Imagine um relógio que não tem eletricidade, mas suas mãos e engrenagens giram sozinhas por toda a eternidade.
Em um novo estudo, físicos da Universidade do Colorado Boulder utilizaram cristais líquidos, os mesmos materiais que compõem a tela do seu celular, para criar esse tipo de relógio — ou, pelo menos, o mais próximo que os humanos conseguem chegar dessa ideia. O avanço da equipe é um novo exemplo de um “cristal do tempo.” Esse é o nome dado a uma fase curiosa da matéria na qual as partículas, como átomos ou outros componentes, estão em movimento constante.
Os pesquisadores não são os primeiros a criar um cristal do tempo, mas sua produção é a primeira que pode ser realmente observada, o que pode abrir um leque de aplicações tecnológicas.
“Eles podem ser observados diretamente sob um microscópio e, sob condições especiais, até mesmo a olho nu,” disse Hanqing Zhao, autor principal do estudo e estudante de pós-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 no dia 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 começam a se agitar e se mover, seguindo padrões que se repetem ao longo do tempo.
Sob um microscópio, essas amostras de cristais líquidos se assemelham a listras psicodélicas, e podem continuar se movendo por horas — semelhante ao relógio que gira eternamente.
“Tudo nasce do nada,” disse Smalyukh. “Tudo que você precisa fazer é brilhar uma luz, e esse mundo inteiro de cristais do tempo emerge.”
Zhao e Smalyukh fazem parte do satélite do Colorado do Instituto Internacional de Sustentabilidade com Materiais Meta Quiros (WPI-SKCM2), com sede na Universidade de Hiroshima, um instituto internacional com a missão de criar formas artificiais de matéria e contribuir para a sustentabilidade.
Crystalline no espaço e no tempo
Os cristais do tempo podem parecer algo saído da ficção científica, mas se inspiram em cristais que ocorrem naturalmente, como diamantes ou sal de mesa.
O laureado com o Prêmio Nobel Frank Wilczek propôs pela primeira vez a ideia dos cristais do tempo em 2012. Você pode pensar nos 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, mas no tempo em vez de no espaço. Mesmo em seu estado de repouso, os átomos nesse estado não formariam um padrão de rede, mas se moveriam ou se transformariam em um ciclo interminável — como um GIF que se repete para sempre.
O conceito original de Wilczek revelou-se impossível de criar, mas, nos anos que se seguiram, cientistas desenvolveram fases da matéria que se aproximam razoavelmente desse ideal.
Em 2021, por exemplo, físicos usaram o computador quântico Sycamore do Google para criar uma rede especial de átomos. Quando a equipe deu um impulso a esses átomos com um feixe de laser, eles passaram por flutuações que se repetiram várias vezes.
Cristais dançantes
No novo estudo, Zhao e Smalyukh se propuseram a ver se poderiam alcançar um feito semelhante com cristais líquidos.
Smalyukh explicou que se você comprimir essas moléculas da maneira certa, elas se agruparão tão apertadamente que formarão dobras. Notavelmente, essas dobras se movem e podem até, sob certas condições, se comportar como átomos.
“Você tem essas torções, e não pode removê-las facilmente,” 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 cobertas com moléculas de corante. Por conta própria, essas amostras permaneciam majoritariamente paradas. Mas quando o grupo as iluminou com um determinado tipo de luz, as moléculas de corante mudaram sua orientação e comprimiram os cristais líquidos. Nesse processo, milhares de novas dobras foram formadas de repente.
Essas dobras também começaram a interagir entre si seguindo uma série incrivelmente complexa de etapas. Pense em uma sala cheia de dançarinos em um romance de Jane Austen. Pairs se separam, giram pela sala, se reencontram, e tudo acontece novamente. Os padrões no tempo também eram incomumente difíceis de quebrar — os pesquisadores podiam 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 esses cristais do tempo podem ter várias aplicações. Governos poderiam, por exemplo, adicionar esses materiais a cédulas para torná-las mais difíceis de falsificar — se você quer saber se uma nota de $100 é genuína, basta brilhar uma luz na “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, que poderiam permitir aos engenheiros armazenar vastas quantidades de dados digitais.
“Não queremos colocar um limite nas aplicações agora,” disse Smalyukh. “Acredito que existem oportunidades para expandir essa tecnologia em várias direções.”
