Impressão magnética pode ser o caminho para pixels reconfiguráveis
Pesquisadores utilizaram campos magnéticos para posicionar partículas em posições programadas. Pesquisa pode abrir caminho para pixels reconfiguráveis.
Pesquisadores do departamento de química e do departamento de engenharia química e biológica da Northwestern University, em Illinois, EUA utilizaram campos magnéticos para posicionar partículas diamagnéticas e paramagnéticas em posições programadas. As partículas que estavam suspensas em um fluido, foram organizadas através de uma técnica chamada de moldagem magnética. Num artigo publicado na revista científica Nature, eles mostram como é possível imprimir um grande espectro de objetos coloidais suspensos em um fluido paramagnético. Eles conseguiram “imprimir” partículas poliméricas, sílica e até mesmo bactérias vivas.
[caption id=”attachment_1709" align=”aligncenter” width=”946"]
Clique para ampliar →> a, Esquema do arranjo experimental e os perfis de força calculados. Forças magnéticas laterais (flechas marcadas com Fm) posicionam as particulas magnéticas (vermelho) dentro das “ilhas” de níquel da grade e partículas não-magnéticas (azul) nos espaços “vazios” da grade. b, Partículas magnéticas, com 2,85 μm de diâmetro, montadas sobre uma grade quadrada de ilhas de níquel. A fidelidade da montagem, definida como a porcentagem de nós da rede sem defeitos f=97 ± 2%. c, Partículas diamagnéticas com 1,2 μm de diâmetro organizadas sobre os espaços vazios de uma grade hexagonal de anéis de níquel; f = 95 ± 3%. Escala: 10 μm. Os quadros brancos demonstram as grades de níquel sob as partículas. Imagem reproduzida da referência 1 © 2013 NPG[/caption]
A impressão é uma ideia antiga, mas perene. Tecnologias de impressão sempre inspiraram novos paradigmas de fabricação: começando com os blocos de madeira inventados há quase dois milênios, passamos a formas mais avançadas que sustentam a era digital (como a litografia, estampagem química e impressão a jato de tinta) e agora avançamos em direção à impressão tridimensional, um campo que ganha cada vez mais força e já é amplamente utilizado para prototipagem rápida.
Na verdade, “imprimir” virou uma metáfora para deposição, com precisão e sob demanda, de incontáveis pequenos objetos que podem ser nanopartículas, vírus ou transístores. Até mesmo tecidos vivos e órgãos podem ser impressos. Apesar de todos os avanços nas tecnologias de impressão, organizar objetos microscópicos suspensos em líquidos ainda é um grande desafio, pois a maioria dos métodos de impressão funcionam somente no ar.
Talvez porque os métodos para fazer isso estejam tão mal desenvolvidos, muitos cientistas tomaram a rota da auto-montagem (self-assembly), que é uma tentativa de fazer com que objetos que estão em movimento Browniano se acomodem em um estado “auto-organizado” (isto é, o estado com menor energia livre termodinâmica). A auto-montagem passiva tem o apelo de funcionar bem em fluidos, mas normalmente tem baixo rendimento, gera subprodutos indesejáveis e os seus resultados são difíceis de generalizar e aplicar em larga escala.
Estas dificuldades inspiraram os pesquisadores a trabalhar com montagem coloidal controlada por campos magnéticos. Para “imprimir no molhado” eles utilizaram grades de metal embebidas em borracha. Essas grades, com espessura de algumas centenas de nanômetros, foram colocadas sobre um ímã permanente gerando micro-gradientes de campo magnético capazes de organizar as partículas em suspensão.
