Flocos de ouro expõem as forças secretas que unem o nosso mundo

Em um dos laboratórios de física de Chalmers, a estudante de doutorado Michaela Hošková demonstra a configuração. Ela segura um recipiente de vidro cheio de milhões de flocos microscópicos de ouro suspensos em uma solução salina. Com uma pipeta, ela coloca uma única gota desse líquido em uma placa de vidro revestida de ouro posicionada sob um microscópio óptico. Quase imediatamente, os flocos de ouro são atraídos para a superfície, mas param pouco antes de tocá-la, deixando para trás lacunas extremamente finas, medidas em nanômetros. Essas pequenas cavidades atuam como armadilhas luminosas em miniatura, fazendo com que a luz reflita para frente e para trás e produza cores vivas. Quando iluminada pela lâmpada halógena do microscópio e analisada através de um espectrômetro, a luz se separa em diferentes comprimentos de onda. No monitor conectado, os flocos brilham e mudam entre tons de vermelho, verde e dourado à medida que se movem pela superfície.

Estudando a ‘cola da natureza’ usando luz presa em pequenas cavidades

“O que estamos vendo é como as forças fundamentais da natureza interagem entre si. Através dessas pequenas cavidades, podemos agora medir e estudar as forças que chamamos de ‘cola da natureza’ – o que une os objetos nas menores escalas. Não precisamos intervir no que está acontecendo, apenas observamos os movimentos naturais dos flocos, “diz Michaela Hošková, estudante de doutorado no Departamento de Física da Universidade de Tecnologia de Chalmers e primeira autora do artigo científico no revista PNAS em que a plataforma é apresentada.

A luz confinada dentro destas cavidades nanoscópicas permite aos cientistas explorar um delicado equilíbrio entre duas forças concorrentes: uma que puxa os flocos em direção à superfície e outra que os separa. A força atrativa, conhecida como efeito Casimir, faz com que os flocos de ouro se aproximem e se aproximem do substrato. A força eletrostática oposta, gerada pelas partículas carregadas na solução salina, impede que elas adiram completamente. Quando essas forças atingem o equilíbrio perfeito, ocorre um processo denominado automontagem, criando as cavidades que tornam esse fenômeno visível.

“As forças à nanoescala afectam a forma como diferentes materiais ou estruturas são montados, mas ainda não compreendemos totalmente todos os princípios que regem esta complexa automontagem. Se os entendêssemos totalmente, poderíamos aprender a controlar a automontagem à nanoescala. Ao mesmo tempo, podemos obter insights sobre como os mesmos princípios governam a natureza em escalas muito maiores, até mesmo como as galáxias se formam, “diz Michaela Hošková.

Flocos de ouro tornam-se sensores flutuantes

A nova plataforma dos pesquisadores da Chalmers é um desenvolvimento adicional de vários anos de trabalho no grupo de pesquisa do Professor Timur Shegai no Departamento de Física. Desde a descoberta, há quatro anos, de que um par de flocos de ouro cria um ressonador automontado, os pesquisadores desenvolveram agora um método para estudar várias forças fundamentais.

Os pesquisadores acreditam que a plataforma, na qual os flocos de ouro automontados atuam como sensores flutuantes, pode ser útil em diversos campos científicos, como física, química e ciência dos materiais.

“O método permite-nos estudar a carga de partículas individuais e as forças que actuam entre elas. Outros métodos para estudar estas forças requerem frequentemente instrumentos sofisticados que não podem fornecer informações até ao nível das partículas,” afirma o líder da investigação, Timur Shegai.

Pode fornecer novos conhecimentos sobre tudo, desde medicamentos até biossensores

Outra forma de utilizar a plataforma, importante para o desenvolvimento de muitas tecnologias, é compreender melhor como as partículas individuais interagem nos líquidos e permanecem estáveis ​​ou tendem a aderir umas às outras. Pode fornecer novos insights sobre os caminhos dos medicamentos através do corpo, ou como fazer biossensores ou filtros de água eficazes. Mas também é importante para produtos de uso diário que você não deseja amontoar, como cosméticos.

“O facto de a plataforma nos permitir estudar forças fundamentais e propriedades dos materiais mostra o seu potencial como uma plataforma de investigação verdadeiramente promissora”, diz Timur Shegai.

No laboratório, Michaela Hošková abre uma caixa contendo uma amostra finalizada da plataforma. Ela o levanta com uma pinça e mostra como pode ser facilmente colocado no microscópio. Duas finas placas de vidro contêm tudo o que é necessário para estudar a cola invisível da natureza.

“O que acho mais emocionante é que a medição em si é tão bonita e fácil. O método é simples e rápido, baseado apenas no movimento dos flocos de ouro e na interação entre a luz e a matéria”, diz Michaela Hošková, ampliando o microscópio sobre um floco de ouro, cujas cores revelam imediatamente as forças em jogo.

Como os pesquisadores estudam a ‘cola invisível da natureza’

Flocos de ouro com aproximadamente 10 micrômetros de tamanho são colocados em um recipiente cheio de solução salina, ou seja, água contendo íons livres. Quando uma gota da solução é colocada sobre um substrato de vidro coberto com ouro, os flocos são naturalmente atraídos para o substrato e aparecem cavidades de tamanho nanométrico (100-200 nanômetros). A automontagem ocorre como resultado de um delicado equilíbrio entre duas forças: a força de Casimir, um efeito quântico diretamente mensurável que faz com que os objetos sejam atraídos uns pelos outros, e a força eletrostática que surge entre superfícies carregadas em uma solução salina.

Quando uma simples lâmpada halógena ilumina as minúsculas cavidades, a luz interna é capturada como se estivesse em uma armadilha. Isso permite que os pesquisadores estudem a luz mais de perto usando um microscópio óptico conectado a um espectrômetro. O espectrômetro separa os comprimentos de onda da luz para que diferentes cores possam ser identificadas. Variando a salinidade da solução e monitorando como os flocos mudam sua distância ao substrato, é possível estudar e medir as forças fundamentais em jogo. Para evitar que a solução salina com os flocos de ouro evapore, a gota de flocos de ouro e soro fisiológico é selada e depois coberta com outra placa de vidro.

A plataforma foi desenvolvida no Laboratório de Nanofabricação da Chalmers, Myfab Chalmers, e no Laboratório de Análise de Materiais Chalmers (CMAL).

Mais sobre a pesquisa

O artigo científico Casimir self-assembly:Uma plataforma para medir interações superficiais em nanoescala em líquidos foi publicado em PNAS (Anais da Academia Nacional de Ciências). Foi escrito por Michaela Hošková, Oleg V. Kotov, Betül Küçüköz e Timur Shegai do Departamento de Física da Chalmers University of Technology, Suécia, e Catherine J. Murphy do Departamento de Química da Universidade de Illinois, EUA.

A pesquisa foi financiada pelo Conselho Sueco de Pesquisa, pela Fundação Knut e Alice Wallenberg, pelo Vinnova Center 2D-Tech e pela Nano Area of ​​Advance da Chalmers University of Technology.