Desacelerador de moléculas abre fronteiras para química e física

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/02/2014

As moléculas perdem velocidade drasticamente quando são guiadas contra a força centrífuga no centro de um disco rotativo.[Imagem: MPI of Quantum Optics]

Freio a disco para moléculas

Lidar com moléculas individuais pode ser muito útil.

Por exemplo, o grande sonho da nanotecnologia é construir as coisas de baixo para cima - molécula por molécula ou, se possível, até mesmo átomo por átomo.

O problema é que as moléculas são muito agitadas: uma molécula de nitrogênio, por exemplo, normalmente está se movimentando a 1.700 km/h, o que é quase uma vez e meia a velocidade do som.

Agora, cientistas alemães deram um jeito de frear essas moléculas, colocando-as em uma velocidade mais civilizada - algo em torno de 70 km/h.

Sotir Chervenkov e Martin Zeppenfeld, do Instituto Max Planck, construíram o que eles chamam de um "freio a disco para moléculas".

O aparato é um desacelerador, que faz mecanicamente o que hoje exige aparatos criogênicos para esfriar as moléculas - baixar a temperatura também acalma as moléculas.

As moléculas têm sua rota guiada por eletrodos para o centro do desacelerador, onde enfrentam a força centrífuga do disco rotativo. O efeito produzido é o mesmo que levar as moléculas a uma temperatura de -272º C.

Desaceleração de átomos

O disco, medindo 40 centímetros de diâmetro, gira a uma velocidade de 43 rotações por segundo.

Em seu interior, eletrodos espaçados um milímetro um do outro alternam rapidamente de polaridade para guiar as moléculas e dirigi-las para o centro do desacelerador, o que faz sua velocidade cair rapidamente.

"A grande novidade na nossa desaceleração centrífuga é a sua operação contínua, o grande número de moléculas nos feixes de saída, a sua versatilidade de aplicação e sua relativa facilidade de manuseio," disse o professor Gerhard Rempe, membro da equipe.

Em princípio, átomos ou nêutrons também podem ser desacelerados por força centrífuga.

No entanto, estas partículas não são polares e, por isso, não poderiam ser guiadas através da centrífuga por campos elétricos.

Quatro eletrodos dirigem as moléculas polares da entrada da centrífuga, no canto inferior esquerdo, ao longo da borda do disco rotativo. Elas então espiralam para o centro do disco. Dois eletrodos estáticos, na parte lateral do disco, são mostrados em amarelo e verde, e os eletrodos montados no interior do disco aparecem em violeta e rosa. [Imagem: Sotir Chervenkov/MPI of Quantum Optics]

Física e química

Além de simplificar os experimentos e abrir caminho para o uso prático das reações observadas - que ocorrem em temperatura ambiente - o desacelerador gera um fluxo contínuo de moléculas, que podem então ser utilizadas para reagir quimicamente com outras moléculas, ou serem usadas no processamento quântico de informações.

Um fluxo contínuo de moléculas selecionadas é o grande sonho dos químicos, que poderão acompanhar reações precisas passo a passo.

Mesmo em laboratório, quando vistas em nível molecular as reações químicas são tipicamente "descontroladas", com os reagentes se encontrando por acaso e chocando-se violentamente uns com os outros.

Juntá-los de forma sistemática e em um ritmo que possa ser monitorado poderá permitir transformações que não ocorrem, ou que ocorrem muito raramente, quando tudo é deixado ao acaso.

Já os físicos da computação quântica poderão contar com "moléculas frias" produzidas de forma controlada e em configurações de experimentos que não podem ser obtidas com aparatos para produzir os gases frios que eles normalmente utilizam.

Ou seja, o aparelho relativamente simples cria novas fronteiras tanto para o campo da química, quanto da física.

Fonte: Inovação Tecnológica

Robôs-cupins dispensam projetos e engenheiros

Com informações da Science - 14/02/2014

Robôs-cupins podem trabalhar incansavelmente para construir as estruturas sem um planejamento centralizado.[Imagem: Eliza Grinnell/Harvard]

Estigmergia

Imagine pedir a uma equipe de robôs para que eles construam uma casa para você sem precisar lhes dizer como fazê-lo.

Pelo menos essa segunda parte - construir sem um projeto inicial - já é uma realidade para a equipe de robôs construída por engenheiros da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos.

Eles foram buscar inspiração nos cupins.

Ao contrário dos humanos, que necessitam de um projeto e de planejamento para construir algo complicado, os cupins constroem montes que têm centenas de vezes o seu tamanho sem uma estratégia inicial, sem coordenação central e com uma capacidade de comunicação entre indivíduos que é limitada.

