Essa é quente: temperaturas (absolutas) negativas
Uma temperatura abaixo do zero absoluto
Átomos a temperaturas absolutas negativas são os sistemas mais quentes do mundo
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  IMAGEM: Uma temperatura negativa quente: Em uma temperatura absoluta negativa, a distribuição de energia das partículas se inverte, em comparação com uma temperatura positiva.Clique aqui para mais informações (em inglês). |
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O que é corriqueiro para a maior parte das pessoas durante o inverno, até agora era impossível na física: uma temperatura negativa. Na escala Celsius, uma temperatura negativa só é surpreendente durante o verão. Na escala absoluta de temperaturas – também chamada de escala Kelvin – usada pelos físicos, não é possível ir abaixo do zero – pelo menos não no sentido de ficar mais frio do que zero Kelvin. Segundo o significado de temperatura para a física, a temperatura de um gás é determinada pelo movimento caótico de suas partículas – quanto mais frio um gás, mais lentas serão suas partículas. A zero kelvin (menos 273 graus Celsius) as partículas param de se mover e toda a desordem desaparece. Desta forma, nada pode ser mais frio do que o zero absoluto na escala Kelvin. Os físicos da Universidade Ludwig-Maximilians em Munique e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica criaram agora em laboratório um gás atômico que, não obstante, apresenta valores Kelvin negativos. Estas temperaturas absolutas negativas causam várias consequências aparentemente absurdas: embora os átomos se atraiam mutuamente e criem uma pressão negativa, o gás não entra em colapso – um comportamento igualmente postulado para a energia escura na cosmologia. Máquinas supostamente impossíveis, tais como um motor de combustão com uma eficiência termodinâmica maior que 100%, também podem ser imaginadas com a ajuda de temperaturas absolutas negativas.
Para levar água à fervura, é preciso adicionar energia. À medida em que a água se aquece, as moléculas de água têm sua energia cinética aumentada ao longo do tempo e se movem cada vez mais rápido em média. Ainda assim, cada molécula individual tem uma energia cinética diferente – desde muito lentas até muito rápidas. Os estados de baixa energia são mais prováveis do que os estados de alta energia, isto é, somente algumas partículas se movem muito rápido. Na física, esta distribuição [de estados] é chamada de distribuição de Boltzmann. Os físicos que trabalham com Ulrich Schneider e Immanuel Bloch agora obtiveram um gás no qual esta distribuição é precisamente invertida: muitas partículas têm altas energias e umas poucas têm baixas energias. Esta inversão da distribuição de energia se traduz como se as partículas tivessem assumido uma temperatura negativa.
“A distribuição de Boltzmann invertida é o marco da temperatura absoluta negativa e foi isso o que conseguimos”, diz Ulrich Schneider. “Entretando o gás não é mais frio do que zero kelvin, porém mais quente”, explica o físico: “É mais quente ainda do que quaisquer temperaturas positivas – a escala de temperaturas simplesmente não termina no infinito; ao invés disso, ela salta para valores negativos”.
Uma temperatura negativa só pode ser obtida com um limite superior para a energia
O significado de uma temperatura absoluta negativa pode ser melhor ilustrado com esferas rolantes em um terreno montanhoso, onde os vales representam uma baixa energia potencial e os topos uma alta energia. Quanto mais rápido as esferas se moverem, mais alta será sua energia cinética: se começarmos com uma temperatura positiva e aumentarmos a energia total das esferas, aquecendo-as, as esferas vão se espalhar, cada vez mais, pelas regiões de alta energia. Se fosse possível aquecer as esferas a uma temperatura infinita, haveria uma probabilidade igual de as encontrarmos em qualquer ponto do terreno, sem qualquer diferença da energia potencial. Se fosse possível adicionar ainda mais energia e aquecer as esferas ainda mais, elas tenderiam a ser reunir em estados de alta energia e ficariam ainda mais quentes do que em uma temperatura infinita. A distribuição de Boltzmann seria invertida e a temperatura, portanto, seria negativa. À primeira vista pode parecer estranho que uma temperatura absoluta negativa seja mais quente do que uma positiva. No entanto, isto é apenas uma consequência da definição histórica de temperatura absoluta; se houvesse uma definição diferente, a aparente contradição não existiria.
