Cientistas acabam de desenvolver um material inédito capaz de adaptar espontaneamente seu comportamento à luz, sem sensor nem comando externo. Este dispositivo nanométrico, inspirado no funcionamento dos sistemas vivos, abre caminho para materiais "autônomos" para óptica, energia ou detecção. Estes resultados são publicados na
Nature Communications.
Os sistemas vivos possuem uma capacidade notável de adaptação ao seu ambiente: o olho humano ajusta sua sensibilidade à luz, as plantas regulam sua hidratação. Eles otimizam permanentemente suas funções para manter um equilíbrio face às variações do seu ambiente. Reproduzir tal autonomia em materiais artificiais constitui um grande desafio em ciência dos materiais.
a: Dispositivo de nanoantenas plasmônicas integrado em uma matriz MOF.
b–c: Observação da difusão luminosa a 850 nm das antenas, e de sua evolução no tempo sob irradiação laser.
d–e: Variação da intensidade de difusão normalizada ao longo do tempo, medida para o conjunto da rede e para uma antena individual.
Com efeito, atualmente, a maioria dos materiais ditos "inteligentes" necessita de um comando ou estímulo externo para modificar seu comportamento: por exemplo, os polímeros com memória de forma recuperam uma forma inicial quando aquecidos, os materiais piezoelétricos produzem uma tensão elétrica quando submetidos a uma tensão mecânica. Em contrapartida, a autorregulação repousa sobre uma resposta autônoma fundamentada em circuitos de feedback, ainda difíceis de implementar nos sistemas artificiais.
Para superar este limite, cientistas do laboratório de Química da matéria condensada de Paris (CNRS / Sorbonne Université), do Laboratório Charles Fabry (CNRS / Universidade Paris-Saclay) e do Centro de nanociências e nanotecnologias (CNRS / Universidade Paris-Saclay) propõem um dispositivo capaz de autorregular sua absorção de luz em função de sua intensidade. Ele se baseia na associação de dois blocos complementares: uma metassuperfície plasmônica de nanoantenas de ouro, capazes de absorver a luz e convertê-la em calor, e um filme poroso do tipo
Metal-Organic Framework (MOF), sensível à temperatura.
Na presença de vapor, o filme de MOF modifica seu índice óptico quando aquece. Esta mudança desloca a ressonância das nanoantenas e reduz sua absorvância. Assim, quando a intensidade luminosa aumenta, o sistema absorve automaticamente menos luz e limita seu aquecimento. Este circuito de feedback termo-óptico confere ao dispositivo um comportamento autorregulado, comparável ao de um termostato em escala nanométrica.
Notavelmente, esta autorregulação não é estática. Na escala de uma única nanoantena, os pesquisadores observaram oscilações espontâneas sob uma iluminação constante. Um comportamento, comparável ao de um motor a vapor alimentado pela luz que se baseia no deslocamento temporal entre o rápido aquecimento das nanoantenas e a resposta mais lenta do material poroso.
Estes resultados, publicados na revista
Nature Communications, abrem novas perspectivas para o desenvolvimento de materiais autônomos capazes de se adaptar e evoluir sem controle externo. A longo prazo, eles poderiam encontrar aplicações na óptica adaptativa, na gestão térmica, em sensores inteligentes ou ainda em dispositivos capazes de funcionar segundo ritmos programados, à imagem dos sistemas biológicos.
Fonte: CNRS INC