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Laser: pinças de luz

Até hoje a ciência não provou que a fé move montanhas. Mas que a luz pode mover a matéria, isso ela pode. Com a ponta dos raios laser, os cientistas conseguem realizar tarefas de altíssima precisão, como agarrar um vírus ou soldar a membrana de uma célula.

Cássio Leite Vieira

O feixe de laser é músculo puro

O primeiro a suspeitar que a luz tinha força, e era até capaz de empurrar alguns objetos, foi o físico e astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630). Para ele, a pressão dos raios solares atuava sobre a cauda dos cometas, varrendo-as para longe, e sempre em direção oposta à do Sol (veja o quadro abaixo).

Dois séculos mais tarde, o físico escocês James Clerk Maxwell demonstrou matematicamente que Kepler estava certo. Mas os raios luminosos, normalmente, são rarefeitos e, por isso, muito fracos. Na prática, eles não têm muita utilidade.

O que mudou tudo foi a invenção, em 1960, do aparelho de raio laser, que concentra uma grande quantidade de luz num único feixe. Mesmo quando sua potência abaixa, a concentração garante a eficácia. É músculo puro. Foi a partir daí que surgiu a possibilidade de se construir uma ferramenta de luz, batizada de pinça óptica (veja o infográfico).

Para ter uma idéia, imagine um laser de 5 watts, a mesma potência de uma lanterna comum, e uma bolinha de plástico minúscula, com a dimensão de uma ponta de agulha. Pois, ao ser atingida pelo raio, a bolinha seria acelerada de tal modo que, ao fim de 1 segundo, já estaria voando a mais de 3 milhões de quilômetros por hora.

Força sem controle

Claro que não dá para manipular coisa nenhuma de maneira tão atabalhoada. Mas aos poucos os cientistas começaram a investigar meios de controlar os feixes de laser. Seu objetivo era não apenas conseguir empurrar suavemente os objetos, como também prendê-los e puxá-los conforme a necessidade.

O pioneiro foi o físico americano Arthur Ashkin, dos Laboratórios Bell. Em 1969, acreditando nas possibilidades da pesquisa, ele começou as experiências que o transformariam no pai da nova tecnologia do laser.

O brilho da nova tecnologia no Brasil

A primeira proposta prática de construir uma pinça óptica foi feita em 1987 pelo físico americano Arthur Ashkin. Ele ensinou como usar raios laser para capturar um vírus das plantas, chamado mosaico do tabaco, medindo pouco mais de 1 milionésimo de milímetro de comprimento.

Para capturar o mosaico, Ashkin usou um laser de 100 milésimos de watt (uma lampada caseira tem potência mil vezes maior). Na segunda etapa dessa mesma experiência, Ashkin tentou manipular bactérias. Então percebeu que, mesmo sendo tão fraco, o laser podia facilmente torrar os microrganismos, em vez de simplesmente prendê-los. Ele tinha feito sucesso com o vírus, mas se decepcionou com a bactéria: ela acabou sendo assada pela luz. Assim, nas pesquisas seguintes, um objetivo central foi aprender a ajustar a potência do laser num patamar compatível com a manipulação dos alvos biológicos, como bactérias e células animais. Ficou então claro que o ideal era reduzir potência para a casa dos 10 milésimos de watt, e também que o laser mais adequado não era o de luz comum, mas sim o de infravermelho.

Laboratório carioca

O Brasil acompanhou essas experiências com muita atenção. Tanto que, logo no início dos anos 90, a Unicamp, Universidade Estadual de Campinas, montou a sua primeira pinça óptica e dominou as técnicas básicas de manipular micróbios.

O Rio de Janeiro foi ainda mais longe. Lá, a Coordenação de Programas de Estudos Avançados já está com tudo pronto para inaugurar, este ano mesmo, um laboratório completo de pinças ópticas. A sede vai ficar no Centro de Ciências da Saúde, na Universidade Federal do Rio de Janeiro. Mas não pertence à universidade. O projeto é mais democrático: as portas do labora- tório estarão abertas para todo pesquisador que tiver uma boa idéia. E quiser brilhar junto à luz exata do raio laser.

O vento que agita as caudas

A primeira hipótese sobre a força da luz surgiu no século XVII, inspirada pela passagem dos cometas.

Dedução genial

Em 1619, o astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630) sugere que a luz solar é capaz de fazer pressão sobre a cauda dos cometas. Com isso, Kepler consegue explicar por que elas ficam sempre viradas para o lado oposto ao Sol. É como se estivessem sendo varridas por um vento luminoso.