Esta inversão da população de estados de energia não é possível com a água ou qualquer outro sistema natural, uma vez que o sistema teria que absorver uma quantidade infinita de energia – O que é impossível! No entanto, se as partículas tivessem um limite superior para sua energia, tal como o topo dos montes em nosso terreno de energias potenciais, a situação seria completamente diferente. Os pesquisadores do grupo de pesquisa de Immanuel Bloch e Ulrich Schneider obtiveram um sistema assim, de um gás atômico com um limite superior de energia em seu laboratório, seguindo as propostas teóricas de Allard Mosk e Achim Rosch.
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Em sua experiência, os cientistas primeiro resfriaram cerca de cem mil átomos em uma câmara de vácuo até uma temperatura positiva de poucos bilionésimos de grau Kelvin e os capturaram em armadilhas ópticas feitas com raios laser. O vácuo ultra alto em torno dos átomos garantiu que os átomos ficassem perfeitamente isolados termicamente de seu ambiente. Os feixes de laser criaram uma, assim chamada, grade óptica, na qual os átomos ficam arrumados regularmente nas casas da grade. Nessa grade, os átomos ainda podem se mexer de uma casa para outra, através do efeito de túnel, mas, mesmo assim, sua energia cinética tem um limite superior e, portanto, fica estabelecido o limite superior de energia necessário. A temperatura, entretanto, é relacionada não apenas com a energia cinética, mas à energia total das partículas, o que, neste caso, inclui as energias interativa e potencial. O sistema dos pesquisadores de Munique e Garching também estabelece um limite a ambas. Os físicos então levam os átomos até esse limite superior de energia total – criando assim uma temperatura negativa, no entorno de uns poucos bilionésimos de grau kelvin.
Em uma temperatura negativa, uma máquina pode realizar mais trabalho
Se nossas esferas tivessem uma temperatura positiva e ficassem em um vale de energia potencial mínima, tal estado seria obviamente estável – essa é a natureza que conhecemos. Se as esferas estivessem posicionadas no topo de uma montanha na energia potencial máxima, usualmente elas rolariam para baixo, convertendo sua energia potencial em cinética. “Entretanto, se as esferas estiverem em uma temperatura negativa, sua energia cinética já será tão grande que não pode mais ser aumentada”, explica Simon Braun, um estudante de doutorado do grupo de pesquisas. “Assim, as esferas não podem rolar para baixo e permanecem no topo do morro. O limite de energia as tornou estáveis, portanto!” O estado de temperatura negativa na experiência é, em verdade, tão estável quanto um estado de temperatura positiva. “Desta forma nós criamos o primeiro estado de temperatura absoluta negativa para partículas móveis”, acrescenta Braun.
A matéria em uma temperatura absoluta negativa tem todo um leque de consequências espantosas: com ajuda dela, se pode criar motores térmicos, tais como motores de combustão, com uma eficiência maior que 100%. Isso, porém, não quer dizer que a lei de conservação de energia seja violada. Em lugar disso, o motor seria capaz de absorver energia não só do meio mais quente – e assim realizar trabalho – como, em contraste com o caso usual, poderia absorver também energia do meio mais frio.
Em temperaturas apenas positivas, o meio mais frio inevitavelmente se aquece, absorvendo assim uma parte da energia do meio quente e, desta forma, limitando a eficiência. Se o meio quente tiver uma temperatura negativa, é possível absorver energia de ambos os meios simultaneamente. O trabalho realizado pelo motor, então, será maior do que a energia inserida apenas no meio quente – e a efeiciência sera maior do que 100%.
