Elétron divide-se em duas quase-partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica – 20/04/2012

Elétron divide-se em duas novas partículas: spinon e orbiton

Concepção artística da divisão do elétron em duas novas partículas: um spinon, que nada mais é do que o spin do elétron original, e um orbiton, seu momento orbital.[Imagem: David Hilf/PSI]

Decaimento do elétron

Cientistas observaram pela primeira vez o terceiro elemento constituinte de um elétron.

Um elétron se comporta como uma onda e, quando recebe uma carga extra de energia, essa onda pode se dividir – isso significa que o elétron estará se decompondo em partes separadas.

Cada uma dessas “partes” carrega uma propriedade do elétron, constituindo o que os físicos chamam de quase-partícula – como o recém-descoberto férmion de Majorana.

Esta é a primeira vez que os momentos fundamentais do elétron, de rotação e orbital, foram observados separados um do outro.

Mas não é a primeira vez que o outrora “fundamental” elétron foi dividido: ele já foi separado em seus elementos spin e carga, neste caso gerando um spinon e um holon.

Agora foi observada a terceira partícula, o orbiton, o momento orbital, que se origina do movimento do elétron em torno do núcleo.

Estas partículas, no entanto, não conseguem deixar o material onde foram produzidas.

Spinon e orbiton

Todos os elétrons têm uma propriedade chamada “spin”, que pode ser vista como pequenos ímãs, em escala atômica o que dá origem ao magnetismo dos materiais.

O spin vem sendo explorado tecnologicamente, tanto na computação quântica quanto na spintrônica.

Além de girar, os elétrons orbitam em torno de núcleos atômicos, ao longo de caminhos determinados, os assim chamados orbitais eletrônicos.

Geralmente essas duas propriedades da física quântica (spin e orbital) estão “ligadas” a cada elétron em particular.

Contudo, em um experimento realizado no Instituto Paul Scherrer, na Alemanha, as duas propriedades foram separadas.

Elétron divide-se em duas novas partículas: spinon e orbiton

O desmembramento do elétron em duas quase-partículas foi detectado em um composto de óxido de cobre (Sr2CuO3). [Imagem: Schlappa et al./Nature]

Não tão elementar

O desmembramento do elétron em duas quase-partículas foi detectado em um composto de óxido de cobre (Sr2CuO3).

Esse material tem a característica inusitada de que as partículas em seu interior são obrigadas a se mover apenas em uma direção, para frente ou para trás.

Usando raios X, os físicos forçaram alguns dos elétrons pertencentes aos átomos de cobre no Sr2CuO3 a passarem para orbitais de energia mais elevada, o que corresponde a um elétron se movimentando em torno do núcleo com maior velocidade.

Após esta estimulação com raios X, os elétrons dividiram-se em duas partes.

Uma das novas partículas criadas, o spinon, carrega a rotação do elétron, e a outra, o orbiton, a energia orbital ampliada pela estimulação com raios X.

Supercondutores

“Já se sabia há algum tempo que, em materiais específicos, um elétron pode, em princípio, se dividir,” comentou Jeroen van den Brink, um dos autores do experimento. “Mas até hoje não havia evidência empírica para essa separação em spinons e orbitons independentes. Agora que sabemos exatamente onde procurá-los, poderemos encontrar essas novas partículas em muitos outros materiais.”

A observação da divisão do elétron poderá ter implicações importantes no campo da supercondutividade de alta temperatura.

Devido a semelhanças entre o comportamento dos elétrons no Sr2CuO3 e nos supercondutores à base de cobre, entendendo como os elétrons decaem em outros tipos de partículas neste material pode ajudar a compreender também os supercondutores.

Bibliografia:
Spin-Orbital Separation in the quasi 1D Mott-insulator Sr2CuO3
J. Schlappa, K. Wohlfeld, K. J. Zhou, M. Mourigal, M. W. Haverkort, V. N. Strocov, L. Hozoi, C. Monney, S. Nishimoto, S. Singh, A. Revcolevschi, J.-S. Caux, L. Patthey, H. M. Ronnow, J. van den Brink, T. Schmitt
Nature
Vol.: Advance Online Publication
DOI: 10.1038/nature10974

Nanopartículas de cobre convertem CO2 em combustível

Redação do Site Inovação Tecnológica – 18/04/2012

Nanopartículas de cobre convertem CO2 em combustível

Nanopartículas de ouro (vermelho claro) combinadas com nanopartículas de cobre (verde claro) formam nanopartículas híbridas (vermelho escuro), que foram transformadas em pó (primeiro plano) para catalisar a redução de dióxido de carbono.[Imagem: MIT]

Caprichos do cobre

O cobre é um dos poucos metais capazes de transformar o dióxido de carbono em hidrocarbonetos – o petróleo, o carvão e o gás natural são hidrocarbonetos – com relativamente pouca energia.

Quando recebe uma tensão elétrica, um eletrodo de cobre atua como um catalisador muito forte, desencadeando uma reação eletroquímica com o dióxido de carbono, que reduz o gás de efeito estufa para metano ou metanol.

Mas o cobre é temperamental: ele se oxida facilmente.

Como resultado, o metal é instável, o que pode reduzir significativamente a sua reação com o dióxido de carbono em pouco tempo.

Além da perda de eficiência, o processo passa a produzir subprodutos indesejáveis, como monóxido de carbono e ácido fórmico.

