Monopolos magnéticos!… (Opa!… Não é bem assim…)
Pois é… Fazendo um trocadilho, as notícias sobre os monopolos magnéticos foram grandemente exageradas…
Ethan Siegel publicou hoje um post: Magnetic Monopoles? Oh, dear. – esculachando o press-release que eu (todo bobo…) traduzi. A argumentação é bem simples: dois polos em uma mesma coisa – não importa o quão separados estejam – continuam sendo dois polos. E a “coisa” em questão é a bendita “Corda de Dirac”. Ele transcreve o resumo do artigo da Science, grifando a parte importante (que o redator do press-release parece que não leu):
Embora as fontes de campos magnéticos – monopolos magnéticos – tenham, até agora, se mostrado elusivos em tanto quanto partículas elementares, recentemente foram propostos vários cenários na área da física de matéria condensada com quase-partículas emergentes que se assemelham a monopolos.
Ainda citando o post de Siegel:
O que eles fizeram foi criar “cordas” magnéticas, ou magnetos muito longos e finos em uma estrutura, onde os polos Norte e Sul ficam separados por grandes distâncias. Se olharmos apenas uma extremidade da corda, só veremos um polo. Mas o outro polo continua lá, portanto não se trata de um monopolo. Se tentássemos partir a corda, ainda não conseguiríamos isolar uma das cargas magnéticas. A coisa funciona assim:
É claro que Siegel dá o devido valor ao trabalho dos cientistas alemães que realizaram as pesquisas, mas enfatiza que nem eles próprios disseram ter isolado (ou observado) um verdadeiro monopolo magnético.
E o site da Science publicou hoje a seguinte notícia: Físicos criam monopolo magnético – quase isso. Na notícia divulgada pela Science, fica bem claro que “monopolo magnético” é uma “licença poética”, tal como aquela da “divisão dos elétrons”. O que me parece que está acontecendo é que físicos de matéria condensada usam o termo “partícula” com uma certa liberalidade.
Não é, então, de estranhar que surjam confusões entre os meros mortais que não estão habituados ao jargão dos pesquisadores.
Enfim, monopolos magnéticos!
Pela primeira vez monopolos magnéticos são detectados em um magneto real
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Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und
Energie conseguiram, em cooperação com colegas de Dresden, St. Andrews,
La Plata e Oxford, observar pela primeira vez monopolos magnéticos e a maneira pela qual eles emergem em um material real. Eles publicam esse resultado em Science dentro do website Science Express em 3 de setembro.
Monopolos magnéticos são partículas hipotéticas propostas pelos físicos que têm um único polo magnético – um polo Sul, ou um polo Norte. No mundo material isso seria realmente surpreendente porque as partículas magnéticas são normalmente observadas como dipolos – os polos Norte e Sul combinados. No entanto, existem diversas teorias que predizem a existência de monopolos. Entre outros, em 1931 o físico Paul Dirac foi levado por seus cálculos à conclusão de que monopolos magnéticos poderiam existir nas extremidades de tubos – chamados de Cordas de Dirac – que conduzem um campo magnético. Até agora, nenhum monopolo tinha sido detectado.
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Jonathan Morris, Alan Tennant e colegas
(HZB) realizaram uma experiêrncia de espalhamento de nêutrons no reator de pesquisas de Berlin. O material sob investigação era um único cristal de Titanato de Disprósio. Este material se cristaliza em uma geometria notável, a assim chamada estrutura-piroclórica (pyrochlore-lattice). Com o auxílio do espalhamento de nêutrons, Morris e Tennant mostram que os momentos magnéticos dentro do material se reorganizaram no assim chamado “Espaguete-de-Spins” (“Spin-Spaghetti”). Esse nome vem do ordenamento dos próprios dipolos, de forma tal que surge uma rede de tubos contorcidos (cordas), através dos quais passa o fluxo magnético. Estes podem ser tornados visíveis através de sua interação com os nêutrons que têm, eles mesmos, um momento magnético. Dessa forma, os nêutrons se espalham de uma forma que reproduz os momentos das cordas.