A realização dos físicos de Munique pode ser também interessante para a cosmologia, uma vez que o comportamento termodinâmico da temperatura negativa exibe semelhanças com a assim chamada energia escura. Os cosmologistas postulam que a energia escura é uma força misteriosa que acelera a expansão do universo, embora o cosmos devesse se contrair por conta da energia da atração gravitacional de todas as massas. Ocorre um fenômeno similar na nuvem atômica do laboratório de Munique: a experiência se apoia no fato de que os átomos no gás não se repelem mutuamente, tal como em um gás ususal; ao contrário, eles se atraem. Isso significa que os átomos exercem uma pressão negativa, em lugar de uma pressão positiva. Como consequência, a nuvem de átomos quer se contrair e deveria entrar em colapso – exatamente como seria de se esperar do universo sob o efeito da gravidade. Porém, por causa da sua temperatura negativa, isso não acontece. O gás é poupado do colapso, tal como o universo.
Publicação original:
Simon Braun, J. Philipp Ronzheimer, Michael Schreiber, Sean S. Hodgman, Tim Rom, Immanuel Bloch, Ulrich Schneider Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom
Science, 4 January 2013
Uma nova forma de gerar corrente elétrica
Massachusetts
Institute of Technology
Pesquisador do MIT descobre uma nova maneira de produzir eletricidade
O fenômeno faz poderosas ondas de energia fluirem através de nano-tubos de carbono
CAMBRIDGE, Massachusets.— Uma equipe de cientistas do MIT descobriu um fenômeno, até então desconhecido, que pode fazer com que poderosas ondas de energia fluam através de minúsculos fios conhecidos como nano-tubos de carbono. Esta descoberta pode conduzir a uma nova maneira de produzir eletricidade, dizem os pesquisadores.
O fenômeno, descrito como ondas de termo-energia, “abre uma nova área de pesquisa sobre energia, o que é raro”, nas palavras de Michael Strano, Professor Associado Charles
and Hilda Roddey de Engenharia Química do MIT, autor senior de um artigo que descreve a nova decoberta em Nature Materials na edição de 7 de março. O autor principal é Wonjoon Choi, um estudante de pós-doutorado de engenharia mecânica.
Do mesmo jeito que um punhado de detritos flutuantes empurrados pelas ondas pela superfície do oceano, ocorre que uma onda térmica — um pulso de calor em movimento — ao viajar ao longo de um fio microscópico, pode levar consigo elétrons, criando uma corrente elétrica.
O ingerdiente chave na receita são os nano-tubos de carbono — tubos ocos sub-microscópicos feitos de uma grade semelhante a um alambrado, feita de átomos de carbono. Esses tubos, com apenas alguns nanômetros de diâmetro, fazem parte de uma nova família de moléculas de carbono que inclui as buckyballs¹ e as folhas de grafeno, que têm sido objeto de intensas pesquisas nas últimas duas décadas.
Nas novas experiências, cada um dos nano-tubos eletro e termo-condutores foi revestido com uma camada de um combustível altamente reativo que produz calor com sua decomposição. Esse combustível foi aceso em uma extremidade do nano-tubo, tanto com o uso de um feixe laser, como por uma centelha de alta voltagem, e o resultado foi a criação de uma onda térmica que se movia rapidamente ao longo do comprimento do nano-tubo de carbono, tal como uma chama correndo por um pavio. O calor do combustível vai para dentro do nano-tubo, onde viaja a milhares de vezes mais rápido do que o próprio combustível. Quando o calor realimenta o revestimento inflamável, cria-se uma onda térmica que é guiada ao longo do nano-tubo. Com uma temperatura da ordem de 3.000 kelvins, esse anel de calor acelera ao longo do tubo 10.000 vezes mais rápido do que a disseminação normal dessa reação química. E o calor produzido por essa combustão, descobriu-se, também empurra elétrons ao longo do tubo, criando uma corrente elétrica substancial.
