Na maioria das vezes, a cor de um material decorre de suas propriedades químicas. Diferentes a¡tomos e moléculas absorvem diferentes comprimentos de onda de luz; os comprimentos de onda restantes são as “cores intra­nsecas” que percebemos quando elas são refletidas de volta aos nossos olhos.

A chamada “cor estrutural” funciona de maneira diferente; éuma propriedade da física, não da química. Padrões microsca³picos em algumassuperfÍcies refletem a luz de tal forma que diferentes comprimentos de onda colidem e interferem uns com os outros. Por exemplo, as penas de um pava£o são feitas de fibras de protea­na transparentes que não tem cor intra­nseca, mas vemos tons de azul iridescente, verde e roxo, devido a s estruturas em nanoescala em suassuperfÍcies.

Amedida que nos tornamos mais ha¡beis em manipular estruturas nas menores escalas, no entanto, esses dois tipos de cor podem se combinar de maneiras ainda mais surpreendentes. Os engenheiros da Penn desenvolveram um sistema de tiras semicondutoras em nanoescala que usa interações estruturais de cores para eliminar inteiramente a cor intra­nseca das tiras.

Embora as tiras devam absorver a luz laranja e, portanto, parecerem em um tom de azul, elas parecem não ter cor alguma.

O ajuste fino de tal sistema tem implicações para exibições hologra¡ficas e sensores a³pticos. Tambanãm pode abrir caminho para novos tipos de microlasers e detectores, elementos fundamentais dos tão procurados computadores fota´nicos.

O estudo foi conduzido por Deep Jariwala , professor assistente do Departamento de Engenharia Elanãtrica e de Sistemas, junto com os membros do laboratório Huiqin Zhang, um estudante de graduação, e Bhaskar Abhiraman, um graduando.

Foi publicado na Nature Communications .

O sistema experimental do pesquisador consiste em tiras em nanoescala de um semicondutor bidimensional, dissulfeto de tungstaªnio, dispostas em um suporte de ouro. Essas tiras, com apenas algumas dezenas de a¡tomos de espessura, são espaa§adas em comprimentos de onda sub-a³pticos, permitindo-lhes emitir o tipo de cor estrutural vista nas asas de borboletas e penas de pava£o.

“Brincamos com asDimensões desse sistema, fizemos várias medições experimentais e fizemos muitas simulações. Então percebemos algo estranho ”, diz Abhiraman. “Se asDimensões dessas faixas estivessem certas, a absorção da luz laranja, que deveria ser intra­nseca ao material, desaparecia! Em outras palavras, o revestimento que compreendia essas listras éinsensa­vel a  luz que entra e mostra apenas as propriedades do substrato subjacente. ”

“Outros pesquisadores da nanofota´nica mostraram anteriormente que a cor estrutural e essas absorções intra­nsecas podem interagir; isso échamado de 'acoplamento forte'. No entanto, ninguanãm viu esse tipo de desaparecimento antes, especialmente em um material que, de outra forma, deveria absorver quase 100 por cento da luz ”, disse Jariwala. “No exemplo das penas de pa¡ssaros ou de borboletas, são as estruturas em nanoescala do material biola³gico que lhes conferem cores iridescentes, já que esses materiais não tem muita cor intra­nseca por si pra³prios. Mas se um material tem uma cor intra­nseca forte, mostramos que se pode fazer o oposto e fazaª-lo desaparecer com a nanoestruturação apropriada. De certa forma, estãoocultando a cor intra­nseca do material de sua resposta a  luz. ”

A investigação desse fena´meno envolve a compreensão de como a cor intra­nseca funciona em umnívelsubata´mico. Os elanãtrons de um a¡tomo são organizados em diferentes na­veis concaªntricos, dependendo de quantos elanãtrons esse elemento possui. Dependendo dos Espaços disponí­veis nesses arranjos, um elanãtron pode saltar para umnívelmais alto quando absorve a energia de um determinado comprimento de onda da luz. Os comprimentos de onda que são capazes de excitar elanãtrons dessa maneira determinam quais são absorvidos e quais são refletidos e, portanto, a cor intra­nseca de um material.

