Eletricidade a partir de “fotossíntese”
Massachusetts Institute of Technology
Pesquisadores do MIT criam uma tecnologia fotovoltáica auto-combinante capaz de se auto-reparar
As moléculas podem transformar a luz solar em eletricidade e podem ser quebradas e rapidamente remontadas
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CAMBRIDGE, Massachusetts. — As plantas são boas em fazer o que cientistas e engenheiros tem lutado para fazer por décadas a fio: converter a luz solar em energia armazenada e fazê-lo de maneira confiável, dia após dia, ano após ano. Agora, alguns cientistas do MIT conseguiram imitar um aspecto chave deste processo.
Um dos problemas com o aproveitamento da luz solar é que os raios do Sol podem ser altamente destrutivos para muitos materiais. A luz solar leva a uma degradação gradual de muitos dos sistemas desenvolvidos para capturá-la. No entanto, as plantas adotaram uma estratégia interessante para resolver esse problema: as moléculas encarregadas de capturar a luz solar se fracionam constantemente e as plantas as remontam a partir dos pedaços resultantes, de forma que as estruturas básicas que capturam a energia solar são, por assim dizer, sempre novas em folha.
Esse processo foi agora imitado por Michael Strano, o Professor Associado Charles & Hilda Roddey de Engenharia Química e sua equipe de estudantes de pós-graduação e pesquisadores. Eles criaram um novo conjunto de moléculas auto-combinantes que podem transformar a luz solar em eletricidade. As moléculas podem ser repetidamente quebradas e rapidamente remontadas, mediante a simples adição ou remoção de uma solução adicional. O artigo sobre este trabalho foi publicado na edição de 5 de setembro da Nature Chemistry.
Strano diz que a ideia lhe ocorreu inicialmente quando ele estava estudando a biologia das plantas. “Eu fiquei realmente impressionado com o fato das plantas terem esse mecanismo extremamente eficaz de reparar suas células”, diz ele. E acrescenta que, em pleno Sol de Verão, “uma folha de árvore recicla suas proteínas a cada 45 minutos, embora se possa pensar que ela é uma célula fotovoltáica estática”.
Um dos objetivos de longo prazo da pesquisa de Strano sempre foi descobrir modos para imitar os princípios encontrados na natureza com o uso de nano-componentes. No caso das moléculas usadas pelas plantas para fotossíntese, a forma reativa de oxigênio produzida pela luz solar faz com que as proteínas se decomponham de uma maneira muito precisa. Nas palavras de Strano, o oxigênio “desata uma amarração que mantém as proteínas unidas”, mas as mesmas proteínas são rapidamente remontadas para recomeçar o processo.
Toda essa atividade acontece dentro de pequeninas cápsulas chamadas cloroplastos que existem dentro de cada célula vegetal — e é onde acontece a fotossíntese. Strano diz que o cloroplasto é “uma máquina formidável. É um notável motor que consome dióxido de carbono e usa a luz para produzir glucose”, a substância química que fornece energia para o metabolismo.
Para imitar esse processo, Strano e sua equipe – financiados pela MIT Energy Initiative e pelo Departamento de Energia – produziram moléculas sintéticas chamadas fosfolipídeos que formam discos; esses discos fornecem o suporte estrutural para as outras moléculas que realmente respondem à luz, em estruturas chamadas de centros de reação, os quais liberam elétrons quando atingidos por partículas de luz. Os discos que portam os centros de reação, ficam em uma solução onde eles se afixam espontaneamente a nano-tubos de carbono — tubos ocos de átomos de carbono que tem bilionésimos de metro de espessura e são, no entanto, mais fortes do que aço e capazes de conduzir a eletricidade mil vezes melhor que o cobre. Os nano-tubos mantém os discos de fosfolipídeo em um alinhamento uniforme, de forma que os centros de reação podem ficar todos expostos à luz solar de uma só vez e também funcionam como condutores para coletar e canalizar o fluxo de elétrons liberados pelas moléculas reativas.
O sistema produzido pela equipe de Strano é feito de sete compostos diferentes que incluem os nano-tubos de carbono, os fosfolipídeos e as proteínas que compõem os centros de reação, os quais, nas condições corretas, se montam espontaneamente em uma estrutura para a coleta da luz solar e produzir uma corrente elétrica. Strano diz acreditar que isso estabelece um novo recorde quanto à complexidade de um sistema auto-combinante. Quando um surfatante — similar àqueles lançados no Golfo do México para dissolver o petróleo derramado — é adicionado à mistura, os sete componentes se separam e formam uma espécie de “sopa”. Então, quando os pesquisadores removeram o surfatante, forçando a solução através de uma membrana, os componentes se remontaram de novo em uma fotocélula perfeitamente formada e rejuvenescida.
“Nós basicamente estamos imitando os truques que a natureza descobriu ao longo de milhões de anos” — em particular, “reversibildade, a capacidade de desmontar e remontar”, declara Strano. A equipe que incluiu o pesquisador pós-doutorado Moon-Ho Ham e o estudante de pós-graduação Ardemis
Boghossian, chegou ao sistema com base em uma análise teórica, mas que então decidiu construir uma célula-protótipo para testá-la. Eles passaram a ´célula-protótipo por repetidos ciclos de montagem e desmontagem ao longo de um período de 14 horas, sem qualquer perda de eficiência.
Strano argumenta que, ao desenvolver novos sistemas para gerar energia elétrica a partir de luz, os pesquisadores frequentemente não estudam como os sistemas se modificam ao longo do tempo. Nas células fotovoltáicas convencionai com base no silício, a degradação é pequena, porém, no caso de vários sistemas novos que se encontram em desenvolvimento —
seja buscando um custo menor, maior eficiência, flexibilidade ou outras características melhoradas — a degradação pode ser muito significativa. “Frequentemente se vê a eficiência cair, depois de 60 horas, a 10% do original”, afirma ele.
As reações individuais dessas novas estruturas moleculares apresentam uma eficiência de cerca de 40%, ou cerca do dobro da eficiência das melhores células solares comercialmente disponíveis agora. Teoricamente, a eficiência das estruturas poderia ficar próximo dos 100%, diz ele. Mas, no trabalho inicial, a concentração das estruturas na solução era baixa, de forma que a eficiência geral do dispositivo — a quantidade de energia elétrica produzida por uma dada área de superfície — foi muito baixa. Agora eles estão trabalhando para encontrar maneiras para aumentar em muito a concentração.
Quebras de simetria e supercondutividade
[Traduzido de: Asymmetric Electron Behavior Discovered in High-temperature Superconductors ]
Original em inglês por:
| Bobbie Mixon, |
| Holly Martin |
A descoberta pode levar eventualmente à redução dos custos da energia elétrica
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Super-condutores à temperatura ambiente ficam mais perto da realidade e podem levar a redes de distribuição de energia elétrica mais econômicas. |
31 de agosto de 2010
Os cientistas da Universidade Cornell, em conjunto com uma equipe internacional de pesquisadores, descobriram recentemente que os elétrons em um material super-condutor, óxido de cobre, assumem espontaneamente uma orientação de spin.
Esta descoberta pode conduzir à longamente almejada meta de conduzir eletricidade à temperatura ambiente sem perdas, abrindo o caminho para seu emprego em larga escala em uma rede de distribuição de energia elétrica econômica.
Os super-condutores são materiais que perdem toda a resistência elétrica quando resfriados abaixo de uma certa temperatura. Os primeiros super-condutores descobertos pelos cientistas, tinham que ser resfriados a uma temperatura próxima do zero absoluto (cerca de -273º C) para que transmitissem eletricidade sem qualquer perda de potência.
Porém a necessidade de resfriar tanto os materiais, antes que eles pudessem se tornar super-condutores, tornava impraticável usá-los em tecnologias, há muito prometidas, tais como computadores ultra-rápidos, meios de transporte de alta velocidade e redes de energia elétrica sem perdas.
Em meados dos anos 1980, foi descoberta uma nova classe de materiais super-condutores em “alta temperatura”, bem acima do zero absoluto, embora ainda bem abaixo da temperatura ambiente.
Entre esses materiais, existe um grupo chamado cupratos, que se tornam super-condutores em temperaturas tão “altas” como -123ºC. O cristal de óxido de cobre usado pelos cientistas da Cornell, é um cuprato super-condutor.
Normalmente, os átomos de oxigênio e cobre deste material se agrupam em unidades simétricas e os cientistas esperavam que os elétrons em cada unidade se comportassem de modo também simétrico. Isso significa que cada elétron tenha um spin aleatoriamente escolhido “acima” ou “abaixo”. Mas quando cada elétron individual assume a mesma direção, isso constitui uma quebra de simetria e é sinal de que aconteceu uma mudança significativa ocorreu no material.
Exemplos dessas mudanças, também chamadas de transição de fase, incluem a água líquida se congelar em gelo ou fervendo em vapor. Um material que passa de um estado não condutor para um estado super-condutor é um outro tipo de transição de fase.
“Pense no ímã de uma porta de uma geladeira”, explica Eun-Ah Kim, professor assistente de física em Cornell. “Esse tipo de ímã funciona porque todos os spins dos elétrons apontam em uma mesma direção, em lugar de fazê-lo aleatoriamente. Uma “escolha” espontânea dessa natureza é chamada de quebra de simetria”.
No caso da equipe que trabalhou com o material de óxido de cobre, a quebra de simetria apareceu nas imagens de cupratos feitas por um microscópio de escaneamento por tunelamento operado pelos pesquisadores no Laboratório Nacional Brookhaven em Nova York.
Kim diz que a descoberta apresenta “uma oportunidade para todo um novo estágio de pesquisas. Nós obtivemos um mapa dessa quebra de simetria; agora podemos estudar experimentalmente como ela afeta a super-condutividade”. A descoberta aponta ainda para um modelo teórico que pode explicar o mecanismo de super-condutividade de alta temperatura.
Chegar ao fundo dessa quebra de simetria nos cupratos pode eventualmente auxiliar os cientistas a criarem novos materiais que exibam super-condutividade a temperaturas cada vez mais altas.
“Resolver o mistério de como alguns materiais pode exibir super-condutividade em algo próximo da temperatura ambiente, é importante”, diz Kim. “Mas também existe um elemento de genuína curiosidade. Descobrir os segredos de um comportamento coletivo de um número astronômico de elétrons, é como descobrir uma nova galáxia”.
Para esta pesquisa, contribuíram cientistas da Universidade Cornell; Laboratório Nacional Brookhaven; Universidade Binghamton,
Binghamton, NY; Universidade de Tokyo; Laboratório de Materiais Magnéticos,
Saitama, Japão; Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coréia; Instituo Avançado de Ciência e Tecnologia Industrial, Ibaraki, Japão; e Universidade de St. Andrews, Fife, Escócia.
O relatório da pesquisa foi publicado na edição de 15 de julho da Nature.
A pesquisa teve o apoio da Divisão de Pesquisa de Materiais da NSF.
Macro-efeito quântico
[Traduzido de: Measuring the Intersection of Two Worlds ]
Como as surpreendentes leis da mecânica quântica podem afetar objetos comuns do dia-a-dia
Por Holly
Martin
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Alex Rimberg (esquerda) e Miles Blencowe publicam suas descobertas na Nature. |
30 de junho de 2010
Em um estudo publicado na edição de 1 de julho da Nature, pesquisadores de
Dartmouth descrevem um exemplo onde o mundo quântico microscópico influencia – até mesmo domina, dizem eles – o comportamento de algo no clássico mundo macroscópico.
“Uma das pricipais questões da física tem a ver com a conexão entre os mundos microscópico e macroscópico”, diz Alex Rimberg, professor associado de física no Dartmouth
College.
No mundo microscópico, pequenas partículas sub-atômicas, tais como fótons e elétrons, obedecem às leis, por vezes bizarras, da mecânica quântica. Enquanto isso, os objetos no mundo macroscópico, quase sempre algo visivel a olho nu, agem conforme as leis da física clássica, descobertas por Newton no século XVII.
Porem, pouco mais de 300 anos após Newton, Einstein provou que a luz é feita de pequenos “pacotes” de energia, chamados de “quanta”. Essa descoberta marcou o início da teoria quântica, embora tenha levado décadas de trabalho subsequente de várias grandes mentes científicas para finalmente estabelecer a moderna teoria da mecânica quântica.
Uma das leis mais estranhas da mecânica quântica é o Princípio de Incerteza, observado pela primeira vez pelo físico alemão e ganhador do Prêmio Nobel Werner Heisenberg em 1927. Heisenberg percebeu que quando se tenta localizar uma partícula rápida, tal como um elétron, é impossível estabelecer precisamente ao mesmo tempo sua posição e seu momento.
“Para realizar uma medição, uma experiência tem que interagir com seja o que for que esteja sendo medido”, explica Rimberg. “Porém essa interação afinal significa que se deve exercer alguma força sobre o que se está medindo. Se estivermos medindo a posição de um objeto, qualquer medição fará com que o objeto se mova de maneira aleatória e imprevisivel”. Essa tendência a afetar aleatoriamente o que se está medindo é chamada de “backaction” [NT: “backaction” é o termo que descreve, em inglês, o “coice” de uma arma de fogo. O termo técnico em português para isso é “recuo” que também não descreve adequadamente o fenômeno de uma “reação”, não necessariamente aquela prevista na mecânica clássica].
Einstein jamais conseguiu aceitar essa ideia – que o ato de medir modificasse o objeto sendo medido – por uma questão filosófica e a combateu até seu último alento. Mas atualmente se sabe que o Princípio da Incerteza é válido para todas as interações a nivel quântico.
O que ainda não se sabe é como os mundos quântico e clássico se relacionam. “O que realmente não compreendemos é como o comportamento clássico emerge do comportamento quântico à medida em que os sistemas se tornam cada vez maiores”, explica Rimberg. “Nós tambem não compreendemos verdadeiramente o quanto a mecânica quântica pode influenciar no mundo clássico onde vivemos”.
Tornando a coisa real
Rimberg
e seu colega Miles Blencowe, financiados pela Fundação Nacional de Ciências (NSF), lideraram uma equipe de pesquisadores que demonstrou eventos de mecânica quântica causando efeitos no mundo clássico.
Os cientistas não se propunham a realizar isto desde o início, ressalva Rimberg. Na verdade, eles estavam tentando medir rápidas mudanças em cargas em escala nanométrica.
Para tanto, eles primeiramente criaram minúsculos cristais semicondutores, similares a um chip de computador, cada um com cerca de 3 mm de largura. Eles depositaram portas elétricas de ouro por cima do cristal, deixando um pequenino intervalo de poucas centenas de micrômetos no meio do chip. Esse intervalo é chamado de “contato de ponto quântico”, ou CPQ.
Quando se liga o chip a um circuito elétrico, os elétrons fluem através dos contatos de metal até atingirem o CPQ. E foi aí que eles começaram a observar uma das esquisitices da mecânica quântica.
“Se pode pensar no CPQ como uma espécie de barreira, uma muralha para os elétrons”, explica Rimberg. “Quando a muralha é suficientemente alta, os elétrons não tem energia suficiente para saltá-la. Se os elétrons fosem objetos clássicos, isso seria o fim do caminho. Mas, já que os elétrons obedecem as leis da mecânica quântica, em lugar de tentar saltar a muralha, eles podem tentar um tunelamento quântico e passar atavés dela”.
Assim, quando uma corrente de elétrons se aproxima de um CPQ, cada elétron na corrente “escolhe” aleatoriamente ser refletido pela barreira ou passar através dela.
“Esse processo aleatório introduz ruido na corrente elétrica, causado pelas flutuações aletórias do número de elétrons que passa através, em um dado momento”, prossegue Rimberg. “Como esse ruido é gerado pela mecânica quântica, algumas vezes é chamado de ruido quântico”.
Medindo o ruido quântico
Para esta experiência, os cientistas usaram cristais semicondutores feitos de arseniato de gálio, o qual exibe uma propriedade chamada piezoeletricidade. O termo “piezoelétrico” signiifica que uma corrente elétrica que passa pelo cristal, causa um movimento mecânico ou físico no próprio cristal, de maneira parecida com o jeito que uma esponja se expande quando absorve água.
Cristais piezoelétricos são por vezes chamdos de ressonadores, porque eles são capazes de ressoar, ou vibrar, em resposta a sinais elétricos. Esses ressonadores podem se mover de maneiras diiferentes – esticando ou se dobrando – dependendo da frequência do sinal e do formato do cristal.
“A vibração tridimensional de um cristal ressonador é exatamente igual à vibração que se obtem ao golpear um diapasão, ou ao esfregar um dedo molhado pela borda de um copo de vinho”, explica Rimberg. “O copo (ou o diapasão) começa a emitir uma nota musical; isto acontece porque existe um tipo de padrão de vibração, determinado por sua geometria, no qual os átomos do copo partiicipam coletivamente”.
Do mesmo jeito, os elétrons que saltam através da “muralha” do CPQ aplicam uma força de “recuo” aleatória sobre o cristal, segundo Rimberg. Nesse caso, a força do recuo apenas aconteceu de fazer o cristal vibrar em uma de suas frequências favoritas. Quando os pesquisadores mediram a corrente elétrica em função da frequência e encontraram fortes picos que indicavam que o recuo estava criando um feedback, isso os pegou de surpresa.
“Nem eu, nem ninguem mais previu as características espectrais que indicavam que as amostras estavam vibrando”, disse Rimberg. “Levou um bocado de tempo e esforço para nos convencermos que se tratava de um efeito real e mais tempo e esforço ainda para perceber do que se tratava”.
A incerteza em ação
“No nosso caso, a corrente que passa pelo PCQ dá informações sobre a posição do cristal semicondutor onde o PCQ está alojado”, diz Blencowe. “Porem, por causa do ruido quântico na corrente, em qualquer dado instante acontecem flutuações aleatórias no número de elétrons (da ordem de 10.000, mais ou menos) em ambos os lados do PCQ”.
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Uma micrografia óptica de uma das amostras medidas pela equipe de pesquisa. |
E porque esses elétrons tem uma carga elétrica, eles exercem uma força piezoelétrica no cristal, fazendo-o se mexer. “A coisa notavel é que apenas 10.000 e poucos elétrons são capazes de fazerem todos os 1020
(100 quintillhões) de átomos no cristal se mexerem ao mesmo tempo”, diz Blencowe.
“A diferença de tamanho dos dois lados do sistema é realmente extrema, explica Blencowe. “Para por as coisas em perspectiva, imagine que os 10.000 elétrons correspondam a algo pequeno, porém macroscópico, tal como uma mosca. Para completar a analogia, o cristal teria que ter o tamanho do Monte Everest. Se conseguirmos imaginar uma mosca pulando em cima do Everest e fazendo ele se mexer, ainda teríamos as vibrações na casa de metros!”
“Nosso trabalho é um exemplo direto do mundo quântico microscópico influenciando e até dominando o comportamento de algo do mundo clássico macroscópico”, diz Rimberg. “Os movimentos do cristal semicondutor não são dominados por algo clássico como o movimento térmico, mas pelas flutuações quânticas aleatórias no número de elétrons tunelados”.
E, nesse caso, sublinha Rimberg, o mundo macroscópico tambem influencia o mundo quântico porque as vibrações do cristal fazem com que os elétrons tunelem em grandes grupos.
Em pequisas futuras, a equipe pode seguir em várias direções. “Primeiro, nós vamos mesmo usar o PCQ para detectar as cargas, coisa que sempre foi nossa intenção”, diz Rimberg. “Segundo, vamos continuar examinando as questões referentes à transição quântico-clássica, mas com ressonadores menores do que esses cristais – coisas que ficam na fronteira nebulosa entre os reinos mais conhecidos das mecâncias quântica e clássica”. Essa fronteira é chamada por alguns de escala “mesoscópica”.
Daryl Hess, diretor de programa na Divisão de Pesquisas de Materiais da NSF declarou: “O estudo desses tipos de sistemas representa um avanço no conhecimento básico e também aborda algumas questões práticas que incluem: quais são os limites fundamentais das medições? E qual é o dispositivo de medição mais sensível que se pode fazer?”
“Questões desse tipo se tornam cada dia mais prementes, à medida em que nossas ciência e tecnologia encolhem para escalas cada vez menores, onde se vislumbra dispositivos, eletrônicos e mecânicos, com talvez apenas alguns átomos de dimensões”, acrescenta Hess. “Nessas escalas, os dispositivos podem apresentar aspectos que recaem diretamente no mundo da mecânica quântica e outros que recaem diretamente no mundo da mecânica clássica”.
Maiores esclarecimentos podem ser pedidos a Maria Zacharias na NSF (mzachari@nsf.gov) ou Sue Knapp em Dartmouth sue.knapp@dartmouth.edu.
O mistério dos elétrons pesados
[ Original em inglês: First Images of Heavy Electrons in Action ]
Descobertas revelam características de uma “ordem oculta” em um composto de urânio incomum e confirmam a validade de um novo processo para investigar um antigo problema da física
2 de junho de 2010
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UPTON, NY — Empregando um microscópio projetado para imagear a disposição e as interações de elétrons em um cristal, os cientistas capturaram as primeiras imagens de elétrons que parecem ganhar uma massa extraordinária em certar condições extremas. A técnica revela a origem de uma peculiar transição de fase dos elétrons em um material particular e abre novas portas para futuras explorações das propriedades e funções dos, assim chamados, férmions pesados.
Os cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven, do Laboratório Nacional Los Alamos (ambos do Departamentode Energia dos EUA) e da Universidade McMaster, descrevem seus resultados na edição de 3 de junho de 2010 da Nature.
“Os físicos tem-se interessado pelo ‘problema’ dos férmions pesados —
o motivo pelo qual esses elétrons se comportam como se tivessem centenas ou milhares de vezes mais massa em certas condições — por trinta ou quarenta anos”, declara o líder da pesquisa Séamus Davis, um físico do Brookhaven e J.D. White
Distinguished Professor of Physical Sciences na Universidade Cornell. A compreensão do comportamento dos férmions pesados poderia levar ao projeto de novos materiais para supercondutores de alta temperatura. A supercondutiividade permite que os materiais transportem corrente sem perdas de energia.
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No presente estudo, os cientistas estavam imageando as propriedades dos elétrons em um material composto de urânio, rutênio e silício, material este que, ele próprio, tem sido objeto de um mistério científico por 25 anos. Nesse material — sintetizado pelo grupo de Graeme Luke na McMaster — os efeitos dos férmions pesados começam a aparecer quando o material é resfriado abaixo dos 55 kelvin (-218 °C). A partir daí, uma transição de fase dos elétrons, ainda mais incomum, ocorre abaixo de 17.5K.
Os cientistas vinham atribuindo essa transição de fase na temperatura mais baixa a alguma forma de “ordem oculta”. Eles não podiam distinguir se ela era relacionada com o comportamento coletivo dos elétrons agindo como uma onda, ou com interações dos elétrons individuais com os átomos de urânio. Alexander
Balatsky, um físico teórico do Los Alamos no Centro de Nanotecnologias Integradas, forneceu a orientação sobre como examinar este problema.
Com essa orientação, o grupo de Davis empregou uma técnica que eles projetaram para visualizar o comportamento dos elétrons para “ver” o que os elétrons estavam fazendo ao passarem pela misteriosa transição de fase. A técnica, imageamento espectroscópico por escaneamento por microscopia de tunelamento (spectroscopic imaging scanning tunneling microscopy = SI-STM),
mede o comprimento de onda dos elétrons na superfície do material com relação a suas energias.
“Imagine o sobrevoo a um corpo de água onde ondas estacionárias se movem para baixo e para cima, mas sem se propagar em direção a uma costa”, sugere Davis. “Quando você passar pelas cristas, pode tocar a água; quando você passa pelos vales, não pode. Isso é parecido com o que nosso microscópio faz. Ele imageia quantos elétrons podem saltar para a ponta de nossa sonda em todos os pontos da superfície”.
A partir do comprimento de onda e medição da energia, os cientistas conseguem calcular a efetiva massa dos elétrons.
“Esta técnica revela que estamos lidando com elétrons muito pesados — ou elétrons que agem como se fossem extremamente pesados porque há algo que os freia”, diz Davis.
A detecção de características de “elétrons pesados” abaixo da temperatura da segunda transição de fase fornece um indício experimental direto de que os elétrons estão interagindo com os átomos de urânio, em lugar de atuarem como uma onda.
Para visualizar isto, imagine uma equipe de atletas que tem que cruzar de um lado a outro um campo de futebol. Se todos os atletas pudessem correr livremente, a equipe como um todo pareceria funcionar como uma onde de “elétrons” relativamente independentes. Em lugar disso, imagine agora que se distribui uma arranjo de cadeiras pelo campo e que cada atleta tem que se sentar por algum tempo em cada cadeira que encontrar a sua frente, antes de prosseguir na corrida. Essas cadeiras desempenham o mesmo papel que os átomos de urânio. A interações entre atletas e cadeiras – ou elétrons e átomos de urânio – claramente retarda o progresso.
No caso do material com urânio, o retardamento dos elétrons se dá por uma pequena fração de segundo em cada átomo de urânio. Mas, como a energia cinética e a massa são matematicamente relacionadas, o retardamento faz parecer que os elétrons tenham uma massa maior do que a de um elétron livre.
Além de revelar essas interações como a causa da “ordem oculta” no composto de urânio, o estudo de Davis demonstra que a técnica SI-STM pode ser usada para visualizar elétrons pesados, o que, por sua vez, abre novas portas para investigar e visualizar tal fenômeno.
A equipe de pesquisa continua a sondar vários outros compostos similares com esta nova técnica, para ampliar sua compreensão do fenômeno dos sistemas de férmions pesados.
“Os férmions pesados continuam sendo misteriosos de várias maneiras e é nosso trabalho como cientistas solucionar o problema”, declara Davis.
Esta pesquisa for financiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA e, no Canadá, pelo Conselho de Pesquisas de Ciências Naturais e Engenharia, e pelo Instituto Canadense de Pesquisa Avançada. Em Brookhaven, esta pesquisa foi apoiada como parte do Centro de Supercondutividade Emergente, um Centro de Pesquisas de Fronteiras da Energia financiado pelo Escritório de Ciência do Deparatamento de Energia dos EUA.
A melhor ilusão de óptica de 2010
11 de maio de 11, 2010
Por Devin Powell
Inside Science News Service
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Movimento Impossível |
WASHINGTON (ISNS) — No dia 10 de maio, o cientista japonês Kokichi Sugihara anunciou a descoberta de uma tecnologia que qualquer estudante sabe ser impossível: um magneto que atrai madeira. Na frente de centenas de pessoas, ele exiibiu um video que mostra quatro bolas de madeira rolando para cima por quatro rampas, supostamente atraidas encosta acima por seu novo super-magneto.
A audiência aplaudiu entusiasticamente, embora ninguém tivesse acreditado que realmente houvesse magnetos por trás da demonstração de desafio à gravidade.
Isto porque Sugihara e outros estavam exibindo as mais recentes ilusões visuais – projetadas para enganar a mente e fazê-la ver o impossível – durante o 6º Festival Anual do Concurso A Melhor Ilusão do Ano no Philharmonic Center for the Arts, na cidade de Naples, Flórida.
O engenhoso dospositivo de rampas e bolas de madeira de Sugihara ganhou o primeiro prêmio, derrotando outros 83 competidores.
O evento, que se realiza durante uma convenção da Sociedade de Ciências Visuais, atrai artistas e pesquisadores que estudam a “ginástica mental” realizada por nossos cérebros para conseguir fazer sentido do que nossos olhos veem. Os participantes se reunem anualmente para conhecer e aprender com as novas ilusões produzidas a cada ano.
Sugihara criou sua ilusão com um programa de computador que testou como diferentes disposições de rampas pareceriam, vistas de diferentes ângulos. O padrão final em forma de cruz contem quatro rampas de diferentes comprimentos que, obviamente, se inclinam para baixo em direção ao centro, menos por um único ponto de vista. Apenas deste ângulo “certo”, a mente decide que é mais simples ver quatro rampas de igual comprimento que se elevam em direção ao centro.
“Nós preferimos enxergar formas retangulares”, afirma Sugihara do Instituto Meiji para Estudos Avançados de Ciências Matemáticas em Kawasaki,
Japão.
Daniel Simons da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, se vestiu a caráter para a ocasião, exibindo um video dele próprio em uma fantasia de gorila, para demonstrar os limites da percepção que temos de nosso ambiente. Ele reproduziu uma experiência de seis anos atrás que pede aos espectadores que contem o número de vezes que jogadores de basquete passam a bola. Cerca de metade das pessoas que assiste ao video, não consegue perceber um gorila passando pelo meio do jogo.
Poré, desta vez, Simons avisou o público antes. Esperando pelo inesperado, eles viram o gorila, mas deixaram passar outras mudanças no cenário: cortinas que mudavam de cor, jogadores de basquete que abandonavam o jogo e um homem fantasiado de pirata.
Muitas das ilusões revelam distorções no que vemos, baseadas em nossas experiências anteriores.
Cartazes com anúncios, por exemplo, podem parecer tri-dimensionais sem o uso de óculos 3D, de acordo com a finalista Lydia Manitis da Universidade Americana em Washington, D.C. Uma foto de uma banheira parecia esticar e encolher na medida em que ela andava próximo com uma câmara de video. Ela mudava de formato e tamanho da mesma forma que uma banheira de verdade em uma banheiro de verdade o faria, refletindo uma mudança na perspectiva.
Peter Thompson, um psicóloogo na Universidade de York, Reino Unido, mostrou que as pessoas parecem mais magras de cabeça para baixo. Em sua ilusão, um rosto de cabeça para baixo – ou uma face apenas com os olhos e a boca de cabeça para baixo – parece mais estreito, por causa da maneira como prestamos atenção às características faciais.
O segundo lugaar ficou com Bart Anderson da Universidade de Sidney,
Australia, por uma animação na qual um quadrado parece aparecer acima de círculos que se movem para a frente e para trás – um fantasma produzido pelas tentativas feitas pelo cérebro para resolver o que ele está vendo.
Os troféus dos vencedores, esculturas criadas pelo artista italiano Guido
Moretti, são eles mesmos ilusões visuais que mudam de forma, dependendo do ângulo pelo qual são vistos.
Para ver todos os outros finalistas, visite a página da Neural Correlate Society.
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!
De onde vêm os raios cósmicos
[ Link para o original em inglês: Where Cosmic Rays Come From ]
Um telescópio orbital rastreia os poderosos raios cósmicos até sua fonte.
16 de fevereiro de 2010
Por Phillip F. Schewe
Inside Science News Service
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Crédito: NASA|DOE|Fermi LAT Collaboration |
WASHINGTON (ISNS) — Um novo mapa dos céus, feito com um telescópio sensível ao tipo mais poderoso de luz, chamado radiação gama, mostra que alguns raios cósmicos estão vindo dessas explosões estelares chamadas supernovas. Os novos mapas devem proporcionar aos astrônomos uma oportunidade melhor para entender o nascimento dos misteriosos raios.
Os raios cósmicos são partículas de alta energia que permeiam o universo. Alguns deles batem de encontro à atmosfera da Terra, disparando uma cascata de putras partículas que são detectáveis do chão. Uma teoria popular supõe que os raios cósmicos são criados em supernovas. Mas até agora isso se mostrou difícil de comprovar. Esses raios têm que vir de partes distantes de nossa galáxia, ou mesmo de outras galáxias distantes. Forças magnéticas podem desviar os raios durante sua jornada através do espaço, confundindi nossa percepção sobre sua origem.
É aí que entra em cena o Telescópio Espacial de Raios Gama “Fermi”. Lançado em órbita da Terra em 2008, o Fermi observa alguns dos mais violentos eventos do espaço – inclusive supernovas. Os cientistas acreditam que alguns raios cósmicos se afastam das estrelas em explosão e,. então, colidem com nuvens de gás no espaço das proximidades, onde são convertidos em luz gama. Sem sofrer os efeitos do magnetismo no espaço, é essa luz que continua em direção da Terra, eventualmente atingindo o telescópio Fermi.
O telescópio funciona como uma enorme câmera digital que tira imagens dos escombros de supernovas. Como a luz pode levar centenas ou milhares de anos para completar a viagem até nosso planeta, a luz que podemos ver agora, mostra a supernova como ela era a séculos ou milênios atrás.
A capacidade avançada de imageamento do telescópio Fermi apresenta uma nova visão dos remanescentes das supernovas para este tipo de luz gama. As novas imagens nítidas e a explicação por trás delas, foram tornadas públicas durante um congresso da American Physical Society ocorrido nesta semana em Washington, D.C.
Um dos cientistas envolvidos, o físico de Stanford Stefan Funk, disse que as imagens gama, combinadas com observações feitas com outros telescópios sensíveis a outras faixas de luz, permitiram aos astrônomos confirmar que muitos dos raios cósmicos de alta energia vêm de supernovas.
Mais quente que o Inferno
A mais alta temperatura no universo
Pequenas explosões embaixo de Long Island recriam o universo de 14 bilhões de anos atrás
15 de fevereiro de 2010
Por Devin Powell
Inside Science News Service
WASHINGTON
(ISNS) — O lugar mais quente da Terra não fica no Vale da Morte da Califórnia, nem mesmo em seu núcleo derretido. O título fica com um túnel 4 metros abaixo da neve que agora cobre Long Island, New York – onde pequenas explosões, mais cegantes do que uma boma atômica, ocorrem todos os dias.
As feéricas explosões, criadas por um “esmagador de átomos” no Brookhaven National Laboratory em Upton, estabeleceram um novo recorde para a mais alta temperatura já medida: 4 trilhões de graus Celsius. Isso é muitíssimo mais quente do que o centro do Sol (uns meros 15 milhões de graus) e cerca de 40 vezes mais abrasador do que as supernovas criadas nas explosões de estrelas moribundas.
“É uma temperatura maior do que qualquer coisa que conhecemos no universo”, diz o físico Steven Vigdor do
BNL, um membro da equipe que relatou o novo recorde em 15 de fevereiro em um congresso da American Physical Society em Washington, D.C.
No entanto, Vigdor e seus colegas não estão criando armas a partir de suas bolas de fogo recordistas dos subterrâneos. Cada uma destas explosões é muito menor do que um átomo, pequenina demais para ser destrutiva.
Os cientistas estão viajando no tempo.
Suas experiências visam recriar o primeiro microssegundo após o Big Bang, quando, se metessem um termômetro no recém-nascido universo, obteriamos uma leitura de alguns trilhões de graus. Antes dos primeiros planetas, galáxias, ou mesmo átomos, o espaço era preenchido por uma sopa quente de pequeninas partículas chamadas quarks e gluons, de acordo com as recentes teorias.
Agora, pela primeira vez, essas teorias foram definitivamente confirmadas. As temperaturas extremas das explosões dos cientistas certificam que eles conseguiram cozinhar pequenas gotas dessa sopa primordial – uma substância chamada de “plasma de quark-gluon” que não existia mais há 14 bilhões de anos.
Como cozinhar uma sopa subatômica
A receita para o plasma quark-gluon precisa de trilhões de ions de ouro – os íons são átomos cuja cobertura externa de elétrons foi arrancada, de forma que só seus centros sólidos permanecem. Esses pesados íons de ouro são acelerados até perto da velocidade da luz no Colisor Relativístico de Íons Pesados (Relativistic Heavy Ion Collider – RHIC, ou simplesmente “Rick”), uma pista de corrida circular subterrânea de 3.834 metros.
Dois feixes cheios de partículas de ouro viajam em direções opostas em torno de duas pistas do circuito circular. Onde as pistas de cruzam, os feixes se cruzam. A maior parte dos pedacinhos de ouro zunem incólumes pelos outros, mas alguns deles colidem com os outros e explodem.
“Nós analisamos cerca de mil colisões por segundo, cerca de um bilhão no total”, diz Barbara
Jacak da Universidade Stony Brook em New York.
Com o calor gerado por uma colisão de frente, os íons de ouro se fragmentam em partículas que, por sua vez, se fundem – criando uma gotícula de plasma ultra-quente de quark-gluon não maior do que um átomo.
“Nós estamos despejando uma enorme quantidade de energia em um volume muito pequeno”, explica Vigdor.
Esse plasma só existe por um breve instante. Se um segundo fosse do tamanho de todas as praias do planeta, a duração da existência do plasma seria menor do que um grão de areia.
Extremamente pequeno e incrivelmente breve
Como é que os cientistas medem a temperatura de algo que acontece por tão pouco tempo e em um espaço tão pequenino?
Os detectores do RHIC não pode ver diretamente o plasma quark-gluon. Em lugar disso, eles trabalham sobre os indícios deixados depois da colisão dos íons de ouro.
As colisões criam pequenos clarões de luz, registrados pelos detectores. Muitas colisões somadas produzem um brilho que pode ser medido para calcular suas temperaturas.
Outras peças de indícios revelaram em 2005 que esse plasma quark-gluon é um líquido quase que sem fricção, semelhante à água porém ainda mais suave. Há quatorze bilhões de anos, todo o universo fluiu por uma fração de segundo.
As experiências vão continuar em Long Island e no Large Hadron Collider na Suíça, buscando chocar íons ainda mais pesados a energias ainda mais altas e a temperaturas que levam os cientistas ainda mais próximos do momento mais quente da história – o próprio Big Bang.
O texto deste artigo está disponível para a midia, com a condição exclusiva de que todo o material produzido pelo Inside Science News Service receba total crédito. Para mais detalhes, contacte o ISNS em InsideScience@aip.org
Raios em erupções vulcânicas
Um tipo de raio vulcânico foi descoberto durante a erupção do Monte Redoubt em janeiro de 2009.
26 de janeiro de 2010
Por Emilie Lorditch
Inside Science News Service
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Raios na nuvem de cinzas no topo do Monte Redoubt na erupção de 28 de março Crédito: Bretwood Higman, GroundTruthTrekking.org |
“Os sismógrafos estavam na verdade captando a queda de raios”, lembra McNutt. “Eu sabia que tinha que sair à procura de físicos que estudassem os raios”.
Quando a curiosidade de McNutt sobre raios vulcânicos começou a lançar faíscas, ele se associou ao físico e engenheiro elétrico Ronald Thomas e à estudante de pós-graduação Sonja Behnke, que estudava física atmosférica no Instituto de Mineração e Tecnologia do Novo México em Socorro, formando uma equipe ímpar para estudar melhor os raios vulcânicos.
Quando o vulcão do Monte Redoubt começou a apresentar atividade sísmica em janeiro de 2009, McNutt avisou Thomas e Behnke esta seria uma grande oportunidade para capturar alguns dados novos sobre raios vulcânicos. Quando o vulcão entrou em erupção em março, a equipe já tinha quatro Dispositivos de Mapeamento de Raios (Lightning Mapping Arrays = LMA) posicionados para monitorar os raios emitidos pela erupção.
“O LMA é basicamente uma velha antena de TV, calibrada para receber o canal 3 – a mesma frequência de irradiação dos raios”, explica Behnke.
Posicionar os LMAs a cerca de 80 km do vulcão, através de um curso d’água conhecido como Cook Inlet no centro-sul do Alaska pode não parecer o posicionamento ideal, mas, como explica a equipe, existem obstáculos para a colocação dos LMAs próximo do vulcão.
“Nós não poidíamos posicionar os LMAs no vulcão, porque este é um lugar remoto e selvagem e as estações precisam de energia e de internet para funcionar”, lembra Thomas.
Quando começaram a chegar os dados da erupção, a equipe encontrou algo inesperado.
“Vimos vários raios – de 20 a 30 minutos de raios”, recorda Thomas.
“Vimos ainda mais raios do que normalmente se vê durante uma grande trovoada”.
Não só a quantidade de raios era atípica, como também o tipo de raios que vinham do vulcão.
“No momento em que a erupção começou, apareceram essas centelhas vindas da chaminé do Redoubt que duravam apenas entre 1 e 2 milissegundos”, diz McNut. “Esse era um tipó diferente dos raios que tinhamos visto antes”.
Os habitantes da região e os cientistas que testemunharam as explosivas erupções do Monte Redoubt descreveram os eventos como uma visão de tirar o fôlego.
“Todos eles disseram que foi o maior espetáculo de raios que eles jamais viram”, afirma Thomas.
A equipe também esteve estudando como os recém-descobertos raios vulcânicos se comparam aos conhecidos raios de trovoadas.
“É algo fascinante aprender como os raios vulcânicos são semelhantes – e, no entanto, tão diferentes – dos raios de trovoadas”, afirma Behnke.
Vendo os cristais crescerem
Traduzido de: Watching Crystals Grow May Lead to Faster
Electronic Devices
Uma pesquisa que pode melhorar a manufatura das películas finas e livres de defeitos, necessárias para a fabricação de semicondutores
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Os átomos se depositam uns por cima dos outros, criando pontos ásperos nas finas películas usadas para produzir os semicondutores.
Crédito e imagem ampliada |
21 de janeiro de 2010
Observe o crescimento de um cristal neste vídeo.
A busca por dispositivos eletrônicos mais rápidos esbarrou recentemente em um verdadeiro calombo. Os cientistas da Univesidade Cornell, Ithaca, N.Y., descobriram que as películas cristalinas finas e lisas para a fabricação de semicondutores, que são a base dos computadores modernos, podem ser feitas ainda mais lisas se controlarmos os rápidos movimentos aleatórios das partículas atômicas que afetam a maneira como os cristais crescem.
Segundo Charles Ying, diretor de programa da Divisão de Pesquisas de Materials da Fundação Nacional de Ciências (NSF), “O principal benefício de películas cristalinas lisas para dispositivos eletrônicos é que os elétrons podem ir de um lugar a outro dentro do dispositivo com um mínimo de disrupção. Isso, por sua vez, permite dispositivos eletrônicos mais rápidos e um menor consumo de energia”.
A pesquisa é parcialmente financiada pelo Centro Cornell de Pesquisa de Materiais, que tem o apoio da NSF. As descobertas estão sendo publicadas na edição online de hoje da Science.
Liderados pelo professor assistente de física Itai Cohen da Cornell, os pesquisadores recriaram as condições de crescimento de um cristal camada por camada, usando partículas muito maiores do que átomos, porém pequenas o bastante ainda para se comportarem como átomos. Da mesma forma que se usa bolas de praia para modelar o comportamento da areia, os cientistas
usaram uma solução de pequenas esferas de plástico 50 vezes menores do que um fio de cabelo para reproduzir as condições que levam à cristalização na escala atômica. Com esta modelagem precisa, eles puderam observar como as camadas cristalinas crescem.
Usando um microscópio eletrônico, os cientistas puderam observar exatamente o que seus “átomos” – na verdade partículas de sílica de tamanho medido em mícrons, suspensas em um fluido – faziam ao se cristalizarem. Além disso, eles ainda foram capazes de manipular partículas individuais, uma de cada vez, e testar as condições que levam ao crescimento de uma película cristalina lisa.
“Essas partículas são grande e lentas o bastante para podermos ver o que acontece em tempo real”, explica o estudante de pós-graduação Mark Buckley. Com essa observação, os pesquisadores descobiram que os rápidos movimentos aleatórios de uma partícula são um fator chave que afeta o modo como os cristais crescem.
Enquanto alguns materiais crescem em cristais lisos, outros tendem a desenvolver calombos e defeitos – o que é um sério problema para a manufatura de películas finas. Os pesquisadores estão tentando melhorar o processo na escala atômica, mas a principal dificuldade para a fabricação de películas lisas é que os átomos frequentemente formam aleatoriamente pilhas, em lugar de se cristalizarem em finas películas.
Isto acontece porque , quando os átomos são depositados em um substrato, eles formam inicialmente pequenos cristais, chamdos “ilhas”. Quando se despeja mais átomos por cima desses cristais, os átomos tendem a ficar no topo das ilhas, em lugar de escorrerem pelas bordas. Isso cria os indesejados pontos ásperos e, segundo Cohen, se a ideia é criar uma película lisa, isso é “game over”.
A teoria convencional diz que os átomos que pousam no topo das ilhas sofrem um “puxão” energético dos outros átomos que os impede de rolar pelas bordas. No sistema usado na experiência, os pesquisadores eliminaram esse puxão, encurtando as ligações entre as partículas. No entanto, eles ainda observaram que suas partículas hesitavam nas bordas das ilhas.
Uma análise mais profunda, com o uso de pinças ópticas que manipulavam partículas individuais, permitiu aos pesquisadores medir quanto tempo as partículas levavam para sair das ilhas de cristal. Como as partículas estavam em suspensão em um fluido que as fazia se moverem, elas exibiam moviemtno browniano. Na medida em que as partículas se moviam e se difundiam de uma área para outra, os pesquisadores notaram que a distância que uma partícula tinha que percorrer para “cair” da borda de uma ilha era três vezes maior do que para se mover lateralmente de um ponto da ilha para outro. E, como essa distância tinha que ser percorrida em movimento browniano, o percurso podia ficar até nove vezes mais comprido até a “queda”. Essa diferença explica porque os pesquisadores ainda observavam uma “barreira” nas borda das ilhas.
Os átomos em uma película cristalina atômica se movem de uma maneira semelhante ao movimento browniano, uma vez que as vibrações do cristal subjacente, chamadas fonons, tendem a empurrá-los de cá para lá. Os pesquisadores supõem que, além das ligações interatômicas, esse movimento aleatório também possa contribuir para a barreira na borda das ilhas do cristal e, desta forma, para a aspereza da película de cristal.
“Se os princípios que descobrimos puderem ser aplicados na escla atômica, os cientistas serão capazes de controlar melhor o crescimento das finas películas usadas na manufatura de componentes para nossos computadores e celulares”, afirma Cohen.
Os autores do artigo são o antes doutor-associadohe Rajesh Ganapathy, agora membro do corpo docente do Centro Jawaharlal Nehru para Pesquisa Científica Avançada em Bangalore, Índia, assim como Sharon Gerbode e Mark Buckley, estudantes de pós-graduação no laboratório de Cohen na Cornell.
Além da NSF,
o trabalho foi finanaciado por King Abdullah University of Science and
Technology e Cornell Nanoscale Science and Technology Facility.