As ondas de combustão — tais como este pulso de calor correndo ao longo de um fio —
“foram estudadas matematicamente por mais de 100 anos”, diz Strano, mas ele foi o primeiro a predizer que tais ondas poderiam ser guiadas por um nano-tubo ou nano-fio e que essa onda de calor poderia empurrar uma corrente elétrica ao longo desse fio.²
Nas primeiras experiências do grupo, relata Strano, quando eles ligaram os nano-tubos de carbono com o revestimento de combustível para estudar a reação, “lo and behold, ficamos realmente surpresos com o tamanho do pico de voltagem resultante” que se propagou ao longo do fio.
Após desenvolvimentos posteriores, o sistema gera energia, em proporção a seu peso, cerca de 100 vezes maior do que o peso equivalente de uma bateria de íons de lítio.
Segundo ele, a quantidade de energia gerada é muito maior do que a prevista pelos cálculos termo-elétricos. Embora muitos materiais semi-condutores possam produzir um potencial elétrico quando aquecidos, através de algo conhecido como Efeito Seebeck, este efeito é muito fraco no carbono.
“Algo [mais] está acontecendo aqui”, argumenta ele. “Nós chamamos isso de acoplamento de elétrons, uma vez que parte da corrente parece em fase com a velocidade de onda”.
Ele explica que a onda térmica parece estar acoplando os portadores de carga elétrica (tanto elétrons como os buracos-de-elétrons) da mesma forma que uma onda no oceano pode pegar e carrregar uma pilha de detritos ao longo da superfície. Segundo Strano, esta propriedade importante é a responsável pela alta potência produzida pelo sistema.
Segundo ele, já que se trata de uma descoberta tão recente, é difícil predizer quando terá aplicações práticas. Mas ele sugere que uma possível aplicação seria permitir novos tipos de dispositivos eletrônicos ultra-pequenos — por exemplo, um dispositivo do tamanho de um grão de arroz, talvez um sensor ou dispositivo de tratameno que pudesse ser injetado no corpo. Ou poderia levar a “sensores ambientais que pderiam ser espalhados como poeira pelo ar”, nas palavras dele.
Ele afirma ainda que, em teoria, tais dispositivos poderiam manter sua energia indefinidamente até serem empregados, diferentemente das baterias cujas cargas escapam gradualmente, mesmo quando estão armazenadas. E, embora os nano-fios ainda sejam pequeninos, Strano sugere que eles poderiam ser fabricados em dispositivos maiores, a fim de fornecer significativas quantidades de energia para dispositivos maiores.
Uma área que os pesquisadores planejam perseguir é o fato de que sua teoria prediz que usando-se diferentes tipos de material reagente para o revestimento, a frente de onda poderia oscilar, poroduzindo assim uma corrente alternada. Isso abriria uma série de possibilidades, segundo Strano, porque a corrente alternada é a base para ondas de rádio tais como a de transmissões de telefones celulares, no entanto todos os atuais sistemas de armazenamento de energia produzem corrente contínua. “Nossa teoria predisse essas oscilações antes de começarmos a observá-las em nossos dados”, completa ele.
Igualmente, as presentes versões do sistema têm uma eficiência muito baixa, porque muito da energia se perde na forma de luz e calor. A equipe planeja trabalhar no aumento dessa eficiência.
Financiamento: Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e Fundação Nacional de Ciências
Original em inglês escrito por David Chandler, MIT News Office
[1] Eu preferi o termo buckyball em inglês, para este tipo de fulereno porque “futeboleno” é a vovozinha!…
[2] Nada de falsa modéstia!
Ciscando pelo EurekAlert
Alguns press-releases que chamaram minha atenção entre os vários publicados no EurekAlert, hoje:
Martin Spalding, catedrático do Departamento de Genética, Desenvolvimento e Biologia Celular identificou, pela primeira vez, a proteína encarregada de acumular o CO2 em micro-algas: a HLA3.
