MICROCRISTAIS RACHADOS QUE CICATRIZAM E VOLTAM A APRISIONAR A LUZ

Os dispositivos fotônicos estão encolhendo: guias que conduzem a luz, ressonadores que a aprisionam, lasers. Nessa escala, uma rachadura microscópica basta para estragá-los. Como as rachaduras se formam e cicatrizam em cristais ópticos orgânicos, escrevem os autores, continua “amplamente inexplorado”.

Cristais que reparam as próprias rachaduras são, nas palavras deles, “um fenômeno raro e notável”. Exemplos anteriores citados no artigo incluem o sal-gema, o cloreto de potássio e a alumina, além de vários cristais moleculares. Mas a maioria tinha de milímetros a centímetros de comprimento e era manipulada com pinças e agulhas. Alguns cicatrizavam lentamente: cristais com cerca de 3 milímetros de comprimento recuperaram apenas 6,7% depois de serem comprimidos por 24 horas. Outros, em forma de agulha, se reuniam em milissegundos.

A ponta de um microscópio como martelo

Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar e colegas da Universidade de Hyderabad e da Universidade Central de Karnataka, na Índia, desceram até a escala em que os cristais funcionam como componentes ópticos. Eles usaram um composto orgânico chamado HDMAC, que brilha em laranja-avermelhado sob luz ultravioleta, com emissão centrada em 660 nanômetros. Depositado em solução sobre uma lâmina de vidro, ele forma cristais finos, quadrados e retangulares, com algumas dezenas de micrômetros de largura.

A ferramenta deles foi a ponta do cantiléver de um microscópio de força atômica, usada tanto para rachar os cristais de forma controlada quanto para empurrar os pedaços de volta. Os autores tomaram emprestado o vocabulário das fraturas ósseas: as rachaduras transversais atravessam o cristal, as longitudinais o percorrem no sentido do comprimento, as oblíquas o cortam na diagonal; uma avulsão arranca um pequeno fragmento.

Pedaços que se fundem

• Num cristal de cerca de 13,7 por 12,5 micrômetros, uma rachadura diagonal desapareceu quando a lateral do cristal foi empurrada para dentro. Ao microscópio eletrônico, o reparo era quase sem emenda, com uma linha tênue em alta ampliação. Só o ponto de onde um fragmento havia sido arrancado continuou sem cicatrizar.
• Um cristal com cerca de 20 micrômetros de comprimento foi partido em dois pedaços separados. Realinhados e pressionados um contra o outro, eles cicatrizaram imediatamente. Empurrado depois com a ponta, o cristal se moveu como um único corpo.
• Rachaduras ao longo de dois planos cristalinos diferentes cicatrizaram nos dois casos. Quase todos os microcristais cicatrizaram quando as superfícies quebradas permaneceram limpas; uma profusão de detritos minúsculos na fratura dificultou a cicatrização.
• Um cristal grande, em forma de floco, com o mesmo empacotamento molecular, se estilhaçou em vez de rachar de forma limpa, e não cicatrizou.

Quanta luz volta

Cristais longos funcionam como guias de onda: a luz emitida numa extremidade viaja até a outra. Num cristal de 271 micrômetros de comprimento, a equipe incidiu um laser de 405 nanômetros numa extremidade e coletou o brilho guiado na outra, antes da rachadura e depois da cicatrização. A comparação das duas medidas deu uma “eficiência de cicatrização” de cerca de 80%. Em seis cristais desse tipo, ela variou de 32% a 99%. As perdas vinham da luz espalhada na rachadura reparada, sobretudo onde faltavam fragmentos.

Um ressonador restaurado

Cristais finos também funcionam como ressonadores: suas faces superior e inferior agem como espelhos, de modo que só certas cores de luz se acumulam entre elas. Quanto mais fino o cristal, maior o espaçamento entre essas ressonâncias. Um cristal de 31 por 28 micrômetros e 1,8 micrômetro de espessura mostrou ressonâncias espaçadas de 17,8 nanômetros.

A equipe o rachou no sentido do comprimento, pelo meio, sem parti-lo. Na rachadura, as ressonâncias foram fortemente suprimidas. Após a cicatrização, elas voltaram, com um espectro igual ao do cristal intacto. Imagens de fluorescência feitas fatia por fatia, a cada 257 nanômetros, mostraram um leve vestígio da rachadura apenas nas camadas superiores; abaixo de cerca de 770 nanômetros, o interior parecia cicatrizado.

Mais macio na emenda

Uma ponta de diamante pressionada contra o cristal com a mesma força afundou 95 nanômetros nas regiões intactas e 115 nanômetros na região cicatrizada. A rigidez da zona cicatrizada, seu módulo de Young, caiu de 2,15 para 1,49 gigapascal, cerca de dois terços do original, e sua dureza caiu aproximadamente pela metade. Ela ainda recuperava parcialmente a forma quando a carga era retirada.

O que mantém os pedaços unidos? Cálculos das forças entre moléculas apontam para cadeias contínuas de atração ao longo dos dois planos de cicatrização: ligações de hidrogênio entre moléculas e atrações entre dipolos de camadas vizinhas, que os autores veem como uma das forças motrizes.

Os autores insistem que nenhum número isolado resume uma eficiência de cicatrização: o tamanho do cristal, o tipo de rachadura e a qualidade do realinhamento dos pedaços mudam o resultado. O objetivo deles são componentes ópticos que sobrevivam a danos — cristais luminosos que, uma vez quebrados, possam voltar a funcionar.