Em vez de planejamento e controle, os cupins usam algo chamado estigmergia, um mecanismo de coordenação indireta que se baseia em dicas simples capturadas do ambiente e dos outros cupins.

Justin Werfel e seus colegas usaram a estigmergia para projetar algoritmos que refletem o comportamento dos cupins. A seguir, eles implementaram os algoritmos em um conjunto de robôs de construção.

Os cupins robóticos trabalham com blocos especialmente projetados - as cruzes em cada bloco ajudam os pesquisadores a monitorar o trabalho. [Imagem: Justin Werfel et al./Science]

Seguir as regras

Cada robô precisar ter apenas a capacidade de detectar um bloco ou outro robô para fazer seu trabalho, que consiste em capturar um bloco, mover-se seguindo uma matriz, depositar o bloco no próximo espaço livre, e recomeçar.

Embora cada robô seja capaz de seguir apenas algumas regras simples - como colocar um bloco em um espaço vazio ou iniciar uma nova fileira quando um nível ficou pronto - o resultado global é um comportamento inteligente, capaz de construir estruturas definidas pelo usuário.

Assim, em vez das etapas de um projeto, é o número de regras que cada robô conhece que é importante - quanto mais complexa for a estrutura a ser construída, maior será o número de regras que precisarão ser inseridas na programação dos robôs.

Os pesquisadores parecem ter planos grandiosos para seus cupins robóticos. [Imagem: Justin Werfel et al./Science]

Diques contra inundações

Segundo os pesquisadores, o conceito é interessante de um ponto de vista prático porque equipes de robôs com este tipo de controle independente e descentralizado são escalonáveis, ou seja podem ser adicionados tantos robôs quantos forem necessários para a execução de um projeto, sem ter que avisar ninguém - os novos robôs vão simplesmente se juntar ao time e começar a trabalhar.

O oposto também é verdadeiro, já que a perda de membros individuais não vai atrapalhar em nada o trabalho da equipe, tornando o sistema adequado para ambientes perigosos.

"A visão de longo prazo é que equipes de robôs como esta construam estruturas em grande escala para uso humano. Embora ainda tenhamos que percorrer um longo caminho para isso, uma aplicação de curto prazo poderia ser algo como a construção de pilhas de sacos de areia para proteção contra inundações," disse Werfel.

Bibliografia:

Designing Collective Behavior in a Termite-Inspired Robot Construction Team
Justin Werfel, Kirstin Petersen, Radhika Nagpal
Science
Vol.: 343 - PP. 754-758
DOI: 10.1126/science.1245842

Fonte: Inovação Tecnológica

Fusão nuclear fica um pouco mais próxima da realidade

Com informações da Nature e New Scientist - 13/02/2014

A cápsula de combustível é resfriada a 18 kelvin antes de ser atingida pelo disparo dos 192 lasers. [Imagem: Eduard Dewald/LLNL]

Fusão e ignição

O sonho de uma energia totalmente limpa, inspirada nas estrelas, continua brilhando - ainda que com um brilho oscilante como o de uma estrela distante.

Dentro do núcleo de uma estrela, o calor e a pressão descomunais fundem átomos de hidrogênio, criando núcleos de hélio e liberando grandes quantidades de energia.

No laboratório NIF (National Ignition Facility), nos Estados Unidos, os cientistas estão tentando obter um efeito similar disparando 192 feixes de laser em uma minúscula cápsula de ouro contendo deutério e trício, ambos isótopos de hidrogênio.

A cápsula, chamada hohlraum, implode, eventualmente gerando a fusão nuclear.

Agora, pela primeira vez o experimento alcançou um ganho líquido de energia, produzindo mais energia do que aquela absorvida pelo combustível para iniciar a reação.

Mas isso ainda está longe da ignição, a reação de fusão autossustentável, que terá um ganho global de energia.

O experimento disparou cerca de 10 quilojoules de energia na cápsula de combustível, que reemitiu cerca de 15 quilojoules. No entanto, a entrada total de energia para o sistema pelos lasers ficou perto de 2 megajoules - ou seja, a energia gerada é cerca de 0,5% da energia consumida.

"Este é um passo significativo na pesquisa da fusão nuclear. Mas ainda há um longo caminho pela frente para dispormos da fusão nuclear como fonte de energia," reconheceu Omar Hurricane, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, que opera o NIF.

