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Luz Para o Conhecimento

Nosso cérebro dá movimento, forma e cor ao mundo por meio da luz que é produzida pelo Sol, por lâmpadas ou chamas, que é refletida pelos objetos a nosso redor e captada por nossos olhos. No entanto, as cores que vemos não são uma propriedade intrínseca da luz que chega aos nossos olhos. Elas são, na verdade, a interpretação que nosso cérebro dá para o sinal elétrico produzido na retina, no fundo dos olhos, em resposta à incidência de luz.

As células da retina são, por sua vez, sensíveis a apenas uma pequeníssima fração de todos os tipos de luz que existem, as chamadas ondas eletromagnéticas. Além da luz que nos é visível e que nos fornece muitas informações sobre o mundo a nossa volta, existem ainda outras tantas ondas eletromagnéticas, outros tantos tipos de luz, que não podemos ver.

Esse é o caso, por exemplo, da luz ultravioleta produzida pelo Sol. Apesar de não podermos vê-la, ela é capaz de causar danos aos nossos olhos, além de ser um dos fatores responsáveis pela ocorrência de câncer de pele. Por outro lado, abelhas e borboletas têm olhos capazes de detectar essa radiação ultravioleta e se guiam por ela em busca de alimento, ao verem nas flores cores que nós não podemos ver.

Sob a luz ultravioleta, as flores de algumas plantas, como girassóis, apresentam um centro mais escuro e também padrões específicos nas pétalas. Esses padrões são visíveis aos polinizadores, que se guiam para onde está localizado o néctar.

O  estudo desses tipos invisíveis de luz permitiu o desenvolvimento das mais diversas tecnologias que as utilizam, como as ondas de rádio transmitidas por aparelhos de rádio e redes Wi-Fi, as micro-ondas de fornos e das redes de celulares, a luz infravermelha de controles remotos e portas automáticas, a radiação ultravioleta utilizada na esterilização de objetos e no tratamento de água, os raios X das radiografias e tomografias hospitalares e os raios gama utilizados em terapias contra o câncer.

Ferramentas para Revelar o Invisível

Essas tecnologias são resultado do avanço do conhecimento científico, que está intimamente ligado ao desenvolvimento de ferramentas que permitam visualizar e compreender a estrutura da matéria em escalas que normalmente nossos olhos não podem ver.

Por exemplo, para sabermos que os seres vivos são compostos por células, foram necessários a invenção e aprimoramento do microscópio ótico, entre o final do século XV e ao longo do século XVI. Nesse equipamento, luz é refletida pelo material que se deseja observar e em seguida atravessa um conjunto de lentes que amplifica a imagem para que nossos olhos possam perceber detalhes antes inacessíveis. Mais tarde que esse conhecimento serviu de base, por exemplo, para entendermos que muitas doenças são causadas por microrganismos invisíveis a olho nu.

Nossa capacidade de observar e compreender o mundo ao nosso redor avança à medida que novas ferramentas se tornam disponíveis.

Microscópio utilizado por Robert Hooke para estudar cortes de cortiça. Hooke descreve o que chamou de “células” (do latim “cella”, pequena cavidade). Essa observação dá origem à palavra usada até hoje para descrever a menor unidade de um organismo vivo. No entanto, as estruturas observadas por Hooke são, na verdade, as paredes de células vegetais mortas.

Janela para a Estrutura da Matéria

Hoje sabemos ainda que todas as coisas, vivas ou não, são formadas de átomos. Estes átomos são compostos por um núcleo, positivamente carregado, e elétrons, negativamente carregados, que orbitam de maneira estável o entorno do núcleo. Cada material é composto por diferentes tipos de átomos, isto é, diferentes elementos químicos, que se ligam de diferentes formas.