Durante as medições do espalhamento dos nêutrons, os pesquisadores aplicaram um campo magnético ao cristal. Com este campo eles podiam influenciar a siemetria e a orientação das cordas. Dessa forma foi possível reduzir a densidade das redes de cordas e promover a dissociação do monopolo. Como resultado, em temperaturas de 0,6 a 2 Kelvin, as cordas ficam visíveis e têm monopolos magnéticos em suas extremidades.
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A assinatura de um gás feito desses monopolos foi igualmente observada, através do calor específico medido por Bastian
Klemke (HZB), fornecendo mais uma confirmação da existência dos monopolos e demonstrando que estes interagem da mesma forma que as cargas elétricas.
No presente trabalho, os pesquisadores atestam, pela primeira vez, a existência de monopolos como estados emergentes da matéria – isto é, que eles emergem de arranjos especias de dipolos e que são completamente diferentes dos constituentes do material.
Em paralelo com este conhecimento fundamental, Jonathan Morris explica que existem implicações adicionais nos resultados:
— Estamos relatando sobre novas e fundamentais propriedades da matéria. Essas propriedades são genericamente válidas para materiais com a mesma topologia, ou seja: para momentos magnéticos na estrutura piroclórica. Isto pode ter grandes repercussões para o desenvolvimento de novas tecnologias. Mas, acima de tudo, é a primeira vez que se observa a fracionalização em três dimensões.
Artigo em Science Express 3 de setembro de 2009:
Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice Dy2Ti2O7
D.J.P. Morris, D.A. Tennant, S.A. Grigera, B. Klemke, C.
Castelnovo, R. Moessner, C. Czter-nasty, M. Meissner, K.C. Rule, J.-U.
Hoffmann, K. Kiefer, S. Gerischer, D. Slobinsky e R.S. Perry
Volta a controvérsia sobre o ciclo de nitrogênio
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Após mais de uma década de pesquisas, uma equipe de cientistas, liderada pela Universidade de Princeton, virou a mesa quanto a uma questão controversa sobre como se processa a mistura do nitrogênio nos oceanos.
Ao longo de décadas, os cientistas pensavam dominar o funcionamento de um intrincado mecanismo da natureza, conhecido como o ciclo de nitrogênio, essencial à vida na Terra. Esse processo, uma das prestigitações mais elegantes da natureza, transporta o nitrogênio dos solos para os oceanos, destes para a atmosfera e, daí, para o solo novamente.
Os pesquisadores antigamente pensavam que uma parte vital desse ciclo era um processo conhecido como desnitrificação. Em condições ambientes de baixo teor de oxigênio – anaeróbicas – encontradas em grandes faixas de sedimentos oceânicos e umas poucas regiões importantes do alto oceano, as bactérias agem como desnitrificadores, realizando a tarefa crucial de digerir nitratos e convertê-los em nitrogênio gasoso que completa o ciclo ao evaporar para a atmosfera.
Em 1995, um grupo de cientistas holandese que estudava o ciclo de nitrogênio em instalações de tratamento de águas servidas, apareceu com uma conclusão surpreendente. Um novo processo, que eles chamaram de oxidação anaeróbica da amônia [obrigado, Luiz Bento!] ou “anammox” e que envolvia diferentes bactérias, seria o principal agente na remoção do nitrogênio em ambientes pobres em oxigênio. Eles descobriram que esse processo funcionava na decomposição dos materiais nas águas servidas e confirmaram que esse mesmo mecanismo também funcionava nos ambientes marinhos pobres em oxigênio. Chegaram mesmo a sugerir que a parte oceânica do ciclo do nitrogênio precisava ser revista, uma vez que a desnitrificação – de acordo com as pesquisas deles – não desempenhava um papel tão importante como se pensava.
A ideia era controversa e alguns cientistas não a aceitaram pelo valor de face.
Agora, uma equipe de pesquisas, liderada por Bess Ward, a Professora William J. Sinclair de Geociências na Universidade de Princeton, em um artigo a ser publicado na edição de 3 de setembro da Nature, apresenta novos dados que podem voltar a reestabelecer a desnitrificação como o principal agente para a devolução do nitrogênio aos ares. Após viajar por alguns dos locais chave de baixo teor de oxigênio dos oceanos do mundo, a equipe encontrou as “pegadas” com as “assinaturas químicas” que comprovam que é a desnitrificação, e não a
anammox, o processo central em funcionamento na maior parte do tempo.