As crescentes concentrações de CO2 na atmosfera são encaradas como uma fonte de preocupação por causa do efeito estufa. No entanto, as plantas precisam e muito do CO2 para realizar a fotossíntese e transformá-lo em açúcares que formam seus tecidos.
Porém, nem todas as plantas são dotadas dessa enzima acumuladora de CO2 A idéia de Spalding é, por meio de engenharia genética, dotar plantas de cultivo, por exemplo o arroz, dessa enzima para acelerar seu crescimento.
O press-release nem menciona isso, mas eu logo me lembrei que isso talvez possa ser usado como um meio auxiliar para aumentar o sequestro do CO2 atmosférico.
MIT: A maneira como se sente o mundo influencia como o vemos (aqui e aqui)
Ilusões motoras revelam novas abordagens sobre a percepção
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No caso da clássica ilusão da queda d’água, se nos fixarmos no movimento para baixo das águas que caem por algum tempo, objetos estacionários, tais como pedras, parecerão estar subindo. Os neuro-cientistas do MIT descobriram que este fenômeno, chamado de efeito residual do movimento (motion
aftereffect), ocorre não só com a percepção visual, mas também com a percepção tátil, e que esses sentidos se influenciam entre si. Dito de outra forma, a maneira como se sente o mundo pode até modificar a maneira como o vemos — e vice versa.
Em um artigo publicado na edição online de 9 de abril de Current Biology, pesquisadores relatam que pessoas expostas a um movimento visual em uma dada direção, percebiam um movimento tátil na direção oposta. Ao contrário, o movimento tátil em uma direção provocava a ilusão de movimento visual na direção oposta.
O principal autor do artigo, Christopher Moore do Instituto McGovern para Pesquisas do Cérebro no MIT, explica: “Nossa descoberta sugere que o processamento sensorial de movimento visual e tátil se valem de circuitos neurais que se superpõem. A aparência ou a sensação tátil causada por alguma coisa pode ser influenciada por um estímulo na outra modalidade sensorial”.
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A experiência colocuo voluntários observando um movimento visual em uma tela de computador, enquanto colocavam o dedo indicador em um estimulador tátil logo atrás da tela. Esse estimulador consistia de um dispositivo com 1 cm² com 60 pinos para dirigir vibrações precisamente controladas para as pontas dos dedos. Esse estimulador é único no mundo e foi desenvolvido por Qi Wang do Instituto de Tecnologia da Georgia e por Vincent Hayward da Universidade Pierre et Marie Curie na França.
Para testar o efeito do movimento visual na sensação tátil das pessoas, o monitor exibia um padrão de faixas horizontais que se moviam para cima ou para baixo durante dez segundos. Depois que o padrão visual desaparecia, uma única linha horizontal de pinos fazia vibrar a ponta dos dedos da pessoa. Embora os pinos enviassem um pulso estático de vibração, todos os oito voluntários perceberam a faixa horizontal de pinos como estando em movimento para cima ou para baixo, sempre na direção oposta do movimento do padrão visual precedente.
E, para testar o efeito do movimento tátil sobre a percepção visual, fileiras adjacentes de pinos eram vibradas em rápida sucessão, criando a sensação de um objeto tátil que se movia para cima ou para baixo pelas pontas dos dedos das pessoas. Após um estímulo de 10 segundos, o monitor exibia um padrão estático de faixas horizontais. Contrariamente à suposição prevalescente de que a visão sempre triunfa sobre o tato, as pessoas percebiam as faixas como se movendo na direção oposta do estímulo tátil anterior.
[Clique aqui para ver uma demonstração do estímulo de movimento usado nesse estudo]
Até agora se pensava que os efeitos residuais refletiam a fadiga dos circuitos cerebrais, mas se chegou à conslusão de que os neurônios processam continuamente as informações sobre movimentos e são capazes de recalibrar o cérebro para modificações no ambiente sensorial. Os recentes estudos descobriram que a região do cortex visual conhecida como MT ou V5, há tempos associada à percepção de movimentos, pode ser igualmente responsável pelo processamento da percepção tátil do movimento. A equipe de Moore pretende explorar essa região do cérebro para estabelecer o quanto ela pode contribuir para esses efeitos residuais sinestésicos.