A forma como os átomos de uma substância se distribuem no espaço vai então definir a distribuição dos elétrons ao longo do material – sua estrutura eletrônica. Dessa estrutura dependem as propriedades macroscópicas de um material – se ele será rígido ou maleável, opaco ou transparente, ou ainda condutor, semicondutor ou isolante. A compreensão das propriedades dos materiais requer, portanto, que conheçamos os átomos que os compõem e como estão distribuídos.

Diamante e grafite, dois materiais com propriedades completamente distintas, são compostos pelos mesmos átomos de carbono, tendo como única diferença sua disposição espacial.

A forma como as ondas eletromagnéticas interagem com os materiais – se são refletidas ou absorvidas pelos objetos – depende, entre outros fatores, dos átomos que os constituem. Não só isso, como cada elemento químico possui uma espécie de impressão digital que permite que ele seja identificado pela forma como interage com as ondas eletromagnéticas, sejam visíveis ou não.

Assim, da mesma forma como a luz visível permite que observemos características macroscópicas das coisas, é possível utilizar tanto a luz visível como todas as outras diversas ondas eletromagnéticas para investigar a estrutura, a composição e as propriedades das coisas na escala microscópica. Elas nos permitem abrir uma nova janela para a observação do mundo ao nosso redor.

Ao passar a luz do Sol por um equipamento semelhante a um prisma é possível observar todos os diferentes tipos de luz visível emitidos pela Estrela. As faixas escuras correspondem à luz absorvida pelos gases na superfície do Sol. Cada elemento químico absorve faixas muito específicas da luz e, por isso, a partir da análise dessa luz faltante, é possível identificar quais são os elementos químicos presentes na superfície do Sol. Por exemplo, o elemento químico Hélio foi descoberto primeiro no Sol, a partir de uma análise desse tipo em 1870, anos antes da descoberta de sua presença na Terra.

Imagem: N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF

Grandes Desafios da Humanidade

Muitos dos desafios que o Brasil e o mundo enfrentam hoje exigem desenvolvimentos científicos e tecnológicos cada vez mais sofisticados. Seja na criação de fármacos contra novas doenças, no aproveitamento da biomassa como fonte de energia renovável, ou no desenho de novos fertilizantes para uma agricultura mais sustentável, é essencial a compreensão e a manipulação dos mecanismos microscópicos por trás de processos macroscópicos.

Para isso são necessárias ferramentas avançadas, que permitam investigar todo tipo de material, seja biológico ou sintético, com alta resolução espacial para a visualização de detalhes micro e nanométricos. É importante, ainda, investigar materiais em diferentes escalas de tamanho e com alta resolução temporal, para o estudo de fenômenos que ocorrem em frações de segundos. Por fim, tudo isso deve ser investigado nas condições reais em que o material será utilizado, se possível com o detalhamento de diferentes informações, como a concentração e distribuição dos seus elementos químicos e de suas ligações químicas.

A Luz Síncrotron

A luz síncrotron é um tipo de radiação eletromagnética extremamente brilhante que se estende por um amplo espectro, isto é, ela é composta por diversos tipos de luz, desde o infravermelho, passando pela luz visível e pela radiação ultravioleta e chegando aos raios X.

Com o uso dessa luz especial é possível penetrar a matéria e revelar características de sua estrutura molecular e atômica para a investigação de todo tipo de material. O seu amplo espectro permite realizar diferentes tipos de análise com as diferentes radiações que a compõem. Já seu alto brilho permite experimentos extremamente rápidos e a investigação de detalhes dos materiais na escala de nanômetros. Com a luz síncrotron é também possível acompanhar a evolução no tempo de processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem em frações de segundo.

As características desta luz permitem ainda que essas análises sejam feitas enquanto os materiais são submetidos a diversas condições de temperatura e pressão, de vácuo e fluxo de diferentes gases, de campos elétricos e magnéticos, e muitas outras variáveis. Dessa forma, é possível realizar experimentos nas mesmas condições em que as amostras se encontram na natureza – como no interior da crosta terrestre – ou nas condições em que os materiais serão utilizados, como em processos industriais, por exemplo.