Ward que também é catedrática no Departamento de Geociências em Princeton, disse:
— Em nosso artigo, relatamos que no maior ecossistema anóxico [sic. O termo usado no original é “anoxic” – deveria ser “anaeróbico”. Mais uma vez obrigado, Luiz Bento!] marinho do mundo – as águas pobres em oxigênio do Mar da Arábia – o processo dominante é a desnitrificação, não a anammox. Se a desnitrificação é importante no Mar da Arábia, então ela é importante em escala global e o ciclo do nitrogênio deve ser avaliado dessa pesrpectiva.
De acordo com um dos maiores experts em ciclo de nitrogênio marinho, o trabalho atual confirma suas próprias observações dos processos da água do mar, que mostram que a chave está na desnitrificação e que a atual corrente dominante na ciência pode estar se baseando em uma impressão falsa.
“Minhas suspeitas de que trabalhos futuros demonstrassem, novamente, a importância da desnitrificação convencional, foi confirmada”, disse Louis A. Codispoti, oceanógrafo e professor pesquisador no Laboratório de
Horn Point, que faz parte da Universiade de Maryland em Cambridge, que não participou da pesquisa.
Os pesquisadores que descobriram o processo anammox, há quase 15 anos, liderados por Gifjs
Kuenen, então na Universidade de Tecnologia Delft na Holanda, foram além de sua descoberta inicial nas instalações de tratamento de águas servidas e descobriram que a reação também estava em funcionamento em algumas regiões dos oceanos, conhecidas como “zonas de oxigênio mínimo”. Se focalizando inteiramente em uma zona de baixo teor de oxigênio ao largo da costa do Peru, o trabalho de cientistas da Holanda, Dinamarca e Alemanha descobriu que lá, em lugar da desnitrificação, estava em funcionamento a anammox.
“Foi estarrecedor”, recorda Ward.
Com a ideia de que poderia haver um problema com a metodologia, ou que os cientistas não entendessem o ciclo de nitrogênio tão bem quanto pensavam, ela começou a projetar experiências para buscar respostas.
Em conjunto com outros membros de sua equipe, através de toda a década seguinte, aprenderam os processos usados pelos cientistas europeus e começaram a planejar duplicar seus estudos. Em 2005, eles confirmaram que as bactérias que realizam a reação anammox
dominavam a remoção de nitrogênio em uma região pobre em oxigênio ao largo da costa do Peru. Poré, quando coletaram amostras das águas do Mar da Arábia, eles encontraram o exatamente oposto – aqui, a principal força era a desnitrificação. Os pesquisadores europeus encontraram anammox no sistema peruano, mas nunca tinham ido ao Mar da Arábia.
A idéia de que os processos microbianos podem diferir de uma zona pobre em oxigênio da outra pelo mundo, é desconcertante e um conhecimento importante, afirmam os pesquisadores.
Jeremy Rich, um antigo associado pós-doutorado no laboratório de Ward e atualmente professor assistende de Estudos Ambientais na Universidade Brown, que contribuiu com o estudo, disse:
– Isso importa porque o nitrogênio é um nutriente chave e limitante para a produtividade primária. Nós já sabíamos que essas zonas removiam niotrogênio, mas agora que sabemos quais são os verdadeiros processos que acontecem, ficaremos em uma posição muito melhor para predizer como essas zonas se modificarão. E as modificações que ocorrerem, por sua vez, influenciarão a produtividade primária.
As descobertas forçaram os cientistas a reavaliarem o que já pensavam saber. Segundo Ward:
— Isso nos fez pensar: isso significa que o Mar da Arábia é, de alguma forma, diferente do sistema do Peru. Antes, nós pesávamos que eles eram iguais. Claramente algo é diferente e, isso por si só, é um conhecimento importante. E, claramente, a desnitrificação é importante – não dá para reescrever o ciclo do nitrogênio.
Uma vez que o Mar da Arábia é o maior ecossistema marinho anóxico do mundo, o processo dominante nesse corpo certamente deve ser o método principal para a remoção de nitrogênio nos oceanos do mundo. Para confirmar as conclusões, a equipe projetou uma nova maneira de coletar amostras e identificar as substâncias químicas, e repetiu as experiências. Os resultados foram os mesmos.
