Imagine um relógio que não precisa de eletricidade, mas cujos ponteiros e engrenagens giram sozinhos por toda a eternidade.
Em um novo estudo, físicos da Universidade do Colorado Boulder usaram cristais líquidos, os mesmos materiais que estão na tela do seu celular, para criar tal relógio — ou, pelo menos, o mais próximo que os humanos podem chegar dessa ideia. O avanço da equipe é um novo exemplo de um “cristal do tempo”. Esse é o nome para uma fase curiosa da matéria na qual as partes, como átomos ou outras partículas, estão em movimento constante.
Os pesquisadores não são os primeiros a fazer um cristal do tempo, mas a criação deles é a primeira que os humanos podem realmente ver, o que pode abrir uma série de aplicações tecnológicas.
“Eles podem ser observados diretamente sob um microscópio e até mesmo, em condições especiais, a olho nu,” disse Hanqing Zhao, autor principal do estudo e estudante de graduação no Departamento de Física da CU Boulder.
Ele e Ivan Smalyukh, professor de física e membro do Instituto de Energia Renovável e Sustentável (RASEI), publicaram suas descobertas em 4 de setembro na revista Nature Materials.
No estudo, os pesquisadores projetaram células de vidro preenchidas com cristais líquidos — neste caso, moléculas em forma de bastão que se comportam um pouco como um sólido e um pouco como um líquido. Sob circunstâncias especiais, se você iluminar esses cristais líquidos, eles começarão a girar e se mover, seguindo padrões que se repetem ao longo do tempo.
Abaixo de um microscópio, essas amostras de cristais líquidos assemelham-se a listras psicodélicas de tigre, e podem continuar se movendo por horas — parecido com aquele relógio girando eternamente.
“Tudo nasce do nada,” disse Smalyukh. “Tudo o que você precisa fazer é brilhar uma luz, e esse mundo inteiro de cristais do tempo surge.”
Zhao e Smalyukh são membros do satélite do Colorado do Instituto Internacional para a Sustentabilidade com Matéria Meta Quiral Nó (WPI-SKCM2), com sede na Universidade de Hiroshima, um instituto internacional com missões de criar formas artificiais de matéria e contribuir para a sustentabilidade.
Crystals no espaço e no tempo
Os cristais do tempo podem soar como algo saído da ficção científica, mas eles se inspiram em cristais que ocorrem naturalmente, como diamantes ou sal de mesa.
O laureado com o Prêmio Nobel Frank Wilczek foi o primeiro a propor a ideia de cristais do tempo em 2012. Você pode pensar em cristais tradicionais como “cristais do espaço”. Os átomos de carbono que compõem um diamante, por exemplo, formam um padrão de rede no espaço que é muito difícil de quebrar. Wilczek se perguntou se seria possível construir um cristal que fosse igualmente bem organizado, exceto no tempo em vez de no espaço. Mesmo em seu estado de repouso, os átomos em tal estado não formariam um padrão de rede, mas se moveriam ou se transformariam em um ciclo sem fim — como um GIF que se repete para sempre.
O conceito original de Wilczek provou ser impossível de realizar, mas, nos anos seguintes, os cientistas criaram fases da matéria que se aproximam razoavelmente disso.
Em 2021, por exemplo, físicos usaram o computador quântico Sycamore do Google para criar uma rede especial de átomos. Quando a equipe deu um toque com um feixe de laser a esses átomos, eles sofreram flutuações que se repetiram várias vezes.
Crystals dançantes
No novo estudo, Zhao e Smalyukh se propuseram a ver se poderiam alcançar uma façanha semelhante com cristais líquidos.
Smalyukh explicou que, se você pressionar essas moléculas da maneira certa, elas se agruparão de forma tão apertada que formarão “kinks”. Remarkavelmente, esses kinks se movem e podem até, em certas condições, se comportar como átomos.
“Você tem essas torções, e não é fácil removê-las,” disse Smalyukh. “Elas se comportam como partículas e começam a interagir entre si.”
No estudo atual, Smalyukh e Zhao colocaram uma solução de cristais líquidos entre duas peças de vidro que eram revestidas com moléculas de tinta. Sozinhos, essas amostras permaneciam majoritariamente paradas. Mas quando o grupo as iluminou com um certo tipo de luz, as moléculas de tinta mudaram sua orientação e comprimiram os cristais líquidos. Nesse processo, milhares de novos kinks formaram-se de repente.
Esses kinks também começaram a interagir entre si seguindo uma série de passos incrivelmente complexos. Pense em uma sala cheia de dançarinos em um romance de Jane Austen. Os pares se separam, giram pela sala, se reencontram e fazem tudo outra vez. Os padrões no tempo também eram incomumente difíceis de quebrar — os pesquisadores puderam aumentar ou diminuir a temperatura de suas amostras sem interromper o movimento dos cristais líquidos.
“Essa é a beleza deste cristal do tempo,” disse Smalyukh. “Você apenas cria algumas condições que não são tão especiais. Você brilha uma luz, e tudo acontece.”
Zhao e Smalyukh afirmam que tais cristais do tempo podem ter várias utilizações. Os governos poderiam, por exemplo, adicionar esses materiais a notas de dinheiro para torná-las mais difíceis de falsificar — se você quiser saber se aquela nota de 100 dólares é genuína, basta brilhar uma luz sobre a “marca d’água do tempo” e observar o padrão que aparece. Ao empilhar vários cristais do tempo diferentes, o grupo pode criar padrões ainda mais complicados, o que poderia potencialmente permitir que engenheiros armazenassem grandes quantidades de dados digitais.
“Não queremos colocar um limite nas aplicações agora,” disse Smalyukh. “Acho que há oportunidades para empurrar essa tecnologia em todas as direções.”