A prova dos números

A idéia de Kepler é confirmada, em 1873, pelo escocês James Maxwell (1831-1879). Este cria a teoria pela qual a luz é feita de eletricidade e calcula a força exata dos raios luminosos. Nas décadas seguintes, são construídos pequenos cataventos de metal que até uma lanterna pode fazer girar.

Invenção decisiva

A invenção do aparelho de raio laser, em 1960, cria a possibilidade de utilizar a pressão da luz com fins práticos. Um feixe de laser, mesmo de potência muito inferior à de uma lâmpada caseira, tem um brilho 10 000 vezes superior ao do Sol, sua pressão luminosa é proporcionalmente maior que a dos raios solares.

Ao toque de um pincel cintilante

O segredo das chamadas pinças ópticas é o poder de ajustar o foco do laser com absoluta precisão.

Qualquer coisa que se queira agarrar tem de estar dentro d’água, num recipiente raso 1. Neste infográfico, o alvo é uma microesfera de plástico transparente 2. Logo acima fica uma lente essencial, chamada objetiva 3. Ela serve para ajustar o foco do laser 4 no interior da esfera. É que, se a ponta do raio toca o lado esquerdo da bolinha, ela é puxada na mesma direção. E assim por diante: mudando a posição do foco, o operador arrasta o objeto para onde quer.

De cá para lá e de lá para cá

Como dirigir o movimento de um alvo submerso

Se o foco do laser está acima do centro da microesfera, surge uma força que empurra a microesfera para cima.

Quando o foco está na metade de baixo, a pressão sobre a microesfera a obriga a descer.

A microesfera pode ser também movimentada para a esquerda e para a direita, bastando alterar o foco nessas direções.

De bactérias a veleiros do espaço

A tecnica de mexer com micróbios pode ser usada pela Nasa para construir naves que viajam ao sopro do Sol.

Bactéria assada

Em 1969, o americano Arthur Ashkin, dos Laboratórios Bell, inventa um método para prender um vírus, usando somente a radiação concentrada de um laser. Foi um sucesso. Mas na mesma experiência o físico acaba assando uma bactéria sem querer, e em seguida tenta controlar com rigor a pressão luminosa.

Pai da tecnologia

No final dos anos 80, graças ao talento de Ashkin, a tecnologia está quase dominada. Em 1987, dez anos depois de ter começado a quebrar a cabeça com o assunto, ele publica o primeiro trabalho prático sobre a construção de uma pinça óptica e torna-se o pai de todas as suas aplicações práticas atuais.

Átomo equilibrista

Hoje, é bem conhecida a técnica de fazer um átomo levitar, equilibrado na ponta de um feixe de laser – como se fosse uma bola de isopor dançando num jato de ar. E a Nasa testa velas espaciais que seriam infladas pela pressão do Sol. Seus técnicos dizem que elas poderiam manter satélites em órbita.

Oficina para consertar o invisível

Veja neste infográfico quatro utilidades bem práticas das novíssimas ferramentas a laser.

Equipado com o que existe de mais avançado no mundo em microscopia, o Laboratório de Pinças Ópticas, no Rio de Janeiro, pretende aprimorar bastante a nova tecnologia no Brasil. Esse trabalho de desenvolvimento deve ser feito por meio de experiências práticas, como soldar uma célula humana a outra ou esticar as moléculas dos músculos e assim obter medidas precisas da sua elasticidade e da sua resistência. Aqui você vai ver como os cientistras querem realizar alguns desses testes.

Maçarico biológico

Pode-se aumentar a resistência do organismo fundindo uma de suas células defensoras, do tipo dos linfócitos, com uma célula cancerosa. Esta prolifera rapidamente e amplia o arsenal dos guardiões.

Trombada de vírus

Eles batem nas células do sangue para invadi-las. Colados à esfera (presa ao laser), permitem achar o valor exato do seu impulso. Aí aprende-se a cobrir a célula com uma resina artificial e bloquear a invasão.

Um metrô na célula

Moléculas chamadas quinesinas carregam proteínas para cima e para baixo, no interior das células. A experiência acima ajuda a entender como funciona esse meio de transporte.

Músculos em ação

Eles contêm motores formados pelas moléculas de duas proteínas: a miosina e a actina. Veja como a nova tecnologia calcula a força de cada uma das miosinas microscópicas com o músculo em plena ação.