Matéria escura
O Telescópio Hubble apresenta novos indícios da existência de matéria escura em torno de pequenas galáxias
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 IMAGEM: Essas quatro galáxias anãs fazem parte do recenseamento feito no tumultuoso núcleo do Aglomerado Galático de Perseu. |
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Bisbilhotando no tumultuoso coração do vizinho aglomerado de galáxias em Perseu, o Hubble descobriu uma grande população de pequenas galáxias que permaneceram intactas, enquanto galáxias maiores em volta delas foram rompidas pela atração gravitacional das outras galáxias.
As imagens do Hubble fornecem mais indícios de que as galáxias não perturbadas são envoltas por um “colchão” de matéria escura que as protege da vizinhança turbulenta.
A matéria escura é uma forma invisível de matéria que responde pela maior parte da massa do universo. Os astrônomos deduziram a existência da matéria escura através da observação da sua influência gravitacional sobre a matéria comum, tal como as estrelas, gás e poeira.
“Ficamos surpresos em encontrar tantas galáxias anãs no núcleo desse aglomerado que eram tão lisas e redondas, e que não tinham quaisquer indícios de qualquer tipo de perturbação”, declara o astrônomo Christopher Conselice da Universidade de Nottingham, Reino Unido, e líder da equipe que realizou as observações com o Hubble. “Essas anãs são galáxias muito velhas, que estão no aglomerado há muito tempo. Portanto, se alguma coisa tivesse que causar disruptura nelas, isso já teria acontecido. Elas devem ser galáxias muito dominadas — muito mesmo — por matéria escura”.
As galáxias anãs podem ter uma quantidade ainda maior de matéria escura do que as galáxias espirais. “Com esses resultados, não podemos dizer se o conteúdo de matéria escura das anãs é maior do que o da Via Láctea”, diz Conselice. “Entretanto, o fato de que as galáxias espirais são destruídas nos aglomerados, enquanto que as anãs não são, sugere que é esse mesmo o caso”.
Proposta inicialmente a cerca de 80 anos atrás pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky, a matéria escura é considerada a cola que mantém as galáxias íntegras. Os astrônomos sugerem que a matéria escura seja o elemento estrutural báscio para o universo, formando o esqueleto para a formação das galáxias através da atração gravitacional.
As observações feitas pela Câmera Avançada para Pesquisas do Hubble, localizaram 29 galáxias elípticas anãs no Aglomerado de Perseu, localiado a 250 milhões de anos-luz da Terra e um dos aglomerados galáticos mais próximos. Dessas galáxias, 17 são descobertas novas.
Uma vez que a matéria escura não pode ser vista, os astrônomos detectam sua presença através de indícios indiretos. O método mais comum é medir as velocidades de estrelas insividuais ou grupos de estrelas, enquanto eles se movem aleatoriamente dentro da galáxia, ou enquanto eles giram em torno da galáxia. O Aglomerado de Perseu é muito distante para que os telescópios distinguam estrelas individuais e meça seus movimentos. Assim, Conselice e sua equipe criaram uma nova técnica para descobrir a matéria escura nessas galáxias anãs, através do cálculo do mínimo necessário de massa adicional, oriundo de matéria escura, que as galáxias anãs tinham que ter para serem protegidas da disrupção pelas fortes forças de maré das galáxias maiores.
O estudo detalhado dessas pequenas galáxias só foi possível por causa da precisão da Câmera Avançada para Pesquisas do Hubble. Conselice e sua equipe primeiro observaram as galáxias com o telescópio WIYN no Observatório Nacional em Kitt Peak. Essas observações, segundo Conselice, apenas deram indícios de que várias das galáxias eram lisas e, portanto, dominadas por matéria escura. “Essas observações com base em terra não conseguiam distinguir as galáxias, de forma que precisamos do Hubble para resolver o caso”.
