Desequilíbrio Óptico
(02/19/2013)

By: Giovanni Volpe

Fenômenos de desequilíbrio podem ser fonte de muitas novas descobertas. É extraordinário trabalhar com eles e, aomesmo tempo, difícil. E é justamente a sua complexidade que os torna interessantes, apesar de desafiadores. A interação entre o movimento browniano e as forças ópticas já nos fornece novas perspectivas sobre esses fenômenos.

Estar em equilíbrio! Estar em harmonia! Um estado bastante desejado, não


Meio opticamente ativado. Muitos sistemas que ocorrem naturalmente são "ativos", no sentido que suas complexas dinâmicas são movidas tanto por variações térmicas quanto por fontes adicionais de energia. O acoplamento dinâmico entre colóides e a luz dispersa de forma múltipla cria um meio ativo controlável, conduzido opticamente. Créditos: Aristide Dogariu, CREOL.
acha? Quem não quer ter um orçamento equilibrado, contas equilibradas, ou mesmo uma dieta equilibrada? Ainda assim, muitos fenômenos físicos interessantes acontecem quando não há equilíbrio. Pense na constante atividade de seres vivos, por exemplo; apenas a morte pode restabelecer um equilíbrio tranquilo. Entretanto, fenômenos de desequilíbrio são inerentemente mais difíceis de serem estudados, pois são mais bagunçados do que suas contrapartes equilibradas, que são limpas e arrumadas. Portanto, o novo modelo experimental para sistemas desequilibrados desenvolvido por Aristide Dogariu e seus colegas Kyle Douglass e Sergey Sukhov, na CREOL - Faculdade de Ótica e Fotônica da Flórida, EUA, é uma novidade muito bem-vinda para físicos experimentais.

Água parada em um copo. O hélio que faz um balão a gás voar. Os tijolos da parede do seu escritório. Todos parecem estar em equilíbrio, pois não apresentam mudanças ao longo de um período não muito longo. As leis que regem esses sistemas são relativamente simples, e os físicos já conseguiam compreender a maioria delas ao final do século XIX. Essa compreensão foi uma verdadeira conquista, que permitiu que cientistas e engenheiros alcançassem diversos avanços tecnológicos importantes, como os arranha-céus e as estações espaciais, entre outros. Entretanto, as coisas ficam muito mais desafiadoras e interessantes quando consideramos sistemas em desequilíbrio, continuamente ativados por alguma energia que entra no sistema.

Um cardume de peixes, um bando de aves e uma manada de búfalos são exemplos de sistemas desequilibrados - exemplos de matéria ativa. Suas muitas partes constitutivas interagem umas com as outras e desencadeiam comportamentos complexos, onde a ordem global e a aleatoriedade local interagem. Por exemplo, um peixe pode olhar à sua volta ativamente para observar o que outros peixes estão fazendo, e decidir nadar de acordo com eles. A energia adicional proporcionada pelos músculos coletivos dos peixes é o que impulsiona a movimentação de um cardume sem equilíbrio, e torna tão difícil defini-la! Uma pilha de peixes mortos rapidamente retornaria a um estado de equilíbrio, e se tornaria tão interessante quanto uma pilha de tijolos — a menos até que começassem a apodrecer.

A fim de compreender as leis que regem a matéria ativa, precisamos ter alguns sistemas modelo relativamente simples, com os quais possamos realizar experimentos, e cujos parâmetros consigamos controlar. Isso dificilmente será possível com um cardume de peixes, já que seria muito difícil dizer aos peixes a qual velocidade eles devem nadar, e como interagir com os outros peixes.

Dogariu e seus colegas pensaram em um sistema modelo simples. Eles encheram um pequeno recipiente de água e adicionaram algumas esferas, milhares de vezes menores que um milímetro. Essas partículas tão pequenas são conhecidas como partículas brownianas, pois elas estão sempre se movimentando de forma caótica, devido a baques aleatórios com moléculas da água — um fenômeno que Robert Brown descreveu pela primeira vez no início do século XIX. Até o momento, isso apresenta um sistema em equilíbrio, totalmente compreendido no início do século XX. Dogariu e seus colegas adicionaram um novo fator: forças ópticas aleatórias.

As forças ópticas surgem quando a luz interage com a matéria. Quando um fóton se choca contra um objeto material, pode ser refletido ou refratado. Em ambos os casos, sua direção muda, o que significa que o objeto sofre um recuo e, em seguida, um pequeno empurrão. Esse tipo de força é responsável por empurrar as caudas dos cometas para longe do Sol, um fato notado por Kepler no século XVII. Esse fato também foi explorado no desenvolvimento de pinças ópticas, que atualmente permitem que os cientistas utilizem um raio de laser para capturar e manipular pequenas partículas, como moléculas e átomos.

Dogariu e seus colegas tiveram a ideia de apontar um laser bastante potente para sua solução de partículas microscópicas. Dessa forma, os fótons se dispersam por toda a parte por conta da interação com a partícula; isso cria um campo óptico bastante complexo, que emite forças aleatórias sobre as próprias partículas. Portanto, ocorre uma interação muito complexa: as posições das partículas determinam o campo óptico, e o campo óptico determina como a posição das partículas se altera.

Quando comparado a outros sistemas ativos, como os cardumes que mencionamos anteriormente, o sistema de Dogariu tem a vantagem de ser completamente controlável. "Nós podemos controlar o tipo e o tamanho da partícula", explicou Dogariu, "mas também a força da interação entre as partículas, utilizando a energia do laser e a densidade das partículas. Também podemos mudar isso da forma como quisermos, pois é tão simples quanto ligar e desligar um laser". Dessa forma, esse sistema modelo tem o potencial de lançar uma nova perspectiva sobre diversos aspectos de sistemas ativos complexos. "Agora, nós vamos usar nosso sistema experimental como um sistema modelo, para investigar as propriedades de sistemas ativos, como, por exemplo, bactérias móveis", concluiu Dogariu.

 GV é professor assistente na Universidade Bilkent, em Ancara (Turquia); sua pesquisa se concentra em óptica, física estatística e matéria mole (http://softmatter.bilkent.edu.tr/).


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