Invisibilidade: a ciência por trás do ocultamento de objetos

Por Caroline Pereira Martendal – Depto. De Engenharia Mecânica, UFSC. Cofundadora do blog Engenheiro de Materiais

Figura 1: Carro invisível de James Bond em 007 – Um novo dia para morrer (2002)

Quem nunca imaginou poder ser invisível? A ideia de ocultar um objeto à visão é comum em filmes e desenhos animados. Um exemplo é o filme 007 – Um Novo Dia para Morrer, de 2002, no qual James Bond dirige seu carro Aston Martin Vanquish invisível (Figura 1). Para tornar isso possível, recorreu-se a uma forma especial de filmagem: o lado do carro que aparecia na cena funcionava como uma tela, a qual projetava o que era filmado por câmeras instaladas no lado oposto do veículo, de forma a parecer que ele não estava ali. Foi só na década seguinte, no entanto, que a invisibilidade começou gradualmente a deixar de ser mera ficção científica para se tornar realidade, como já foi mencionado aqui no CDQ. Conseguimos enxergar um objeto quando a luz que ele reflete chega à nossa visão. Dessa forma, para que seja possível alcançar a invisibilidade, a luz deve ser manipulada de forma a enganar os nossos olhos, o que é um tema de pesquisa da ciência contemporânea. Atualmente, recorre-se a espécies de capas para atingir esse objetivo, as quais são as principais aplicações dos materiais artificiais, conhecidos como metamateriais.

Figura 2: Ilustração da capa ultrafina cobrindo um objeto. As setas vermelhas indicam a luz incidindo e refletindo sobre a capa como em um espelho plano. Fonte: NI e colaboradores.(2015)

Em 2015, cientistas da Universidade de Berkeley criaram uma capa de 80 nm de espessura a partir de nanoantenas de ouro na forma de minúsculos tijolos. Para se ter uma ideia de quão fina ela é, essa é a dimensão aproximada de um vírus e é 1.000 vezes menor que um fio de cabelo. A luz pode ser representada por uma onda oscilante e tem características como fase e frente de onda, as quais podem ser modificadas quando a onda é refletida por um objeto qualquer. A capa ultrafina, quando colocada sobre objetos, é capaz de alterar isso, impedindo que modificações aconteçam após a reflexão. Isso mascara o volume que existe por baixo da capa, dando a impressão de que a superfície é plana. Em outras palavras, ela é capaz de ocultar um objeto simulando o comportamento de um espelho plano, mecanismo mostrado na Figura 2.

Mais recentemente, na publicação de A. Serna e de seus colaboradores na revista Nature em 2018, intitulada “Multilayer homogeneous dielectric filler for electromagnetic invisibility”, tentou-se incorporar a capa de invisibilidade à estrutura do material. Para isso, utilizou-se um objeto oco e, no espaço em seu interior, foram colocados metamateriais com propriedades eletromagnéticas específicas,

Figura 3: Estrutura do objeto a ser invisibilizado pela incorporação de metamateriais. Adaptado de SERNA e colaboradores, 2018.

denominados de carga (Figura 3). Como essa região interna é a responsável pela invisibilidade, a luz externa deve chegar até ela e, por isso, o objeto deve ser penetrável pelas ondas visíveis. Esse método utiliza um mecanismo de ocultamento de objetos distinto do apresentado na pesquisa anterior, o qual é chamado de cancelamento do espalhamento da luz. Em outras palavras, o espalhamento de luz pelo objeto deve ser mínimo em todas as direções, cuidando para não se criar qualquer sombra quando a absorção luminosa ocorrer. Já que a camada que mais espalha a luz é a externa, justamente aquela que não possui propriedades especiais nesta proposta (os metamateriais estão na parte de dentro), é difícil obter o mesmo grau de invisibilidade alcançado pelo mecanismo anterior, o qual utiliza uma capa externa. Assim, a ideia não é substituir a primeira técnica de invibilização, mas sim ter uma opção que não altere a geometria do sistema e, principalmente, evite interferências na transmissão de dados. Isso é importante quando o componente escondido for, por exemplo, uma sonda ou um sensor, que precisa receber ou transmitir ondas eletromagnéticas específicas.

Apesar dos progressos feitos até o momento, ainda há algumas restrições quanto aos objetos que podem ser ocultados. A principal delas é o tamanho. No caso da capa de invisibilidade externa, podem ser escondidos objetos com o tamanho aproximado de células (< 50 μm), pois as nanoantenas devem ser organizadas de forma extremamente precisa para coincidir com as saliências da superfície do objeto que está por baixo. Assim, não é viável cobrir regiões muito grandes frente ao comprimento de onda da luz visível, que varia de aproximadamente 400 a 750 nm, tampouco objetos muito pontiagudos ou que se mexam, pois o movimento acaba com o efeito de ilusão. Para a invisibilidade pelo preenchimento com cargas, a restrição de tamanho é ainda maior, pois a luz precisa penetrar o objeto e chegar ao seu interior. Assim, suas dimensões não podem ser muito maiores do que o comprimento de onda da luz.

No entanto, enquanto a invisibilidade tem limitações, as tecnologias propostas conseguem gerar outro efeito interessante: o da miragem. As capas e cargas são capazes de mudar a forma com que um observador percebe determinado objeto, podendo, por exemplo, dar a ilusão de que ele apresenta outras dimensões. No caso da capa externa, é possível manipular a percepção que se tem de objetos macroscópicos. O caminho pela frente ainda é longo, mas promissor!

Referências:

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