Ao que tudo indica, a implosão da cápsula ocorre de forma irregular, impedindo a ignição da fusão autossustentada. [Imagem: O. A. Hurricane et al./Nature]

Coisa de filme

O NIF, que custou US$3,5 bilhões, entrou em operação em 2009, mas com poucos progressos - o laboratório perdeu o prazo para a ignição, estabelecido pelo Congresso dos EUA para setembro de 2012.

Então, em 2013, os cientistas rearranjaram os lasers de modo que três pulsos de laser atingissem a câmara hohlraum ao mesmo tempo, aquecendo o combustível mais rapidamente, e anunciaram estar a um passo de criar uma "miniestrela".

Mas nem tudo saiu como esperado. Ao que tudo indica, a implosão da cápsula ocorre de forma irregular, impedindo a ignição da fusão autossustentada, um problema que ainda terá que ser resolvido.

Recentemente o NIF ficou bem conhecido do público ao servir de local de filmagem para o longa-metragem Jornada nas Estrelas - o laboratório aparece como a "Engenharia" da nave Enterprise.

A fusão nuclear a laser é uma abordagem diferente da adotada pelo reator internacional ITER ou pelo alemão Wendelstein 7-X, mas é similar ao adotado pelos europeus Hiper e JET.

• Projeto de fusão nuclear começa a dar sinais de fissão

Bibliografia:

Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion
O. A. Hurricane, D. A. Callahan, D. T. Casey, P. M. Celliers, C. Cerjan, E. L. Dewald, T. R. Dittrich, T. Döppner, D. E. Hinkel, L. F. Berzak Hopkins, J. L. Kline, S. Le Pape, T. Ma, A. G. MacPhee, J. L. Milovich, A. Pak, H.-S. Park, P. K. Patel, B. A. Remington, J. D. Salmonson, P. T. Springer, R. Tommasini
Nature
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nature13008

Fonte: Inovação Tecnológica

Especial Microscópios: Microscópio de nêutrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/01/2014

O final do ano de 2013 foi pródigo no campo da microscopia, com uma série de inovações praticamente simultâneas.

Essas inovações estão dando aos cientistas não apenas novos olhos, permitindo que eles enxerguem mais fundo na matéria, mas também disponibilizando novas ferramentas para mexer no que eles estão vendo.

Nesta semana, o Site Inovação Tecnológica publicará uma série de reportagens com as novidades mais recentes na área, destacando aquelas com maior potencial para impactar a pesquisa científica e o desenvolvimento de novas tecnologias no futuro próximo.

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Microscópio de nêutrons

Um microscópio de nêutrons pode sondar o interior de objetos metálicos - incluindo motores em funcionamento. [Imagem: Dazhi Liu et al.]

Pesquisadores do MIT e da NASA desenvolveram um novo conceito de microscópio que usa nêutrons em vez dos mais tradicionais feixes de luz ou elétrons para criar imagens de alta resolução.

Nêutrons são partículas subatômicas sem carga elétrica, o que permite observar uma gama muito maior de materiais sem interferir com as amostras e sem ter as imagens atrapalhadas pelas características do material dessas amostras.

Assim, um microscópio de nêutrons tem a capacidade de sondar o interior de objetos metálicos - tais como células a combustível, baterias e motores, mesmo quando eles estão em uso.

Instrumentos de nêutrons também são excepcionalmente sensíveis a propriedades magnéticas e a elementos mais leves, que são importantes em materiais biológicos.

Foi Boris Khaykovich quem propôs a ideia de adaptar um conceito desenvolvido há mais de 60 anos, usado para focalizar raios X usando espelhos, para construir um microscópio de nêutrons de alto desempenho.

Até agora, a maioria dos microscópios de nêutrons era semelhante a câmeras pinhole, aquelas caixas escuras sem lentes e com apenas um furo usadas no início da história da fotografia.

Sem componentes ópticos eficientes, essas câmeras simples - seu nome técnico é câmara estenopeica - produz imagens fracas com baixa resolução.

Especial Microscópios

Microscópio de nêutrons Microscópio háptico permite tocar amostras

Já o novo microscópio de nêutrons terá vários cilindros refletores aninhados uns dentro dos outros, de modo a aumentar a área superficial disponível para a reflexão dos nêutrons.

Esse design deverá melhorar o desempenho dos sistemas de imageamento à base de nêutrons por um fator de 50, segundo os pesquisadores - o que permitirá imagens muito mais nítidas ou instrumentos muito menores.