Os resultados do Hubble foram publicados na edição de 1 de março de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Baterias mais eficientes (será verdade?) 2
Massachusetts Institute of Technology
Material para baterias do MIT pode levar a um recarregamento mais rápido de vários dispositivos
“Rodoanel” para energia elétrica soluciona um problema que já durava muito
CAMBRIDGE, Massachussets. — Engenheiros do MIT criaram uma espécie de “rodoanel” que permite o rápido trânsito de energia elétrica através de uma material para baterias bem conhecido, um avanço que pode ajudar no desenvolvimento de baterias menores e mais leves — para telefones celulares e outros dispositivos — que podem ser recarregadas em segundos, em lugar de horas.
Isso também pode permitir a rápida recarga de baterias de carros elétricos, muito embora essa aplicação em particular seja limitada pela quantidade de energia disponível para cada usuário da rede elétrica.
O trabalho, liderado por Gerbrand Ceder, o professor Richard P. Simmons de Ciências e Engenharia de Materiais, é relatado na edição de 12 de março da Nature. Uma vez que o material envolvido não é novo — os pesquisadores simplesmente mudaram a maneira de fabricá-lo — Ceder acredita que o trabalho possa estar no comércio dentro de dois ou três anos.
As baterias recarregáveis de lítio do “estado-da-arte” têm densidades de energia muito altas — elas são boas para armazenar grandes quantidades de carga. Em compensação elas têm taxas de [transferência de] energia muito lentas — elas são umas lesmas para acumular e descarregar essa energia. Consideremos as atuais baterias para carros elétricos: “Elas têm um monte de energia, de forma que se pode dirigir a 80 km/h por um longo período, mas a energia é baixa. Não se pode acelerar rapidamente”, explica Ceder.
Por que as taxas de transferência tão lentas? Tradicionalmente, os cientistas pensavam que os íons de lítio que, junto com os elétrons, são os responsáveis por levar a carga através da bateria, simplesmente se movessem muito lentamente através do material.
Há cerca de cinco anos, entretanto, Ceder e seus colegas fez uma descoberta surpreendente. Cálculos feitos por computadores de um material para baterias bem conhecido, fosfato férrico de lítio, prdiziam que os íons de lítio do material deveriam estar se movendo de maneira extremamente veloz.
“Se o transporte dos íons de lítio era tão veloz, algo diferente deveria ser o problema”, prossegue Ceder.
Cálculos posteriores mostraram que os íons de lítio podem, realmente, se mover muito rápido pelo material, mas somente através de túneis acessíveis a partir da superfície. Se um íons de lítio na superfície estiver diretamente na frente da entrada de um túnel, não há problema: ele continua eficientemente pelo túnel adentro. Mas se o íon não estiver diretamente na frente, ele é impedido de alcançar a entrada do túnel, porque ele não consegue se mover para acessar essa entrada.
Ceder e Byoungwoo Kang, um estudante de pós-graduação em ciências e engenharia dos materiais, criaram uma maneira de driblar o problema, criando uma nova estrutura para a superfície que permite que os íons de lítio se movam rapidamente pelo entorno do material, de forma muito parecida com um rodoanel que circunda uma cidade. Quando um íon que viaja por esse rodoanel, chega a um túnel, ele é instantaneamente desviado para o túnel. Kang é um co-autor do artigo da Nature.
Empregando sua nova técnica de processamento, os dois foram em frente para fazer uma pequena bateria que pode ser totalmente carregada ou descarregada em 10 a 20 segundos (leva seis minutos para carregar ou descarregar totalmente uma célula feita de material não processado).
Ceder observa que testes suplementares mostraram que, diferentemente de outros materiais para baterias, o novo material não se degrada muito quando repetidamente carregado e recarregado. Isso pode levar a baterias menores e mais leves, porque menos material é necessário para obter os mesmos resultados.
