Novos materiais podem transformar ficção científica em realidade

Imagine usar um computador movendo as mãos no ar como Tony Stark faz em Homem de Ferro. Ou utilizar um smartphone para ampliar um objeto, como faz o dispositivo que o personagem de Harrison Ford usa em Blade Runner. Ou participar de uma videoconferência de última geração em que óculos de realidade aumentada possibilitam a visualização de avatares em 3D. Ou uma geração de veículos autônomos capazes de dirigir com segurança no trânsito da cidade.

Esses avanços e muitos outros no horizonte poderiam acontecer por causa dos metamateriais, tornando possível controlar feixes de luz com a mesma facilidade que os chips de computador controlam a eletricidade.

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O termo metamateriais se refere a uma ampla classe de materiais manufaturados compostos de estruturas que são mais finas do que o comprimento de onda de luz visível, ondas de rádio e outros tipos de radiação eletromagnética. Juntos, eles agora estão dando aos engenheiros um controle extraordinário no design de novos tipos de sensores ultrabaratos que variam de lentes de telescópio a um termômetro infravermelho.

"Estamos entrando na fase de consumo de metamateriais", disse Alan Huang, diretor de tecnologia da Terabit Corp., uma empresa de consultoria do Vale do Silício, que fez as primeiras pesquisas em computação óptica durante seus 12 anos na Bell Labs. "Vai muito além de câmeras e projetores e nos levará a coisas que não esperamos. É realmente uma área de sonhos."

Os primeiros bens de consumo a tirar proveito de metamateriais baratos serão os smartphones, que irão melhorar seu desempenho, mas a capacidade de controlar as ondas de luz de novas maneiras também permitirá em breve a criação de produtos como óculos de realidade aumentada que sobrepõem imagens computadorizadas no mundo real.

As tecnologias em si não são novas. No início do século 19, o físico francês Augustin-Jean Fresnel propôs a ideia de achatar e iluminar lentes ópticas empregando uma série de ranhuras concêntricas para focar a luz. Uma inovação importante por trás dos metamateriais é que eles são construídos com subcomponentes menores do que o comprimento de onda do tipo de radiação que eles foram projetados para manipular.

Por exemplo, para fazer uma lente de metamateriais, você corta o silício (que é apenas vidro) fino o suficiente para que fique transparente e, em seguida, pode incorporar estruturas na fina camada de vidro que focalizam a luz à medida que ela passa.

Uma das primeiras pessoas a perceber o potencial comercial dos metamateriais foi Nathan Myhrvold, um físico que antes era o chefe de pesquisa da Microsoft.

"Quando comecei a me envolver com isso, foi bastante controverso", disse Myhrvold. "Havia cientistas que diziam que era tudo bobagem."

Desde então, Myhrvold fundou meia dúzia de empresas com base em tecnologias de metamateriais. Várias dessas empresas estão buscando mercados ópticos de consumo, incluindo a Lumotive, uma empresa com sede em Seattle que está desenvolvendo um sistema de imagem LiDAR sem peças móveis.

LiDARS usam lasers para criar mapas precisos de objetos ao redor até distâncias de centenas de metros. Os LiDARS são amplamente usados por empresas que desenvolvem veículos autônomos e hoje são, em sua maioria, sistemas mecânicos que giram rapidamente um feixe de laser para criar um mapa.

Em contrapartida, a Lumotive usa a tecnologia de tela de cristal líquido desenvolvida originalmente para telas planas para "direcionar" um feixe de luz laser. O sistema resultante é muito menos caro do que o LiDAR mecânico, tornando possível considerá-los para uma gama de novas aplicações, como drones para fazer entregas, carros autônomos e robôs domésticos móveis como aspiradores de pó inteligentes.

Uma vez que a indústria automotiva está repleta de muitos fabricantes de LiDAR, os funcionários da empresa Lumotive redirecionaram seus esforços em novos mercados para robôs domésticos e industriais. Eles ainda não anunciaram clientes.

"Estamos indo em uma direção em que um dos outros atributos que temos é a capacidade de reduzir essas coisas a um tamanho muito pequeno, o que nos torna únicos", disse Bill Colleran, CEO e cofundador da Lumotive.

Outra empresa que está tentando aproveitar o potencial dos metamateriais é a Metalenz, fundada em 2017 por Robert Devlin e Federico Capasso, que atualmente está trabalhando em uma nova maneira de fazer lentes ópticas usando tecnologias poderosas e baratas de fabricação de chips de computador.

Muitos tipos de metamateriais estão sendo fabricados com o mesmo equipamento que fabrica os chips de computador. Isso é significativo porque dá indícios de uma geração de chips baratos que aproveitam a luz, da mesma forma que os chips de computador eram capazes de controlar a eletricidade na década de 1960. Essa inovação levou ao surgimento de uma vasta nova indústria de consumo: relógios eletrônicos, seguidos de videogames e computadores pessoais, todos cresceram a partir da capacidade de gravar circuitos em silício.

Pegando carona na tecnologia de microchip, será possível fazer dezenas de milhares ou até milhões de lentes bidimensionais que são capazes de curvar a luz com base em padrões de materiais transparentes embutidos em sua superfície por uma fração do custo das lentes ópticas de hoje.

A pergunta que essas empresas precisam responder é se podem oferecer desempenho aprimorado o suficiente e menor custo para persuadir os fabricantes a abandonar seus componentes atuais (neste caso, lentes de plástico baratas).

Um primeiro passo óbvio para a nova tecnologia será substituir as lentes de plástico encontradas nos smartphones, o que a Metalenz começará a fazer no ano que vem, mas esse é apenas o primeiro mercado de massa para metamateriais. De acordo com Devlin, também haverá aplicações para controlar como interagimos com computadores e sistemas de segurança automotiva, assim como melhorar a capacidade de robôs baratos se moverem em ambientes com pouco espaço.

A Apple está supostamente trabalhando em um projeto para um sistema que transferirá muitas funções do smartphone para o que acabará se tornando, em algum momento, um par de óculos finos e leves.

O atributo mais poderoso da microeletrônica era a capacidade de reduzir circuitos, tornando-os mais rápidos, mais poderosos e menos caros, ao longo de muitas décadas. De maneira semelhante, os metamateriais transformarão a maneira como os designers utilizam os feixes de luz.

Por exemplo, os cientistas que estão concluindo um avançado telescópio milimétrico programado para ser instalado no Observatório Simons, no Chile, no próximo ano, recorreram a metamateriais para as peças que revestirão o interior do telescópio para capturar virtualmente toda a luz dispersa. Os fótons que pousam na superfície dessas peças são presos por uma superfície de estruturas em forma de cone ultrapequenas, disse Mark Devlin (sem nenhuma ligação com o fundador da Metalenz), professor de astronomia e astrofísica da Universidade da Pensilvânia, que está liderando o projeto do telescópio.

"As peças são leves, baratas, fáceis de instalar", disse ele, "e não se despregam e caem".