Um grupo científico internacional composto por cientistas do NUST “MISiS” e da Universidade Politécnica de Turim desenvolveu um novo modelo metamaterial que melhorará a precisão dos nanossensores na óptica e na biomedicina, mascarando-os da radiação externa. Um artigo sobre os resultados do estudo foi publicado na revista Scientific Reports .O desenvolvimento de um modelo de um novo nanossensor de máscara metamaterial é realizado no âmbito do projeto russo-italiano ANASTASIA (arquiteturas avançadas sem radiação que dispersam tenuamente e sustentam anapoles invisíveis), cujo objetivo é modelar e recriar esse metamaterial que tornaria objetos invisíveis na nanoescala em todas as faixas de ondas.
“Ocultar um objeto grande é realmente mais fácil do que um objeto pequeno”, diz um estudante de pós-graduação no Laboratório de Metamateriais Supercondutores do NUST MISiS e o principal autor do artigo, Anar Ospanova. - Existem várias técnicas de camuflagem e tecnologias furtivas. Mas quando lidamos com objetos em nanoescala - por exemplo, agulhas sensoras em biomedicina ou física, a situação se torna mais complicada. Normalmente, os nanossensores são compatíveis com os objetos estudados; portanto, quando entram no meio, eles o influenciam fortemente - alteram a pressão, dispersam a radiação e fica difícil entender onde as características da agulha e onde estão as características do próprio objeto. Decidimos "ocultar" a radiação dos nanossensores e, assim, aumentar a precisão de seu trabalho ".
O principal elemento do metamaterial modelado pelos cientistas é uma metamolécula, composta por quatro cilindros dielétricos feitos de tantalato de lítio - LiTaO3 - com um raio de 5 μm. Formando uma espécie de concha para o nanossensor, os dielétricos interagem com a radiação e surge o chamado estado de anapolo, um dispersor não radiante. (fig. 1). Como resultado, o objeto se torna invisível para um observador externo (Fig. 2 c). Individualmente, todos os elementos - um nanossensor e dielétrico - dispersam a radiação e distorcem fortemente a imagem dos campos elétricos e magnéticos (Fig. 2 a, b).
Figura 1 -
visualização de uma metamolécula constituída por um nanossensor - um cilindro-condutor de metal (no centro) e quatro cilindros-dielétricos (ao longo das bordas), onde P é o momento dipolar elétrico do condutor, T é o momento toroidal da bainha dielétrica.
Figura 2 -
visualização da radiação visível de elementos fora da metamolécula e na forma de uma metamolécula, onde (a) é o elemento central sem casca; (b) - elementos de casca sem elemento central; (c) é o elemento central do invólucro.Para os cálculos, usamos um condutor de metal com um raio de 2,5 μm, simulando um nanossensor e com uma dispersão de ondas muito alta, o que nos permitiu realizar cálculos para o nível de radiação mais alto possível. A simulação ocorreu na faixa de terahertz, entre as faixas de infravermelho e microondas.
Os cientistas usaram o LiTaO3 - tantalato de lítio como material da metamolécula, embora outros materiais possam ser usados dependendo do escopo de aplicação. Nos nanoópticos, por exemplo, será possível trabalhar com silício e germânio.
Segundo o chefe do projeto ANASTASIA por parte do NUST “MISiS”, professor associado Alexei Basharin, o metamaterial criado tem perspectivas de uso em biomedicina, por exemplo, devido ao uso de cloreto de potássio compatível com o corpo humano como concha.
“Existem vários casos em que você precisa garantir que o objeto não interaja com a luz - por exemplo, ao administrar medicamentos em nanoescala. Nosso objetivo final é criar uma metamolécula na qual a dispersão do objeto e sua concha se encontre, neutralizando-se e tornando o objeto invisível na faixa de ondas correspondente ”- Alexey Basharin.
A próxima etapa do estudo - a criação experimental da estrutura proposta em condições de laboratório - está prevista para o outono de 2018.
No momento, foi adquirida experiência na criação de materiais e objetos que são transparentes a uma faixa muito estreita de radiação e ocultam objetos apenas em um determinado ângulo. A tarefa definida pelos participantes do projeto ANASTASIA é generalizar a experiência de criar essas estruturas e desenvolver uma teoria com a qual será possível modelar e criar metamateriais que ocultam objetos de qualquer ângulo e em uma ampla variedade.