“A capacidade para carregar e descarregar baterias em questão de segundos, em lugar de horas, pode abrir novas aplicações tecnológicas e induzir novas mudanças no estilo de vida”, concluem Ceder e Kang em seu artigo na Nature.
Baterias mais eficientes (será verdade?)
Físico da Universidade e Miami desenvolve uma bateria que usa uma nova fonte de energia
Sua descoberta é uma “prova de conceito” da existência de uma “bateria de spin”
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IMAGEM: No alto, uma representação gráfica da estrutura geral do dispositivo. O diâmetro é aproximadamente o mesmo de um fio de cabelo humano. Abaixo, uma imagem ampliada da parte central. |
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CORAL GABLES, Flórida. (1 de março de 2009) — Pesquisadores da Universidade de Miami e das Universidades de Tóquio e Tohoku, Japão, conseguiram provar a existência de uma “bateria de spin”, uma bateria que é carregada mediante a aplicação de um grande campo magnético a nano-magnetos em um dispositivo chamado de junção de túnel magnético (magnetic tunnel junction = MTJ). A nova tecnologia é um passo no sentido da criação de discos rígidos de computadores sem partes móveis, que seriam muito mais rápidos, mais baratos e com menor consumo de energia do que os atuais. No futuro, a nova bateria pode ser desenvolvida para energizar automóveis. O estudo será publicado em uma futura edição da Nature e está disponível em uma edição prévia online.
O dispositivo criado pelo físico da Universidade de Miami Stewart E. Barnes, do Colégio de Artes e Ciências, e seus colaboradores, pode armazenar energia em magnetos, em lugar de reações químicas. Tal como dar corda em um carrinho de brinquedo, se “dá corda” na bateria de spin mediante a aplicação de um grande campo magnético — nenhuma reação química envolvida. O dispositivo, alega Barnes, é potencialmente melhor do que qualquer coisa conhecida até então.
“Nós tínhamos antecipado o efeito, porém o dispositivo produziu uma voltagem mais de cem vezes maior e por dezenas de minutos, em lugar dos milissegundos que esperávamos”, explicou Barnes. “O fato de isso ser contra-intuitivo é o que levou a nossa compreensão teórica do que estava acontecendo”.
O segredo por trás dessa tecnologia é o emprego de nano-magnetos para induzir uma força eletromotriz. Ela usa o mesmo princípio de uma bateria convencional, exceto por ser de maneira mais direta. A energia armazenada em uma bateria, seja em um iPod ou em um automóvel elétrico, fica na forma de energia química. Quando algo é ligado, ocorre uma reação química que produz energia elétrica. A nova tecnologia converte a energia magnética diretamente em energia elétrica, sem uma reação química. A corrente elétrica produzida neste processo é chamada de corrente de spin polarizado e é empregada em uma nova tecnologia chamada de spintrônica.
A nova descoberta melhora nossa compreensão sobre como funcionam os magnetos e sua aplicação mais imediata é empregar as MTJs como elementos eletrônicos que trabalham de maneira diferente dos transistores tradicionais. Embora o dispositivo verdadeiro tenha o diâmetro de um fio de cabelo humano e não consiga sequer alimentar um LED, a energia que pode ser armazenada desta forma pode, potencialmente, alimentar um automóvel por muitos quilômetros. Segundo Barnes, as possibilidades são ilimitadas.
“Existem magnetos escondidos em várias coisas; por exemplo, existem vários deles em um telefone celular, vários em um automóvel e são eles que mantém seu refrigerador fechado”, Barnes prossegue. “Eles são tantos que mesmo uma pequena mudança na maneira que compreendemos como eles funcionam e que possa levar a um melhoramento muito pequeno em máquinas futuras, têm um impacto em termos energéticos e financeiros significativo”.
O artigo está disponível em: http://www.nature.com/nature/index.html, em “Advance Online Publication”.
