Metamaterial

Um metamaterial é um material cujas propriedades não decorrem de seus componentes, mas da disposição deles. O prefixo grego meta significa «para além» — quer-se dizer: para além daquilo que a natureza oferece em matéria de materiais.

A ideia é simples e de grande alcance ao mesmo tempo. Se pequenas estruturas são dispostas em um padrão nitidamente mais fino que o comprimento de onda com que são irradiadas, então a onda não «vê» as peças individuais, mas um material com propriedades médias. Essas propriedades médias podem ser ajustadas pela geometria — e podem assumir valores que nenhuma substância natural possui.

O índice de refração negativo

O exemplo mais conhecido é um índice de refração negativo. O físico soviético Viktor Veselago refletiu em 1968, de forma teórica, sobre o que aconteceria se um material possuísse ao mesmo tempo permissividade negativa e permeabilidade negativa: a luz seria refratada na direção errada ao entrar.

Um material desse tipo não era conhecido na época. Trinta anos mais tarde, John Pendry descreveu como ele poderia ser construído, e no ano 2000 um grupo em torno de David R. Smith, na University of California, San Diego, mostrou o efeito experimentalmente na faixa das micro-ondas — com uma grade de fios finos e ressoadores em anel fendido.

Desde então, os metamateriais são um campo próprio de pesquisa. Em 2006 conseguiu-se um primeiro dispositivo de camuflagem para micro-ondas, que fazia um objeto ser como que contornado por uma determinada frequência.

Para que são empregados

Os metamateriais há muito deixaram de ser apenas uma curiosidade de laboratório:

Antenas — formas construtivas compactas com efeito direcional, que classicamente precisariam de mais espaço
Acústica — proteção contra ruído que bloqueia seletivamente determinadas frequências
Óptica — lentes que resolvem mais finamente do que permite o limite clássico de difração
Mecânica — materiais que se espessam ao serem tracionados em vez de se afinarem
Calor — disposições que direcionam fluxos de calor

Comum a todos é: a função está na estrutura, não na substância.

Relação com a neutrinovoltaica

Para o Neutrino® Energy Group, essa ideia é central. A neutrinovoltaica não se baseia em um elemento particular, mas em um empilhamento particular: camadas alternadas de grafeno e silício na escala nanométrica, segundo a patente WO2016142056A1 de dez a vinte delas, em particular doze.

Também aqui vale o princípio do metamaterial: nem o carbono nem o silício fazem isoladamente algo notável. A expectativa dirige-se à rede que eles formam em conjunto — e ao fato de que essa rede, nessa forma, não ocorre na natureza.

Para a carroceria do Pi Car também estão previstos metamateriais. O grupo os descreve ali como meio de traduzir fluxos do ambiente em micro-oscilações mecânicas que, junto com as nanocamadas dopadas, produzem ressonância.

Por que a estrutura importa tanto

Uma imagem ajuda. Uma casa de tijolos e um caminho de tijolos consistem no mesmo material; uma conserva o calor, o outro sustenta peso. A diferença está unicamente na disposição.

Nos metamateriais é a mesma coisa, apenas um milhão de vezes menor — e a disposição não decide sobre calor ou capacidade de carga, mas sobre como uma onda ou uma partícula interage com a substância. Que essa interação possa ser configurada, em vez de ter de ser aceita, é o ganho propriamente dito.

Termos relacionados

Grafeno — uma das metades do empilhamento
Grafeno dopado — estrutura de rede seletivamente alterada
Pi Car — metamateriais na carroceria
Neutrinovoltaica — o processo por trás

Fontes

W. G. Wesselago: The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ, Soviet Physics Uspekhi 10, 509 (1968).
D. R. Smith et al.: Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84, 4184 (2000).
Neutrino® Energy Group: The Pi Car, thepi.energy.