O ciclo do nitrogênio é um dos mais importantes ciclos de nutrientes da natureza, um processo de transformação no qual o nitrogênio é tirado da atmosfera e convertido em algo que pode ser utilizado pelas plantas. O nitrogênio contitui cerca de 80% da atmosfera terrestre e é usado pelos organismos vivos para produzir várias moléculas orgâncias complexas, inclusive DNA.
É necessário o processamento ou a fixação para converter o nitrogênio gasoso em formas utilizáveis pelos organismos vivos. A maior parte é realizada por bactérias que possuem a enzima nitrogenase que combina o nitrogênio gasoso com hidrogênio para produzir amônia que é, então, convertida pelas bactérias para criarem seus próprios compostos orgânicos.
Em condições pobres em oxigênio, a desnitrificação por bactérias ocorre quando os nitratos são convertidos [em nitrogênio gasoso e — mais uma vez, sic. E novamente obrigado, Luiz Bento!] gases nitrogenados, tais como óxido nitroso, e devolvidos à atmosfera. No processo anammox, os nitratos são reduzidos a nitritos que se combinam com a amônia, antes de voltar à atmosfera.
Além de Ward e Rich, assinam o artigo: Silvia
Bulow e Amal Jayakumar, do Departamento de Geociências de Princeton; Allan Devol e Bonnie Chang, da Universidade de Washington; e Hema Naik e Anil Pratihary, do Instituto Nacional de Oceanografia da Índia.
As espumas de bolhas e você
Um novo estudo sobre bolhas e espumas da Universidade de Bath
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Um pesquisador da Universidade de Bath descobriu um novo método para solucionar um velho problema de geometria: a modelagem de formas geométricas para obter os formatos de maior eficiência para aproveitar um espaço.
A descoberta está causando ondas não só no mundo da matemática, como também pode levar a avanços na medicina quanto à criação de novas próteses de quadril e outras próteses para pacientes com câncer ósseo.
O “Problema de Kelvin”, colocado por Lord Kelvin em 1887, é encontrar a maneira mais eficiente de dividir o espaço em células de volume igual com a menor área de superfície entre elas.
A solução de Kelvin para o problema foi um favo de octaedros truncados – formas com seis faces quadradas e oito faces hexagonais.
Os físicos Weaire e Phelan do Trinity
College Dublin encontraram uma solução melhor com uma estrutura de favos que inspirou a arquitetura revolucionária do “Cubo d’água” que fez sensação na Olimpíada de Pequim em 2008.
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A estrutura de Weaire-Phelan é composta de duas formas diferentes: um dodecaedro (um poliedro com 12 faces) pentagonal irregular e outro poliedro com 14 faces.
Enquanto estudava as estruturas em forma de favos para próteses ósseas para seu PhD em Engenharia Mecânica na Universidade de Bath, Ruggero Gabbrielli
engendrou uma maneira diferente de modelar matematicamente espumas. A estrutura proposta por ele é composta de quatro formatos diferentes que se encaixam entre si.
Embora esses novos formatos não sejam superiores à estrutura
Weaire-Phelan em termos de eficiência de compactação, os processos que ele usou contituem uma maneira inteiramente nova de abordar o problema e podem levar até mesmo à descoberta de uma solução melhor para o Problema de Kelvin.
Ruggero, que completou seu PhD e continua sua pesquisa na Universidade de Swansea, explica:
— Eu espero que o processo leve a uma solução ainda melhor do Problema de Kelvin, ou então a uma prova de que a estrutura
Weaire-Phelan é a melhor solução.
— O processo emprega uma equação diferencial parcial, bem conhecida na formação de padrões bi-dimensionais.
A novidade está em que eu a usei no problema da modelagem de espumas em três dimensões.
E as estruturas criadas por ele também são bem mais próximas daquelas criadas pela natureza. Sua estrutura e seu processo, publicados em Philosophical Magazine Letters, já chamaram a atenção de matemáticos, químicos e físicos pelo mundo inteiro.
Como diz Ruggero:
— Não se trata apenas de uma espuma de bolhas. Padrões tri-dimensionais aparecem espontaneamente em várias obras da natureza.