Bibliografia:

Demonstration of a novel focusing small-angle neutron scattering instrument equipped with axisymmetric mirrors
Dazhi Liu, Boris Khaykovich, Mikhail V. Gubarev, J. Lee Robertson, Lowell Crow, Brian D. Ramsey, David E. Moncton
Nature Communications
Vol.: 4, Article number: 2556
DOI: 10.1038/ncomms3556

Fonte:Inovação Tecnológica

SISU/ não percam o prazo!

Conversão termoiônica de energia mais próxima da realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/01/2014

O gerador termoiônico conseguiu finalmente superar o "problema espaço-carga". [Imagem: J Mannhart/MPG]

Conversão direta de energia

O nome tem jeitão de ficção científica, mas o sistema de conversão termoiônica de energia já está bem próximo da realidade.

O processo de conversão termoiônica consiste em pegar a energia do calor - como a luz do sol ou o calor da queima de combustíveis fósseis - e convertê-la em eletricidade usando a diferença de temperatura entre duas placas metálicas separadas por um vácuo.

Como convertem calor ou luz diretamente em energia elétrica, os geradores termoiônicos - ou termiônicos - têm um potencial muito grande para aplicações práticas.

Por isso os engenheiros vêm tentando tornar esse princípio prático há mais de meio século, mas com pouco sucesso - até agora.

Stefan Meir e seus colegas do Instituto Max Planck, na Alemanha, desenvolveram uma nova técnica para construir um conversor termoiônico com uma eficiência muito alta.

A equipe chamou seu dispositivo de gerador termoeletrônico.

Gerador termoiônico

O princípio básico dos geradores termoiônicos consiste em usar a diferença de temperatura entre uma placa metálica quente e outra fria para gerar eletricidade.

"Os elétrons são 'evaporados', ou expulsos pela luz da placa quente, e conduzidos para a placa fria, onde se 'condensam'," explicou o professor Jochen Mannhart, coordenador da equipe.

A diferença de carga resultante entre as duas placas gera uma tensão que, por sua vez, induz uma corrente elétrica - "sem partes mecânicas móveis", acrescenta Mannhart.

Modelos anteriores de geradores termoiônicos se mostraram ineficazes por causa do que é conhecido como o "problema espaço-carga", no qual as cargas negativas da nuvem de elétrons que deixa a placa quente impede que outros elétrons também saiam, efetivamente matando a corrente.

Meir e seus colegas contornaram este problema usando um campo elétrico externo para puxar a nuvem de carga para longe da placa quente, o que permitiu que os elétrons se dirigissem sem problemas para a placa fria em um fluxo contínuo - uma corrente elétrica.

Pés no chão

Embora o gerador termoeletrônico seja quatro vezes mais eficiente do que qualquer outro já construído, os pesquisadores afirmam que uma série de desenvolvimentos será necessária antes que eles possam ser aplicados na prática.

"Geradores termiônicos práticos haviam alcançado uma eficiência de cerca de 10%. As previsões teóricas para os nossos geradores termoeletrônicos chegam a cerca de 40%, embora isso seja apenas teórico," observa o professor Mannhart.

"Ficaríamos muito surpresos se houvesse uma aplicação comercial no mercado nos próximos cinco anos, mas se as empresas que estão sedentas por energia reconhecerem o potencial desses geradores, então o desenvolvimento poderá ser mais rápido," completou ele.

Bibliografia:

Highly-Efficient Thermoelectronic Conversion of Solar Energy and Heat into Electric Power
S. Meir, C. Stephanos, T. H. Geballe, J. Mannhart
Journal of Renewable and Sustainable Energy
Vol.: 5, Issue 4
DOI: 10.1063/1.4817730

Fonte: Inovação Tecnologica

Parabéns/Vestibular UVA

Passar  no vestibular é sem duvida um momento muito especial, por isso quero parabenizar  a todos os que com muita força, garra e dedicação conseguiram superar as dificuldades e conseguiram essa vitória a todos os alunos da EEM Francisco Soares de Oliveira que mostraram que com determinação é possível e que a perseverança está ao nosso lado pois se não for da primeira vez, será da segunda ou terceira ou ... assim por diante. Ser vencedor é não desistir nos primeiros obstáculos, mas pelo contrário, tirar deste o aprendizado para continuarmos  e conseguirmos na próxima.

Finalizando quero deixar aqui registrado meus parabéns a todos os que enfrentaram esse desafio e já o superaram:

Roberto Ferreira ( Física)
Wesley Nathan ( Física)
Wesley Oliveira ( Física)
Rute Alves (Filosofia)
Acássio Paiva (Química)
 Micaele Marinho(Química)
Adenice(Química)
Eduardo Abreu ( Pedagogia)