[caption id=”attachment_1721" align=”aligncenter” width=”592"]
a, Imagem confocal de uma monocamada de partículas diamagnéticas com 1,2 μm de diâmetro configuradas como tetrâmeros montados sobre a grade de níquel. b, Esquerda: mesma grade fixada em substrato de PDMS. As partículas estão ligadas umas às outras por deposição de silica. Meio: imagem confocal das particulas liberadas em solução através de sonicação. Direita: Imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos tetrâmeros liberados após secagem. c, Imagens análogas de hexâmeros construídos com partículas de 1,2 μm. d–g, Exemplos de moléculas coloidais com dois tipos de partículas diamagnéticas [1.2 μm (verde) e 800 nm (vermelho)]. Os listrados mostram o contorno dos espaços vazios na grade de níquel. Escala: 2 μm. Imagem reproduzida da referência 2 © 2013 NPG[/caption]Os pesquisadores chamaram esta forma de impressão de “moldagem magnética”, por que soluções de sais paramagnéticos regulam a resposta das partículas ao campo magnético; a solução é na verdade uma parte do molde. Curiosamente, os campos magnéticos se estendem para o fluido, e por isso o método é capaz de montar estruturas com algumas camadas que se estendem na vertical, algo que é típico da impressão convencional.
Quando o ímã é removido, o molde que organizava as partículas é perdido e as estruturas impressas se desmontam, mas elas podem ser gravadas permanentemente através de ligações carbamida. Elas podem ser então transferidas para polímeros, como o PDMS, para a criação de máscaras fotolitográficas e máscaras de difração.
Técnicas de moldagem magnética podem permitir a impressão 3D de estruturas coloidais. É fácil imaginar a troca da posição do molde magnético durante as diferentes etapas do processo de impressão. Da mesma forma que nos métodos de impressão 3D atuais, a impressão de objetos macroscópicos pode ser obtida por meio de deposição de camada por camada: novas camadas são depositadas sobre camadas anteriores fixadas permanentemente.
A técnica também não sobre limitações de resolução devido ao fato da resolução dos pixels ser definida pelo tamanho dos objetos impressos e pelo padrão de moldagem. Dispositivos que requerem precisão, como dispositivos fotônicos, podem se beneficiar disto.
[caption id=”attachment_1717" align=”aligncenter” width=”476"]
a, Inspirado pela rápida reprogramação de displays eletrônicos, os pixels magnéticos podem ser desenhados para impressão 3D camada por camada. A imagem exemplifica conceitualmente a deposição camada por camada de esferas coloidais para produzir duas famílias de redes (empacotamentos AAA e ABA), nos quais os tamanhos e química dos poros e a organização coloidal são precisamente controladas em cada etapa de impressão. b, O conceito de pixels magnéticos reconfiguráveis ainda é um sonho de engenharia. Imagem reproduzida da referência 2 © 2013 NPG[/caption]
O princípio colocado em prática pelos pesquisadores pode até ser generalizado para prover programação e reconfiguração de pixels sob demanda. Alcançar isto pode ser possível através do uso de pixels magnéticos reconfiguráveis (hoje ainda um sonho de engenharia), com eletroímãs no lugar dos ímãs permanentes. Hoje, é rotina trocar pixels em displays visuais; um dia, pode-se atingir controles e velocidade semelhantes com a moldagem magnética. Por exemplo, através da incorporação de controle magnético dinâmico pode ser possível reconfigurar os parâmetros de rede e a simetria de empacotamento dos cristais de um material, transformando um objeto em outro.
Estes sonhos até parecem simples à primeira vista, porém serão precisos gigantescos esforços de engenharia para que eles tornem-se realidade. E por mais louco que pareça, a ideia de reconfigurar objetos impressos sob demanda — algo análogo a transformar espadas em enxadas — por enquanto, pertence à mente dos visionários. Nós ainda não sabemos como programar, imprimir e reconfigurar objetos tridimensionais. Enquanto nós esperamos por estas inovações, podemos ter alguma ideia de como as tecnologias de impressão irão se desenvolver.
Fontes:
2 — Changqian Yu, Jie Zhang and Steve Granick — Nature Materials 13, 8–9 (2014)
