Físicos da Universidade de Bath lideram a descoberta de uma nova propriedade óptica que mede a torção em pequenas hélices.
Uma nova propriedade óptica não linear de partículas minúsculas foi descoberta por uma equipe internacional de cientistas liderada por físicos da Universidade de Bath, com implicações importantes para pesquisadores que trabalham em áreas tão diversas como tecnologia de exibição, catálise química e medicina.
A nova propriedade é observada quando a luz que passa através de partículas minúsculas – de tamanho semelhante ao comprimento de onda da luz – é espalhada numa cor diferente da da iluminação. A luz espalhada está na ‘frequência do segundo harmônico’, o que significa que está no dobro da frequência da luz iluminante.
O estudo teve como objetivo explorar o efeito Tyndall – o fenômeno da dispersão da luz a partir de partículas maiores que as nanopartículas, mas menores que as micropartículas. Partículas deste tamanho incluem vírus e organismos unicelulares, como bactérias.
Quando iluminadas com luz branca, essas partículas parecem azuis (os olhos azuis também devem sua cor ao efeito Tyndall).
Espalhamento Tyndall de segundo harmônico
Partículas inorgânicas dispersas em líquidos são úteis em muitas aplicações, incluindo a adição de cor a tintas e plásticos, cremes de proteção UV (óxido de zinco e dióxido de titânio dispersam a luz ultravioleta, mas deixam passar a luz visível), catálise (para acelerar ou permitir reações químicas) e terapêutica médica (exemplos incluem encapsular medicamentos e entregá-los ao seu alvo; cortar seletivamente o DNA e matar vírus).
Para todas essas aplicações, é essencial que os pesquisadores caracterizem o tamanho e a forma das partículas com precisão e em tempo real.
A luz é o melhor método para realizar essas análises em partículas na água, que geralmente é o meio em que estão retidas. Quando as partículas são iluminadas, sua luz espalhada contém informações sobre seu tamanho e geometria.
Vários métodos para analisar o tamanho das partículas dependem do efeito Tyndall. A maioria dos métodos depende de fontes de luz fraca (normalmente lâmpadas) e a luz espalhada coletada é da mesma cor da iluminação. Outros métodos mais sofisticados dependem de uma fonte de luz laser. O novo estudo leva a compreensão dos cientistas sobre a luz espalhada pelo laser para o próximo nível.
Explicando, o professor Ventsislav Valev, que liderou a equipe de Bath e o estudo, disse: “Quando um laser – com onda de luz longa – é usado no experimento de Tyndall, a luz pode ser criada em uma cor diferente – com onda curta – e depois espalhada A nova cor corresponde ao dobro da vibração luminosa da iluminação.
“Esta descoberta foi feita em 1965 nos laboratórios da Ford Motor Company e se aplica a partículas de todos os tamanhos. Mas se o tamanho de uma partícula corresponder à faixa do efeito Tyndall, então a iluminação e a luz recém-criada podem ser melhor separadas no espaço. Basicamente, o efeito Tyndall classifica as ondas de luz por tamanho.
Ele acrescentou: “Mas uma propriedade geométrica permaneceu inobservável até agora com este novo estudo: a quiralidade!”
Moléculas torcidas
A quiralidade é uma propriedade geométrica fundamental em praticamente todas as escalas de comprimento. Nos humanos e em outros organismos vivos, todos os aminoácidos funcionais são quirais, assim como os açúcares, as proteínas e assim por diante. A quiralidade é expressa na direção da torção de uma molécula (sentido horário ou anti-horário), semelhante à torção de uma hélice de DNA.
Para o novo estudo, membros da equipe dos Estados Unidos fabricaram hélices de silício com comprimento de cerca de 270 nm, que corresponde em tamanho a alguns vírus, grandes exossomos e bacteriófagos.
O professor Valev disse: “Descobrimos que quando iluminamos essas hélices com luz laser quiral (ou polarizada circularmente), a luz espalhada pode nos dizer em que direção as hélices de silício vão.
“Uma das razões pelas quais isto é importante é porque o silício é o elemento sólido mais abundante na Terra, pelo que cada nova propriedade tem potencial para aplicações sustentáveis e económicas.
“Outra razão é que medir a torção (quiralidade) é muito necessária para montar materiais inorgânicos a partir de blocos de construção nanotecnológicos. A importância é semelhante à de fazer e depois poder medir a rosca de um parafuso padronizado.”
Olhando para o futuro, o professor Valev disse: “Agora que temos uma base para as propriedades das hélices individuais na água, a próxima etapa é começar a modificá-las e, eventualmente, construí-las em materiais automontados.”
O candidato ao doutorado Ben Olohan, primeiro autor da publicação da pesquisa, disse:”A chave aqui é que os processos biológicos se estendem das moléculas às montagens celulares e além. Em comparação com as escalas de comprimento da dispersão de Tyndall, efeitos semelhantes foram observados para muito menores e para partículas muito maiores.
“Portanto, este efeito de escala de comprimento intermediário tinha que existir, mas permaneceu não observado. É por isso que continuei procurando sua demonstração. É muito gratificante para meu projeto de doutorado ter encontrado esse ‘elo perdido’ na ciência.”
A pesquisa está publicada na revista ACS Nano. Foi financiado pela Royal Society, pelo Leverhulme Trust e pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC).