Um novo tipo de microscópio: Microscópio de Nêutrons
Massachusetts Institute of Technology
Novo tipo de microscópio usa nêutrons
Dispositivo pode abrir novas áreas de pesquisa de materiais e de amostras biológicas em pequeníssimas escalas
|
|
|
O pequeno protótipo de microscópio de nêutrons da equipe, pronto para os testes iniciais no Laboratório do Reator Nuclear do MIT. Os espelhos do microscópio ficam dentro da pequena caixa de metal, acima e à direita. FOTO CORTESIA DOS PESQUISADORES (CLIQUE PARA AMPLIAR) |
Pesquisadores do MIT, em conjunto com seus parceiros da NASA, desenvolveram um novo conceito para um microscópio que usará nêutrons — partículas subatômicas sem carga elétrica — em lugar de feixes de luz ou de elétrons, para criar imagens de alta resolução.
Entre outras características, os instrumentos com base em nêutrons têm a capacidade de sondar o interior de objetos metálicos — tais como células combustíveis, baterias e motores, mesmo com estes em funcionamento — para aprender detalhes de sua estrutura interna. Os instrumentos de nêutrons também são peculiarmente sensíveis às propriedades magnéticas e aos elementos mais leves que são importantes em materiais biológicos.
O novo conceito foi delineado em uma série de artigos de pesquisas, neste ano, inclusive um publicado nesta semana em Nature Communications por Dazhi Liu, pesquisador pós-doutorado do MIT, Boris Khaykovich, cientista pesquisador, professor David Moncton e quatro outros.
Moncton, um professor adjunto de física de diretor do Laboratório do Reator Nuclear do MIT, diz que foi Khaykovich quem propôs em primeiro lugar a ideia de adaptar um conceito já com 60 anos de focalizar raios-X com o uso de espelhos, para o desafio de construir um microscópio de nêutrons de alto desempenho. Até agora, a maioria dos instrumentos de nêutrons eram semelhantes a uma câmera pinhole: sistemas grosseiros de imageamento que apenas deixavam a luz passar através de um pequeno orifício. Sem eficientes componentes ópticos, tais dispositivos produziam imagens fracas com pouca resolução.
Além do pinhole
“Para os nêutrons, não havia dispositivos de focalização de alta qualidade”, prossegue Moncton. “Essencialmente todos os instrumentos de nêutrons, desenvolvidos ao longo de meio século, eram efetivamente câmeras pinhole”. Com relação a este novo avanço, diz ele que “Estamos levando o campo de imageamento com nêutrons das câmeras pinhole para uma era de genuína óptica”.
“O novo dispositivo de espelhos funciona como a lente formadora de imagens de um microscópio óptico”, acrescenta Liu.
Uma vez que os nêutrons interagem minimamente com a matéria, é difícil focalizar feixes deles para criar um telescópio ou microscópio. No entanto, em 1952 Hans Wolter propôs um conceito básico para raios-X, que foi mais tarde desenvolvido, sob os auspícios da NASA, para telescópios tais como o Observatório Espacial Chandra de Raios-X (projetado e gerenciado pelos cientistas do MIT). Feixes de nêutrons interagem fracamente, de forma muito semelhantes aos raios-X, e podem ser focalizados por um sistema óptico similar.
É um fato bem conhecido que a luz pode ser refletida por superfícies normalmente não refletivas, contanto que incidam sobre tal superfície em um ângulo bem aberto; isto é o princípio físico básico por trás das miragens dos desertos. Usando o mesmo princípio, espelhos com certos revestimentos podem refletir nêutrons incidentes em ângulos abertos.
Um dispositivo menor e mais preciso
O instrumento atual emprega vários cilindros refletores, aninhados um no interior do outro, de forma a aumentar a área de superfície disponível para a reflexão. O dispositivo resultante pode melhorar o desempenho dos sistemas de imageamento por nêutrons existentes por um fator de cerca de 50, segundo os pesquisadores — o que permite imagens mais nítidas, instrumentos muito menores, ou ambas as coisas.
A equipe primeiro projetou e otimizou o conceito digitalmente, então fabricou um pequeno instrumento de teste como prova-de-conceito, e demonstrou seu desempenho, usando uma instalação de feixe de nêutrons no Laboratório do Reator Nuclear do MIT. Trabalhos posteriores que necessitavam de um espectro de energias de nêutrons diferente, foram realizados no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) e no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST).
Um tal instrumento poderia ser usado para observar e caracterizar vários tipos de materiais e amostras biológicas; outros processos, não geradores de imagens, que exploram a dispersão de nêutrons, poderiam ser também beneficiados. Uma vez que os feixes de nêutrons têm energia relativamente baixa, eles são “uma sonda de dispersão muito mais sensível”, segundo Moncton, para fenômenos tais como “de que forma os átomos ou os momentos magnéticos se movem dentro de um material”.
Os pesquisadores planejam, a seguir, a construção de um sistema otimizado de microscopia a nêutrons em colaboração com o NIST, que já dispõe de uma grande instalação de pesquisas com feixes de nêutrons. Este novo instrumento deve custar uns poucos milhões de dólares.
Moncton sublinha o fato de que um recente avanço importante neste campo foi a construção de uma instalação de US$ 1,4 bilhões que provê um aumento de dez vezes no fluxo de nêutrons. “Dado o custo da produção dos feixes de nêutrons, é essencial equipá-los com o sistema óptico mais eficiente possível”.
Roger Pynn, um cientista de materiais da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, que não esteve envolvido nesta pesquisa, diz que “Eu esperava que isso levasse a algumas grandes novidades no imageamento por nêutrons… Isso apresenta o potencial para algumas aplicações realmente novas da dispersão de nêutrons — algo que não é visto há algum tempo”.
Além dos pesquisadores do MIT, a equipe inclui Mikhail Gubarev e Brian Ramsey do Centro Marshall de Voo Espacial da NASA, e Lee Robertson e Lowell Crow do ORNL. O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia do Governo dos EUA.
Primeira medição experimental da carga fraca do próton
Carga Fraca do Proton é Medida pela Primeira Vez
O Q-weak do Jefferson Lab mediu a carga fraca do próton.
NEWPORT NEWS, Virgínia, 17 de setembro de 2013 — Pesquisadores realizaram a primeira medição experimental da carga fraca do próton em uma pesquisa realizada na Instalação Nacional do Acelerador de Partículas Thomas Jefferson do Departamento de Energia do Governo dos EUA (Jefferson Lab).
Os resultados, aceitos para publicação em Physical Review Letters, também inclui medições da carga fraca do nêutron e dos quarks up e down. Essas medições foram feitas mediante a combinação dos novos dados obtidos com dados publicados por outros experimentos. Embora estas medições preliminares sejam as medições mais precisas até hoje feitas, elas foram obtidas a partir da análise de apenas 4% do total dos dados coletados pelo experimento; a análise completa dos dados deverá levar mais um ano para ser completada.
A força fraca é uma das quatro forças fundamentais do nosso universo, junto com a gravidade, o eletromagnetismo e a força forte. Muito embora a força fraca só atue no nível subatômico, seus efeitos podem ser observados em nosso mundo do dia a dia. A força fraca desempenha um papel fundamentas nas reações nucleares que ocorrem dentro das estrela e são responsáveis por grande parte da radiação natural existente no universo.
O experimento Q-weak foi projetado por um grupo internacional de físicos nucleares que se reuniram há mais de uma década para propor uma nova medição no Jefferson Lab. Eles propuseram a primeira medição direta da carga fraca do próton, denotada pelo símbolo 
– ou seja, a intensidade do puxão exercido pela força fraca dentro do próton, ou, em outras palavras, o quanto o próton interage através da força fraca. Uma vez que a carga fraca do próton é uma quantidade precisamente prevista pelo Modelo Padrão – o arcabouço teórico (porém bem testado) que descreve as partículas elementares e detalha como elas interagem – ela se torna um parâmetro ideal para medir experimentalmente a exatidão do Modelo Padrão.
Para realizar o experimento, os cientistas direcionaram um feixe muito intenso de elétrons para dentro de um contentor de hidrogênio líquido. Os elétrons foram polarizados longitudinalmente (girando ao longo ou em sentido contrário de seu movimento). Os elétrons que apenas resvalavam nos prótons (dispersão elástica, onde o próton permanece intacto), emergiam em pequenos ângulos e eram defletidos por poderosos eletromagnetos em oito detectores simetricamente dispostos.
A força fraca é muito mais fraca do que a eletromagnética. Em termos clássicos, se pode pensar nisso como para cada milhão de elétrons que interajam com os prótons através da força eletromagnética, apenas um vai interagir através da força fraca. Os físicos mediram essas poucas interações fracas, explorando uma importante diferença entre as duas forças – a força fraca viola um tipo de simetria conhecido como paridade, pela qual nosso universo “destro”, mediante a rotação de todas as direções espaciais, se torna “canhoto”. Em um mundo de paridade oposta, os elétrons que giram com seus eixos ao longo da direção de seu movimento, interagem como os prótons através da força eletromagnética, com a mesma intensidade. Quando a interação é através da força fraca, os elétrons com spin “destrógiro” interagem de forma diferente dos “levógiros”. Quando se mantém todos os demais parâmetros do experimento inalterados e somente a polarização do feixe de elétrons é revertida, os cientistas podem usar a diferença, ou “assimetria” das medições entre as duas polarizações para isolar o efeito da interação fraca. A meta é medir esta diferença, na faixa de ~200 partes por bilhão, tão precisamente como possível. Essa precisão é equivalente a medir a espessura de uma folha de papel no alto da Torre Eifel.
A análise inicial dos dados da experiência Q-weak deram um valor para que está bem de acordo com a previsão do Modelo Padrão. No entanto, a colaboração dispõe de 25 vezes mais dados do que os usados nessa medição inicial. O resultado final deverá fornecer um rigoroso teste experimental para o Modelo Padrão, fornecendo novas restrições para a nova física nas escalas de energia que estão sendo exploradas no LHC do CERN.
“Os leitores devem encarar esses resultados primeiramente como uma medição da carga fraca do próton. Nossa publicação definitiva será focalizada nas implicações a respeito de potenciais novidades na física”, diz Roger Carlini, um cientista do staff do Jefferson e porta-voz da colaboração Q-weak.
O experimento Q-weak foi originalmente aprovado em janeiro de 2002. Um período de instalação de quase um ano, começou em 2009, seguido por um período de dois anos de coleta de dados de 2010 a 2012.
Várias conquistas técnicas na década passada tornaram este experimento possível. Estas incluem o feixe de elétrons de alta corrente, alta polarização e extremamente estável produzido pelo Acelerador Contínuo de Feixe de Elétrons do Jefferson Lab; o alvo de hidrogênico criogênico com a maior potência no mundo; detectores Cerenkov com extrema resistência à radiação; circuitos eletrônicos com ruído ultra baixo para a leitura dos sinais e medição precisa da corrente do feixe; e um sistema que mede a polarização do feixe com uma precisão melhor que 1%, usando um laser backscatter. Estas inovações técnicas permitiram a obtenção de uma incerteza assombrosamente pequena de 47 partes por bilhão para os dados divulgados até agora.
A colaboração Q-weak consiste de 97 pesquisadores de 23 instituições nos EUA, Canadá e Europa. O experimento foi financiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia do governo dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA e pelo Conselho de Pesquisas de Ciências Naturais e Engenharia do Canadá. Também contribuíram as seguintes universidades: The College of William and Mary, Virginia Tech, George Washington University e Louisiana Tech University. Apoio técnico de TRIUMF, MIT/Bates e Jefferson Lab.
Os resultados serão publicados na edição de 13 de outubro (online) e 18 de outubro (impressa) da Physical Review Letters.
Banda de Möbius em cristal líquido
Bandas de Möbius dão nós em cristal líquido – novas possibilidades de materiais para dispositivos fotônicos
Cientistas da Universidade de Warwick demonstram como fazer nós em cristais líquidos com o uso de uma banda de Möbius em miniatura, feita de partículas de sílica
 |
||||
|
 |
|
 |
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
||||
IMAGEM:Texto original em inglês por Anna Blackaby, contato com a imprensa da Universidade de Warwick.
Os cientistas da Universidade de Warwick demonstraram como se ata nós em cristais líquidos com o uso de uma banda de Möbius em miniatura, feita de partículas de sílica.
Atando substâncias como o cristal líquido em nós, os pesquisadores esperam compreender melhor como suas intrincadas configurações e suas propriedades ímpares podem ser aproveitadas para a próxima geração de materiais avançados e dispositivos fotônicos.
O cristal líquido é um material essencial na vida moderna – as telas planas de nossos computadores, TVs e smartphones, todos fazem uso de suas propriedades de modulação da luz.
Eles são compostos de moléculas finas, com aspecto de haste, que se auto-alinham de forma a apontarem em uma única direção. Ao controlar o alinhamento dessas moléculas, os cientistas podem literalmente atá-las em um nó.
Para fazê-lo, eles simularam adicionar uma partícula de sílica do tamanho de um mícron – ou seja, um coloide – ao cristal líquido. Isto perturba a orientação das moléculas de cristal líquido.
Por exemplo, um coloide na forma de uma esfera fará com que as moléculas de cristal líquido se alinhem perpendicularmente à superfície da esfera, um tanto como as cerdas de um porco-espinho.
Usando um modelo teórico, os cientistas da Universidade de Warwick tomaram este princípio e o estenderam a coloides que tem um formato de nó, na forma de uma banda de Möbius.
Uma banda de Möbius com uma torção não forma um nó, entretanto com três, quatro e cinco torções ela se torna um nó de trevo, um nó de Salomão, ou um nó quinquefólio respectivamente.
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Adicionando-se essas partículas especialmente projetadas, elas forçam o cristal líquido a assumir a mesma estrutura, criando um nó no cristal líquido.
Gareth Alexander, Professor Assistente em Física e Ciências da Complexidade na Universidade de Warwick declarou: “Os nós são objetos fascinantes e versáteis, que nos são familiares desde que começamos a amarrar nossos sapatos”.
“Recentemente foi demonstrado que os nós podem ser criados em vários conjuntos naturais, tais como campos eletromagnéticos, luz laser, vórtices fluidos e cristais líquidos”.
“Esses nós são mais intrincados do que aqueles dos sapatos, já que se trata de todo um material contínuo e não somente um cadarço o que é amarrado”.
“Nossa pesquisa estende o trabalho anterior para aplicações em cristais líquidos, a substância que vemos todos os dias em nossas TVs, smartphones e telas de computador”.
“Estamos interessados nisto porque a criação e o controle desses intrincados campos em nós é uma nova avenida que se abre para o projeto de novos metamateriais e dispositivos fotônicos”.
O estudo, publicado em PNAS, tem o título Knots and nonorientable surfaces in chiral nematics e é assinado por Thomas Machon e Gareth Alexander ambos do Departamento de Física e do Centro de Ciências da Complexidade na Universidade de Warwick.
A pesquisa foi financiada pelo Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).
A pesquisa está disponível neste site:
http://www.pnas.org/content/early/2013/08/09/1308225110.abstract
“Baterias não incluídas”… NEM PRECISA!
Dispositivos sem fio se tornam também sem-baterias com uma nova técnica de comunicações
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Podemos estar um passo mais perto de uma realidade de internet-de-coisas.
Engenheiros da Universidade de Washington criaram um novo sistema de comunicação sem fio (“wireless”) que permite que os dispositivos interajam entre si sem precisar de baterias ou fios para energizá-los.
A nova técnica de comunicações, que os pesquisadores chamam de “retrodifusão ambiente”, aproveita as transmissões de TV e celulares que já nos envolvem o dia todo. Dois dispositivos se comunicam entre si por meio da reflexão dos sinais já existentes para trocar informações. Os pesquisadores construíram dispositivos pequenos e sem baterias que podem detectar, coletar e refletir um sinal de TV que é, por sua vez, captado por outros dispositivos similares.
A tecnologia pode permitir que uma rede de dispositivos e sensores se comuniquem sem que seja necessária uma fonte de energia ou mesmo de supervisão humana.
“Nós podemos reutilizar os sinais sem fio que já estão em torno de nós, tanto em uma fonte de energia, como em meio de comunicação”, declara o principal pesquisador Shyam Gollakota, um professor assistente de engenharia e ciências de computação da UW. “Esperamos que isso tenha aplicações em diversas áreas, inclusive computadores “vestíveis”, casas inteligentes e redes de sensores auto-sustentáveis”.
Os pesquisadores publicaram seus resultados na conferência do Grupo de Interesse Especial em Comunicação de Dados da Associação para Maquinário de Computação em Hong Kong que começa nesta data. Eles receberam o prêmio de melhor artigo da conferência por esta pesquisa.
“Nossos dispositivos formam uma rede a partir do nada”, comenta o co-autor Joshua Smith, um professor associado de engenharia e ciências de computação e de engenharia elétrica da UW. “Pode-se refletir esses sinais ligeiramente para criar um código Morse de comunicação entre dispositivos sem baterias”.
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Sensores inteligentes podem ser fabricados e posicionados de modo permanente dentro de quase qualquer estrutura, e então postos em comunicação entre si. Por exemplo, sensores colocados em uma ponte podem monitorar a saúde do concreto e do aço, e enviar um sinal de alarme se detectarem uma rachadura minúscula. A tecnologia pode também ser usada para as comunicações – por exemplo, mensagens de texto e emails – em dispositivos “vestíveis” (ou seja, incluídos na indumentária), sem necessitar de baterias como fonte de energia.
Os pesquisadores testaram a técnica de retrodifusão ambiente com protótipos do tamanho de um cartão de crédito, postados a alguns metros de distância. Em cada dispositivo, os pesquisadores fizeram antenas com placas de circuito comuns que fazem piscar um LED quando recebem um sinal de comunicação de outro dispositivo.
Grupos desses dispositivos foram testados em diversas disposições na área de Seattle, inclusive dentro de um prédio de apartamentos, em uma esquina de rua e no andar de cima de um estacionamento. Todas essas posições ficavam entre menos de 1 km até 13 km de distância de uma torre de emissão de TV.
Eles descobriram que os dispositivos eram capazes de se comunicar entre si, mesmo aqueles mais afastados da torre de TV. Os dispositivos receptores captaram um sinal de suas contrapartes transmissoras a uma taxa de 1 kilobit por segundo quando separados por uns 75 cm nos exteriores e 45 cm nos interiores. Isto é o bastante para enviar informações tais como leituras de um sensor, mensagens de texto e informações de contacto.
Também é concebível montar esta tecnologia em dispositivos que usam baterias, tais como smartphones. Ela pode ser configurada de modo tal que, quando a bateria zerar, o telefone ainda possa enviar mensagens de texto, retirando a energia de um sinal de TV no ambiente.
As possibilidades de aplicações são inúmeras, dizem os pesquisadores, e eles planejam continuar melhorando a capacidade e o alcance das redes de comunicações por retrodifusão.
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Os outros pesquisadores envolvidos são David Wetherall, professor de engenharia e ciências de computação da UW, Vincent Liu, estudante de doutorado de engenharia e ciências de computação e Aaron Parks e Vamsi Talla, ambos estudantes de doutorado em engenharia elétrica.
A pesquisa foi financiada pela Universidade de Washington através de um Prêmio de Pesquisas Google e pelo Centro de Pesquisas para Engenharia Sensorimotor Neural da Fundação Nacional de Ciências na UW.
Para mais informações, contactar Gollakota e Smith em abc@cs.washington.edu.
Website da retrodifusão ambiental: http://abc.cs.washington.edu/
Vídeo no YouTube: http://youtu.be/gX9cbxLSOkE
Artigo: http://abc.cs.washington.edu/files/comm153-liu.pdf
Videos e imagens disponíveis em; http://www.washington.edu/news/2013/08/13/wireless-devices-go-battery-free-with-new-communication-technique/
Lentes na escala nanométrica?… Bolhas!
Bolhas, as novas lentes para feixes de luz em nanoescala
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Entortar feixes de luz segundo seus caprichos pode parecer um trabalho para um feiticeiro ou para um complexo trambolho composto por espelhos, lentes e prismas, no entanto umas poucas pequenas bolhas de líquido podem ser tudo que preciso para abrir as portas para uma nova geração de circuitos e mostradores de alta velocidade, segundo os pesquisadores da Penn State.
Para combinar a velocidade da comunicação óptica com a portabilidade dos circuitos eletrônicos, os pesquisadores recorreram à nano-plasmônica – dispositivos que empregam ondas eletromagnéticas curtas para modular a luz na escala de nanômetros, onde a óptica convencional não funciona. No entanto, mirar e focalizar estes feixes de luz modulados para os alvos desejados é algo difícil.
“Existem diferentes dispositivos de estado sólido para controlar (feixes de luz), para ligá-los e desligá-los ou modulá-los, mas as suas manutenção e reconfiguração são muito limitadas”, diz Tony Jun Huang, professor associado de ciências de engenharia e mecânica. “Usar uma bolha apresenta um monte de vantagens”.
E a vantagem principal de uma lente de bolha é exatamente o quão rápido e facilmente os pesquisadores podem reconfigurar posição, tamanho e formato da bolha – todos coisas que afetam a direção e o foco de qualquer feixe de luz que passar através dela.
A equipe de Huang criou simulações separadas dos feixes de luz e das lentes de bolhas para predizer seus comportamentos e otimizar as condições, antes de combinar os dois no laboratório. Suas descobertas foram publicadas em Nature Communications.
Para formar lentes de bolha, os pesquisadores usaram um laser de baixa intensidade para aquecer água sobre uma superfície de ouro. O comportamento óptico da pequena bolha permanece constante, enquanto a potência do laser e a temperatura ambiente continuarem constantes.
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
A simples movimentação do laser, ou o ajuste de sua potência, podem modificar a maneira como a bolha irá refratar um feixe de luz, tanto como um feixe de luz concentrado em um alvo específico, como uma onda dispersa. Mudar o líquido também afeta como um feixe de luz será refratado.
Os materiais para formar as lentes de bolha são baratos e as próprias bolhas são fáceis de dissolver, substituir e mover.
“Além de sua capacidade sem precedentes de reconfiguração e facilidade de manutenção, nossa lente de bolha tem ao menos mais uma vantagem sobre suas contra-partes de estado sólido: sua lisura natural”, acrescenta Huang. “Quanto mais lisa for uma lente, melhor será a qualidade da luz que passa através dela”.
Huang acredita que o próximo passo será descobrir como o formato da bolha influencia a direção do feixe de luz e a posição de seu ponto focal. A capacidade de ajuste fino desses feixes de luz permitirá melhoramentos em dispositivos biomédicos em chips e imageamento em resolução superior.
“Para todas essas aplicações, é realmente necessário controlar precisamente a luz em nano-escala e é aí que este trabalho pode ser um componente muito importante”, finaliza Huang.
Chenglong Zhao, doutor associado para ciências de engenharia e mecânica, da Penn State, projetou e conduziu a experiência; Yongmin Liu, professor assistente de engenharia mecânica e industrial, e de engenharia elétrica e de computação da Northeastern University, trabalharam em conjunto com Nicholas Fang, professor associado de engenharia mecânica do MIT, para analisar os resultados e desenvolver simulações; e Yanhui Zhao, estudante de pós-graduação em ciências de engenharia e mecânica da Penn State, fabricou os materiais.
O estudo foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde, a Fundação Nacional de Ciências e o Centro para Ciência em Nano-escala da Penn State.
As pequenas colisões dão energia às tempestades de poeira
Informações sobre direitos: http://bit.ly/c34Awz
Sophie Bushwick é uma escritora de ciências freelance da cidade de Nova York. Seus trabalhos já foram publicados em vários meios de comunicação impressos e online.
Gotículas líquidas dão pistas sobre comportamentos quânticos
Traduzido de: Liquid Droplets Reveal Clues To Quantum Behavior
Uma experiência que pode revelar os detalhes de pequena escala do universo.
Charles Q. Choi é um escritor de ciências freelance da Cidade de Nova York, que já escreveu para o The New York Times, Scientific American, Wired, Science, Nature e várias outras publicações.
Os Cinturões de Van Allen são aceleradores de partículas
NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.
Os cientistas descobriram um enorme acelerador de partículas no coração de uma das regiões mais inóspitas do espaço próximo da Terra, uma região povoada por partículas carregadas e super-energéticas, chamadas de Cinturões (de Radiação) de Van Allen. Os cientistas sabiam que algo no espaço acelerava as partículas dentro dos cinturões de radiação acima de 99% da velocidade da luz, mas eles não sabiam o que esse “algo” era. Novos resultados das Sondas Van Allen da NASA mostram que a energia aceleradora vem de dentro dos próprios cinturões. As partículas em seu interior parecem levar um chute de energia, o que as acelera cada vez mais, de forma muito parecida a empurrões perfeitamente sincronizados em um balanço em movimento.
A descoberta de que as partículas são aceleradas por uma fonte local de energia é comparável à descoberta de que os furacões nascem de uma fonte de energia local, tal como uma região de águas oceânicas aquecidas. No caso dos cinturões, a fonte é uma região de intensas ondas eletromagnéticas que tira energia de outras partículas localizadas na mesma região. Conhecer a localização da acleração irá ajudar os cientistas a melhorar as previsões do tempo espacial, porque mudanças nos cinturões de radiação podem trazer riscos para os satélites em órbita próxima da Terra. Os resultados foram publicados hoje na Science.
De forma a que os cientistas pudessem compreender melhor o que se passa dentro dos cinturões, as Sondas Van Allen foram projetadas para voar direto por dentro dessa área turbulenta do espaço. Quando missão foi lançada em agosto de 2012, ela tinha como objetivos principais compreender como as partículas dentro dos cinturões eram aceleradas até essas energias ultra-altas e como essas partículas, algumas vezes, logravam escapar. Ao estabelecer que essa aceleração ultra-intensa vem desses “chutes” locais de energia – e não de um processo mais generalizado – os cientistas conseguiram responder definitivamente a uma dessas importantes questões pela primeira vez.
“Este é um dos resultados mais esperados e entusiasmantes das Sondas Van Allen”, declara David Sibeck, cientista do projeto das Sondas Van Allen no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland. “É o principal motivo pelo qual a missão foi lançada”.
Os cinturões de radiação foram descobertos com o lançamento dos primeiros satélites americanos que chegaram com sucesso ao espaço, Explorer I e III. Rapidamente se percebeu que os cinturões eram um dos ambientes mais perigosos que uma espaçonave poderia enfrentar. A maior parte das órbitas de satélites é escolhida para se encolher por baixo dos cinturões de radiação, ou para circular por fora deles, ou ainda, como no caso dos satélites do GPS, operar entre os dois cinturões. Quando os cinturões oscilam, por causa do “mau tempo” espacial, eles podem abranger essas espaçonaves, expondo-as a perigosas radiações. De fato, a maior parte dos defeitos permanentes nas espaçonaves foi causada pela radiação. Com um aviso suficiente, a tecnologia pode ser protegida das piores consequências, mas este aviso só pode ser emitido se realmente conhecermos a dinâmica do que acontece dentro dos misteriosos cinturões.
“Até a década de 1990, nós pensávamos que os cinturões de Van Allen eram bem-comportados e mudavam lentamente”, esclarece Geoff Reeves, o primeiro autor do artigo e pesquisador dos cinturões de radiação no Laboratório Nacional de Los Alamos, Novo México. “A cada nova medição realizada, entretanto, percebemos o quão rápido e de maneira imprevisível os cinturões mudavam. Eles basicamente jamais estão em equilíbrio, mas em um estado de contínua mudança”.
De fato, os cientistas perceberam que os cinturões nem sequer mudam de maneira consistente em resposta ao que parecem ser estímulos similares. Algumas tempestades solares faziam os cinturões se intensificarem; outras os tornavam esgotados; e algumas pareciam nem ter qualquer efeito. Tais efeitos disparatados a eventos aparentemente similares sugeriam que esta região era muito mais misteriosa do que se pensava. Para compreender – e, eventualmente, ser capaz de predizer – quais tempestades solares intensificariam os cinturões de radiação, os cientistas precisavam saber de onde vinha a energia que acelerava as partículas.
As Sondas gêmeas Van Allen foram projetadas para distinguir duas possibilidades genéricas sobre os processos que aceleravam as partículas a tais impressionantes velocidades: aceleração radial ou aceleração local. No caso da aceleração radial, as partículas são transportadas perpendicularmente aos campos magnéticos que envolvem a Terra, das áreas de menor intensidade magnética, longes da Terra, até áreas de intensa força magnética, próximas da Terra. As leis da física ditam que as velocidades das partículas neste cenário aumentará com a intensificação dos campos magnéticos. Assim, as velocidades das partículas deveriam aumentar ao se aproximarem da Terra, de forma muito parecida com a que uma pedra que rola morro abaixo aumenta de velocidade simplesmente devido à gravidade. No caso da aceleração local, a teoria afirma que as partículas recebam energia de uma fonte local, de forma mais parecida com a qual as águas aquecidas dos oceanos alimentam furacões acima delas.
Para poder distinguir entre essas duas possibilidades, as Sondas Van Allen consistem de duas espaçonaves. Com dois conjuntos de observações, os cientistas podem medir as partículas e as fontes de energia em duas regiões do espaço simultaneamente, o que é crucial para distinguir entre causas locais e as que têm origem remota. Igualmente, cada espaçonave é equipada com sensores para medir a energia e a posição das partículas e determinar o ângulo de ataque – ou seja, o ângulo do movimento com respeito aos campos magnéticos da Terra. Tudo isso iria variar de maneiras diferentes, dependendo das forças que agem sobre elas, o que auxiliou os cientistas a distinguir entre as teorias.
Equipados com esses dados, Reeves e sua equipe observaram uma rápida elevação da energia de elétrons de alta energia em 9 de outubro de 2012. Se a aceleração desses elétrons estivesse ocorrendo por causa do transporte radial, os efeitos medidos começariam longe da Terra e se movendo para dentro, devido ao próprio formato e a própria intensidade desses campos envoltórios. Em tal cenário, as partículas que se movessem através dos campos magnéticos pulariam naturalmente de um par o seguinte, em cascata, arrebanhando energia durante o caminho – similar ao cenário da pedra que rola morro abaixo.
No entanto as observações não mostraram uma intensidade que se formasse mais afastada da Terra e gradualmente se movesse para dentro. Em lugar disto, elas mostraram um aumento de energia que começava bem no meio dos cinturões de radiação e gradualmente se espalhava tanto para dentro, como para fora, o que implicava em uma fonte de aceleração local.
“Neste caso em particular, toda aceleração ocorreu em um período de cerca de 12 hors”, relata Reeves. “Com as medições anteriores, um satélite só seria capaz de voar através de um tal evento uma vez e não teria a chance de testemunhar as mudanças realmente acontecendo. Com as Sondas Van Allen tínhamos dois satélites e, assim, pudemos observar como as coisas se modificam e onde essas mudanças começam”.
Os cientistas acreditam que estes novos resultados levarão a melhores previsões sobre a complexa cadeia de eventos que intensificam os cinturões de radiação a níveis que podem danificar satélites. Muito embora o trabalho demonstre que a energia local vem de ondas eletromagnéticas que percorrem os cinturões, não se sabe exatamente quais dessas ondas podem ser a causa. Durante o conjunto de observações descrito no artigo, as Sondas Van Allen observaram um tipo específico de onda, chamadas ondas corais, ao mesmo tempo que as partículas eram aceleradas, porém serão necessários mais estudos até que se estabeleça uma relação de causa e efeito.
“Este artigo ajuda a diferenciar entre duas soluções genéricas”, ressalva Sibeck. “Ele demonstra que a aceleração pode ocorrer localmente. Agora, os cientistas que estudam ondas e campos magnéticos vão se debruçar sobre o problema e descobrir que tipo de onda forneceu o empuxo”.
Felizmente, esta tarefa também será auxiliada pelas Sondas Van Allen Probes, que também são cuidadosamente projetadas para medir e distinguir entre os diversos tipos de ondas eletromagnéticas.
“Quando os cientistas projetaram a missão e os instrumentos das sondas, eles contemplaram as dúvidas científicas e disseram: ‘Esta é uma grande oportunidade para fazer algumas descobertas fundamentais sobre como as partículas são aceleradas’ “, disse Nicola J. Fox, cientista associado do projeto no Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins em Laurel, Maryland. “Com cinco conjuntos idênticos de instrumentos a bordo de cada espaçonave – cada um com um amplo espectro de detecção de ondas e partículas – nós temos a melhor plataforma já criada para poder compreender melhor esta região crítica do espaço acima da Terra”.
O Laboratório de Física Aplicada construiu e opera as Sondas gêmeas Van Allen para a Diretoria de Missões Científicas da NASA. As Sondas Van Allen são a segunda missão do programa Living With a Star NASA, gerenciado pelo Centro Goddard, para explorar os aspectos do sistema Sol-Terra que afetam diretamente a vida e a sociedade.
Para mais informações sobre as sondas Van Allen (em inglês), visite:
Um novo e surpreendente material
DOE/Argonne National Laboratory
Descoberto um novo estado de material contra-intuitivo às leis da física
|
|
|
Transições induzidas pela pressão são associadas com expansões de volume de até 2 vezes. Embora um aumento do volume com a pressão seja algo contra-intuitivo, as novas fases obtidas contêm grandes poros cheios de fluidos, tais que o volume combinado sólido + fluido é reduzido e as ineficiências de preenchimento de espaços na fase interpenetrada inicial são eliminadas. Para ver uma versão ampliada da imagem, clique nela. |
LEMONT, ILLINOIS. — Quando se espreme alguma coisa, ela fica menor. A menos que você esteja no Laboratório Nacional Argonne.
No laboratório, nos subúrbios de Chicago, um grupo de cientistas aparentemente conseguiu desafiar as leis da física e descobriu uma maneira de aplicar pressão de modo a fazer um material se expandir, em lugar de se comprimir ou contrair.
“É com se espremêssemos uma pedra e ela virasse uma enorme esponja”, diz Karena Chapman, uma química do laboratório do Departamento de Energia dos EUA. “Espera-se que os materiais fiquem mais densos e mais compactos sob pressão. O que estamos vendo é exatamente o oposto. O material comprimido fica com a metade da densidade do estado original. Isso é contra-intuitivo às leis da física”.
Como um tal comportamento parece ser realmente impossível, Chapman e seus colegas levaram vários anos testando e retestando o material, até que passaram a acreditar no inacreditável e compreenderam como o impossível era possível. A cada experiência, obtiveram os mesmos resultados atordoantes.
“As ligações no material se rearrumam completamente”, explica Chapman. “Isso me deixa perplexa”.
Esta descoberta vai acarretar mais do que ter que reescrever os livros de ciência; ela pode dobrar a variedade de materiais de estrutura porosa disponíveis para a fabricação de itens de tratamento de saúde e controle ambiental.
Os cientistas usam este tipo de materiais que têm buracos como uma esponja em sua estrutura, para capturar, armazenar e filtrar materiais. O formato dos buracos de “esponja” os torna particularmente adequados para moléculas específicas, permitindo seu uso como filtros d’água, sensores químicos e recipientes de armazenagem compressíveis para o sequestro de carbono de células combustíveis de hidrogênio. Ajustando as taxas de percolação, os cientistas podem adaptar essas estruturas para a aplicação dirigida de medicamentos e para dar início a reações químicas para a produção de quase qualquer coisa, de plásticos a alimentos.
“Isso pode não só abrir o caminho para tornar novos materiais porosos, como também nos dar acesso a novas estruturas para capacidade de selecionamento e novas taxas de percolação”, afirma Peter Chupas, um químico do Laboratório Argonne que colaborou na descoberta dos novos materiais.
Os detalhes do trabalho da equipe foram publicados na edição de 22 de maio de Journal of the American Chemical Society em um artigo intitulado “Explorando Altas Pressões para Gerar Porosidade, Polimorfismo e Expansão da Reticulação na Estrutura Molecular Não-porosa do Zn(CN)2” (“Exploiting High Pressures to Generate Porosity, Polymorphism, And Lattice Expansion in the Nonporous Molecular Framework Zn(CN)2 “).
Os cientistas puseram cianeto de zinco, um material usado em eletrodeposição, em uma bigorna de diamante na Fonte Avançada de Fótons (Advanced Photon Source = APS) no Laboratório Argonne e aplicaram altas pressões, da ordem de 0,9 a 1,8 gigaPascals, ou seja: de 9.000 a 18.000 vezes a pressão atmosférica. Estas altas pressões estão dentro da faixa obtenível pela indústria para sistemas de armazenamento a granel. Empregando diferentes fluidos no entorno do material enquanto ele era espremido, os cientistas conseguiram criar cinco novas fases do material, duas das quais mantiveram sua nova capacidade porosa em pressão normal. O tipo de fluido empregado determinava o formato dos poros da “esponja”. Esta foi a primeira vez que a pressão hidrostática conseguiu transformar materiais densos com estruturas atômicas interpenetradas em novos materiais porosos. Várias séries de experiências de difração raios-X de alta pressão series, in situ, foram feitas nas faixas de feixe de 1-BM, 11-ID-B e 17-BM da APS para estudar as transições do material.
“Aplicando a pressão fomos capazes de transformar um material normalmente denso e não-poroso em um leque de novos materiais porosos que podem conter até o dobro de outros materiais”, diz Chapman. “Esta descoberta contra-intuitiva provavelmente vai dobrar a quantidade de materiais de estrutura porosa que poderão expandir seu uso em aplicação de fármacos, sequestro [de gases], filtragem de materiais e catálise”.
