Os polvos e os chocos são famosos pela sua capacidade de se misturarem facilmente com o ambiente. Eles podem mudar rapidamente a cor e a textura da pele, uma habilidade que os cientistas há muito tentam replicar em materiais feitos pelo homem. Agora, os pesquisadores de Stanford estão relatando grandes progressos. Num estudo publicado em Naturezaeles descrevem um material flexível que pode mudar rapidamente os padrões e cores de sua superfície, formando características menores que um fio de cabelo humano.
“As texturas são essenciais para a forma como experimentamos os objetos, tanto na aparência quanto na sensação”, disse Siddharth Doshi, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais em Stanford e primeiro autor do artigo. “Esses animais podem mudar fisicamente seus corpos em uma escala próxima ao mícron, e agora podemos controlar dinamicamente a topografia do material – e as propriedades visuais associadas a ele – na mesma escala.”
Esta inovação poderá levar a sistemas de camuflagem melhorados tanto para humanos como para robôs, bem como ecrãs flexíveis e que mudam de cor para wearables. Também abre novas possibilidades para a nanofotônica, um campo focado na manipulação da luz em escalas muito pequenas para uso em eletrônica, criptografia e biologia.
“Simplesmente não existe outro sistema que possa ser tão macio e expansível e que possa ser criado em nanoescala”, disse Nicholas Melash, professor de ciência e engenharia de materiais e autor sênior do artigo. “Você pode imaginar todos os tipos de aplicações.”
Como o material cria padrões dinâmicos
Para produzir essas texturas variáveis, a equipe combinou a litografia por feixe de elétrons, uma técnica amplamente utilizada na fabricação de semicondutores, com um filme de polímero responsivo à água. Quando expostas a um feixe focalizado de elétrons, certas áreas do filme tornam-se mais ou menos absorventes. À medida que o material absorve água, essas áreas incham de diferentes maneiras, formando padrões complexos que só aparecem quando o filme está molhado.
Um insight importante surgiu inesperadamente. Em um experimento anteriorDoshi usou um microscópio eletrônico de varredura para estudar nanoestruturas em um filme polimérico. Em vez de jogar fora as amostras depois, ele as reutilizou. Durante os testes subsequentes, as áreas anteriormente expostas ao feixe de elétrons se comportaram de maneira diferente e ficaram com cores diferentes.
“Percebemos que poderíamos usar esses feixes de elétrons para controlar a topografia em escalas muito pequenas”, disse Doshi. “Foi definitivamente acidental.”
De superfícies planas a estruturas tridimensionais
A precisão desta técnica permite excelentes detalhes. Os pesquisadores até criaram uma versão minúscula do El Capitan com Yosemite. Ao secar, a superfície permanece completamente plana. Após a adição de água, a estrutura sobe do filme, formando um formato tridimensional.
Ajustando cuidadosamente o quanto o material incha, a equipe também pode controlar como ele reflete a luz. Isso permite alternar entre acabamentos brilhantes e foscos, criando efeitos visuais que superam as capacidades das telas atuais. O processo é reversível. A adição de um solvente semelhante ao álcool remove a água e retorna o material a um estado plano.
A mesma abordagem pode criar padrões de cores complexos. Ao colocar finas camadas de metal em ambos os lados do polímero, os pesquisadores criaram estruturas conhecidas como ressonadores Fabry-Perot que selecionam comprimentos de onda específicos de luz. À medida que o filme se expande ou contrai, ele exibe cores diferentes. Com o equilíbrio certo de água e solvente, uma superfície simples pode ser transformada em uma variedade vibrante de padrões.
“Ao controlar dinamicamente a espessura e o relevo do filme de polímero, você pode obter uma grande variedade de belas cores e texturas”, disse Mark Brongersma, professor de ciência e engenharia de materiais e autor sênior do artigo. “A introdução de materiais macios que podem expandir, contrair e alterar a sua forma abre um novo conjunto de ferramentas no mundo da óptica para manipular a aparência das coisas.”
Aplicações futuras em camuflagem e robótica
Quando múltiplas camadas desses filmes são combinadas, os pesquisadores podem ajustar independentemente a cor e a textura, permitindo que o material se misture ao ambiente como um polvo (embora não sem tentativa e erro).
Atualmente, a correspondência de fundo requer ajuste manual dos níveis de água e solvente. A equipe espera automatizar esse processo adicionando sistemas de visão computacional e inteligência artificial que possam analisar o entorno e ajustar as imagens em tempo real.
“Queremos ser capazes de controlar isso com redes neurais – basicamente um sistema baseado em IA – que possa comparar a pele e seu fundo e então modular automaticamente de acordo em tempo real, sem intervenção humana”, disse Doshi.
Além da camuflagem: novas possibilidades
Os usos potenciais vão muito além da camuflagem. O controle preciso sobre a textura da superfície pode ajudar a regular o atrito, permitindo que pequenos robôs agarrem as superfícies ou deslizem sobre elas. Na nanoescala, mudanças na estrutura também podem influenciar o comportamento celular, abrindo oportunidades para aplicações em bioengenharia. A equipe ainda colabora com artistas para explorar usos criativos do material.
“Pequenas mudanças nas propriedades de materiais macios em distâncias micrométricas são finalmente possíveis, abrindo todos os tipos de possibilidades”, disse Melash. “Acho que temos muitas coisas interessantes chegando.”
Equipe de pesquisa e suporte
Brongersma é professor de física aplicada; membro da Stanford Bio-X, da Wu Tsai Human Performance Alliance e do Wu Tsai Neurosciences Institute; e uma filial do Court Institute of Energy.
Melosh é membro do Stanford Bio-X e do Wu Tsai Neuroscience Institute; uma filial do Court Institute of Energy; e o funcionário Sarafan CHEM-X.
Co-autores adicionais deste estudo em Stanford incluem Alberto Saleo, professor de ciência fotônica Hong She e Vivian WM Lim; Professora Associada Polly Fordyce; os alunos de doutorado Nicholas A. Husken e Gervin Dake; a diretora da fundição de microfluídica de Stanford, Jennifer E. Ortiz-Cardenas; e os estudantes de pós-graduação Johan Carlström, Peter Suzuki e Bohan Lee.
Este trabalho foi financiado por uma bolsa de pós-graduação de Stanford, uma bolsa de meta doutorado, a Aliança Wu Tsai para Desempenho Humano da Universidade de Stanford e a Fundação Joe e Clara Tsai, a Academia Nacional Alemã de Ciências Leopold, o Departamento de Energia, o Escritório de Pesquisa Patrocinada da Força Aérea e a Fundação Nacional de Ciência.
