a equipe precisou desenvolver um software para controlar a luz de forma a gerar reorientações incrivelmente rápidas dos fluxos. Essas mudanças, na casa dos milissegundos, ditam a direção do deslocamento da partícula em relação à armadilha, evitando que a partícula escape.

Este já seria um avanço digno de nota porque o mecanismo funciona de forma bem diferente das tradicionais pinças ópticas, que ganharam o Nobel de Física de 2018: Não há restrições quanto ao material que compõe a partícula e, em nenhum momento, a partícula é exposta diretamente ao laser. De fato, este novo método e sua técnica de controle abrirão novos caminhos para a exploração não-invasiva e sem contato de partículas em sistemas vivos.

Testando o deslocamento da partícula aprisionada resultante da aplicação conjunta da armadilha optofluídica e de uma força magnética externa de magnitude variável.
[Imagem: Iliya D. Stoev et al. - 10.1186/s43593-021-00007-7]

Medição de força

Mas a equipe estava interessada nas forças envolvidas e não se deu por satisfeita.

O sistema de controle, desenvolvido para corrigir continuamente o deslocamento da partícula, permitiu estabelecer um ponto de ajuste teórico que os pesquisadores chamam de "ponto de estagnação". É com relação a esse ponto que se torna possível medir as minúsculas forças que a partícula experimenta em um determinado momento.

A equipe descobriu que sua armadilha é extremamente suave e sensível: Eles conseguiram detectar forças na faixa dos femtoNewtons (10^-15 N), o que está muito próximo do limite térmico: "Nossas medições de força eliminam a necessidade de contato laser-partícula," destacaram eles.

Com isto, a equipe desenvolveu um método totalmente novo de medir forças em pequena escala que abrirá oportunidades inteiramente novas para estudar forças na biologia e na medicina. "Esta nova abordagem deverá ser altamente relevante para lidar com as crescentes preocupações relacionadas aos efeitos não-fisiológicos da radiação altamente focada em sistemas vivos," concluiu a equipe.

Mais tópicos