Os cientistas continuarão a testar a nova técnica em outros materiais
Mais uma teoria sobre a Matéria Escura
Uma teoria simples pode explicar a misteriosa matéria escura
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Crédito: Michael Smeltzer, Vanderbilt University |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
A maior parte da matéria do universo pode ser feita de partículas que possuem um incomum campo eletromagnético em forma de anel, chamado anapolo.
Esta proposta, que dota as partículas de matéria escura com uma forma rara de eletromagnetismo, foi reforçada por uma análise detalhada realizada por um par de físicos teóricos da Universidade Vanderbilt: o Professor Robert Scherrer e o doutor-associado Chiu Man Ho. Um artigo sobre a pesquisa foi publicado online no mês passado por Physics Letters B.
“Existem muitas teorias diferentes acerca da natureza da matéria escura. O que eu gosto nesta teoria é sua simplicidade, singeleza e o fato de que pode ser testada”, disse Scherrer.
No artigo, intitulado “Anapole Dark Matter,” os físicos propõem que a matéria escura – um tipo invisível de matéria que perfaz 85% de toda a matéria do universo – pode ser constituída de um tipo básico de partícula chamado Férmion de Majorana. A existência desta partícula foi prevista em 1930, mas ela tem teimosamente resistido a ser detectada.
Um bom número de físicos sugeriu que a matéria escura seja feita de Férmions de Majorana, porém Scherrer e Ho realizaram cálculos detalhados que demonstram que essas partículas são particularmente adequadas a possuir um tipo raro de campo eletro-magnético em forma de anel, chamado um anapolo. Este campo lhes conferiria propriedades diferentes das partículas que possuem campos mais comuns, do tipo com dois polos (norte e sul, positivo e negativo) e explica por que elas são tão difíceis de detectar.
“A maioria dos modelos para a matéria escura supõe que ela interaja por meio de forças exóticas que não encontramos no dia-a-dia. A matéria escura anapolar usa o mesmo eletromagnetismo que aprendemos na escola – a mesma força que faz com que os imãs grudem em sua geladeira ou fazem com que um balão de ar esfregado nos cabelos grude no teto”, explica Scherrer. “Além disso, o modelo faz predições muito específicas acerca das quantidades que deverão ser detectadas nos enormes detectores de matéria escura enterrados no chão por todo o mundo. Tais predições mostram que a existência da matéria escura anapolar deve ser comprovada ou descartada em breve por tais experimentos”.
Férmions são partículas como o elétron e o quark, que são os componentes básicos da matéria. Sua existência foi predita por Paul Dirac em 1928. Des anos depois, pouco antes de desaparecer misteriosamente no mar, o físico italiano Ettore Majorana produziu uma variante da fórmula de Dirac que prevê a existência de um férmion eletricamente neutro. Desde então, os físicos vêm buscando os Férmions de Majorana. O candidato inicial foi o neutrino, porém os cientistas não conseguiram determinar a natureza dessa partícula elusiva.
A existência da matéria escura foi também inicialmente proposta nos anos 1930 para explicar as discrepâncias nas velocidades de rotação dos aglomerados galáticos. Subsequentemente, os astrônomos descobriram que a rotação das estrelas em torno das galáxias individuais também estava fora de sincronia. As observações detalhadas mostraram que as estrelas afastadas do centro das galáxias estão girando em velocidades muito mais altas do que poderia ser explicado pela quantidade de matéria visível que as galáxias contêm. Presumir que elas contenham uma grande quantidade de matéria “escura” invisível é a conclusão mais lógica para explicar tais discrepâncias.
Os cientistas hipotetizaram que a matéria escura não pode ser vista pelos telescópios porque ela não interage de maneira forte com a luz e outras radiações eletromagnéticas. Com efeito, as observações astronômicas basicamente descartaram a possibilidade de que as partículas de matéria escura tenham cargas elétricas.
Entretanto, mais recentemente, vários cientistas consideraram partículas de matéria escura que não teham cargas elétricas, mas têm dipolos elétricos ou magnéticos. O único problema é que, mesmo que esses modelos complicados são descartáveis em favor de partículas de Majorana. Esta é uma das razões pelas quais Ho e Scherrer examinaram mais de perto a versão de matéria escura com um momento magnético anapolar.
“Embora os Férmions de Majorana sejam eletricamente neutros, as simetrias fundamentais da natureza os proíbem de adquirir quaisquer propriedades eletromagnéticas, exceto se foram anapolares”, diz Ho. A existência de um anapolo magnético foi previsto pelo físico soviético Yakov Zel’dovich em 1958. Desde então, isso foi observado na estrutura magnética dos núcleos dos átomos do césio-133 e do itérbio-174.
Partículas com os familiares dipolos elétrico e magnético interagem com campos eletromagnéticos até quando estão estacionárias. As partículas com anapolos, não. Estas precisam estar em movimento antes que possam interagir e quanto mais rápido se moverem, mais forte será a interação. Em função disto, as partículas anapolares teriam sido muito mais interativas durante os estágios iniciais do universo e teriam se tornado cada vez menos interativas na medida em que o universo se expandiu e esfriou.
As partículas de matéria escura anapolar sugeridas por Ho e Scherrer teriam se aniquilado no universo primitivo tal como quaisquer outras partículas de matéria escura propostas, e as partículas remanescentes deste processo formariam a matéria escura que vemos hoje [NT: ou não vemos…]. Porém, como a matéria escura está se movendo muito mais devagar no presente e porque as interações anapolares dependem de quão depressa elas se movem, essas partículas teriam escapado da detecção até agora, porém por muito pouco.