Pesquisadores de nanofota´nica como Jariwala, Zhang e Abhiraman estudam interações ainda mais complicadas entre elanãtrons e seus vizinhos. Quando os a¡tomos estãodispostos em padraµes cristalinos repetidos, como os encontrados nas tiras bidimensionais de dissulfeto de tungstaªnio, suas camadas de elanãtrons se sobrepaµem em bandas conta­guas. Essas bandas permitem que materiais condutores passem cargas de elanãtron para elanãtron. Semicondutores, como o dissulfeto de tungstaªnio, são onipresentes na eletra´nica porque a interação entre suas bandas de elanãtrons da¡ origem a fena´menos aºteis que podem ser manipulados com forças externas.

Neste caso, a interação de luz e carga elanãtrica dentro das tiras semicondutoras produziu o efeito de “camuflagem” sem precedentes.

“Quando o elanãtron éexcitado por comprimentos de onda laranja, ele cria uma lacuna conhecida como buraco, deixando o cristal com um par de cargas opostas fortemente ligadas, chamado de exciton”, diz Jariwala. “Como a luz éuma forma de radiação eletromagnanãtica, seu campo eletromagnético pode interagir com essa excitação de carga e, em circunsta¢ncias especiais, cancela¡-la, de modo que um observador veria a laranja do substrato de ouro em vez do azul das tiras em cima dele . ”

Em seu artigo, Jariwala e seus colegas mostraram que os efeitos estruturais da cor e a interação intra­nseca de absorção de excitons podem ser modelados exatamente com a mesma matemática que os osciladores acoplados: massas saltando em molas.

“Aplicamos esse modelo e descobrimos que, em certas condições, esse efeito de desaparecimento pode ser reproduzido”, diz Zhang. “a‰ lindo que um truque da meca¢nica cla¡ssica possa explicar a maneira como nossa estrutura interage com a luz.”

Esse tipo de cor estrutural, ou a falta dela, pode ser usado para fazer revestimentos de nana´metros de espessura que são projetados para serem insensa­veis a  luz que entra, o que significa que o revestimento parece ter a mesma cor do material abaixo dele. Diferentes arranjos espaciais dessas caracteri­sticas em nanoescala poderiam produzir o efeito oposto, permitindo hologramas e exibições brilhantes. Tradicionalmente, a manipulação de tais recursos tem sido difa­cil, pois os materiais necessa¡rios eram muito mais espessos e difa­ceis de fabricar.

“Uma vez que esta cor estrutural que observamos também émuitosensívelao ambiente circundante”, diz Abhiraman, “pode-se imaginar fazer sensores colorimanãtricos baratos e sensa­veis para produtos químicos ou moléculas biológicas se combinados com a isca química certa.”

“Outra área de aplicação potencial são espectra´metros e fotodetectores integrados em um chip”, diz ele. “Mesmo aqui, os materiais semicondutores tradicionais, como o sila­cio, são difa­ceis de usar, uma vez que suas propriedades a³pticas não são propa­cias para uma forte absorção. Em virtude da natureza confinada do quantum dos materiais 2D, eles absorvem ou interagem com a luz muito fortemente, e sua estrutura semelhante a uma folha torna mais fa¡cil coloca¡-los, deposita¡-los ou revesti-los emsuperfÍcies arbitra¡rias ”.

Os pesquisadores acham que a aplicação mais poderosa de seu sistema pode ser em computadores fota´nicos, onde os fa³tons substituem os elanãtrons como meio de informação digital, aumentando enormemente sua velocidade.

“A hibridização de luz e matéria tem sido usada hámuito tempo em comutadores de comunicação a³ptica e foi concebida como o princa­pio operacional para os lasers de potaªncia de limiar ultrabaixo necessa¡rios para a computação fota´nica”, diz Jariwala. “No entanto, tem sido difa­cil fazer com que esses dispositivos funcionem em temperatura ambiente de maneira confia¡vel e desejada. Nosso trabalho mostra um novo caminho para fazer e integrar esses lasers em substratos arbitra¡rios, especialmente se pudermos encontrar e substituir nossos semicondutores 2D atuais por outros que gostam de emitir muita luz. ”