Boa companhia

Agora, pesquisadores do MIT encontraram uma solução que, além de tornar o metal mais estável, pode reduzir ainda mais a energia necessária para que o cobre converta dióxido de carbono em combustíveis.

Kimberly Hamad-Schifferli e seus colegas sintetizaram nanopartículas de cobre misturadas com ouro, que é resistente à corrosão e à oxidação.

Os pesquisadores observaram que apenas um leve toque de ouro faz o cobre se tornar muito mais estável.

Se o uso do ouro impressiona pelo seu alto custo, é bom lembrar que os catalisadores mais comumente utilizados são feitos à base dos muito mais caros platina e ródio.

A equipe demonstrou a eficácia de nanopartículas compostas por um terço de ouro e dois terços de cobre, ou dois terços de ouro e um terço de cobre.

CO2 vira combustível

Nos experimentos, os eletrodos revestidos com as nanopartículas híbridas cobre-ouro precisaram de menos energia para reagir com o dióxido de carbono, em comparação com as nanopartículas de cobre puro.

“Você normalmente precisa colocar um bocado de energia para converter dióxido de carbono em algo útil,” comentou Hamad-Schifferli. “Nós demonstramos que as nanopartículas híbridas de cobre-ouro são muito mais estáveis, e têm o potencial para reduzir a energia necessária para a reação.”

Reciclagem do CO2

Vários pesquisadores ao redor do mundo têm estudado o potencial do cobre como um meio energeticamente eficiente de reciclagem do dióxido de carbono – uma espécie de combustão reversa – em fábricas e termoelétricas.

Em vez de ser liberado para a atmosfera, o dióxido de carbono seria forçado a circular através de um catalisador de cobre e transformado em metano – que poderia então alimentar as próprias turbinas de geração de energia ou outros processos na fábrica.

Esse sistema de auto-energização poderia reduzir consideravelmente as emissões de gases de efeito estufa, sobretudo pelas geradoras a carvão e gás natural.

Bibliografia:
Compositional dependence of the stability of AuCu alloy nanoparticles
Z. Xu, E. Lai, Y. Shao-Horn, K. Hamad-Schifferli
Chemical Communications
Vol.: Just submitted

 

Criado primeiro link de comunicação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/04/2012

Criado primeiro link de comunicação quântica

Átomos formam os nós de uma rede quântica na qual a informação é transmitida por fótons individuais através de cabos de fibra óptica. [Imagem: Andreas Neuzner/MPQ]

Rede quântica

Cientistas alemães demonstraram na prática o primeiro link de comunicação quântica de “longa distância”.

Embora a rede demonstrada seja primária, com apenas dois nós, o experimento demonstra que a tecnologia atual já é capaz de viabilizar comunicações quânticas usando os tradicionais cabos de fibras ópticas.

Redes quânticas podem ser usadas não apenas para a transmissão de dados em altíssima velocidade, com uma largura de banda impensável para os padrões atuais, como também pode fazer isso com uma segurança quase absoluta.

E elas também podem ter usos mais fundamentais, como na criação de simuladores quânticos para estudar fenômenos físicos de qualquer natureza.

Stephan Ritter e seus colegas do Instituto Max Planck construíram uma rede que acopla dois átomos individuais, que representam dois nós de uma rede.

Teoricamente, a rede pode crescer à vontade, apenas acrescentando novos átomos como nós adicionais.

Nó atômico

Um átomo individual é a menor memória possível para a informação quântica, e os fótons individuais são os melhores mensageiros para trocar essas informações entre os átomos.

Contudo, a transferência eficiente da informação entre um átomo e um fóton exige uma forte interação entre os dois, o que não se pode obter com átomos no espaço livre.

Para funcionar como nós de uma rede quântica, os átomos são aprisionados em cavidades ópticas – dois espelhos altamente reflexivos, colocados a uma curta distância um do outro.

Quando um fóton entra nessa cavidade, ele é refletido pelo espelho milhares de vezes, o que garante seu acoplamento com o átomo-memória.

Criado primeiro link de comunicação quântica

A troca de informações entre um átomo e um fóton baseou-se em feitos anteriores da mesma equipe, que construiu uma memória atômica e depois criou um transístor quântico com transparência induzida por luz. [Imagem: Gerhard Rempe]

Comunicação quântica

Foram vários desafios para demonstrar o funcionamento da rede quântica: primeiro, o átomo tinha que ser mantido dentro da cavidade óptica pelo tempo suficiente, o que foi realizado com a ajuda de feixes de laser precisamente ajustados.

Em segundo lugar, foi preciso garantir que o átomo emitisse apenas um fóton de cada vez.

Depois, foi preciso provar que o sistema funciona como uma interface perfeita para armazenar a informação codificada em um único fóton.

Finalmente, foi necessário conectar dois desses nós de rede quântica, trocar informações usando cada fóton individual, aferir que a informação estava chegando com alta eficiência e, mais importante, que a informação estava chegando corretamente.

Tudo isto foi demonstrado em um experimento onde cada nó da rede quântica ficou em um laboratório vizinho do outro, a 21 metros de distância, conectados por um cabo de fibra óptica de 60 metros de comprimento.

Como a rede quântica funciona

Redes quânticas apresentam propriedades peculiares, não encontradas nas redes clássicas.

Isto se deve ao comportamento fundamentalmente diferente da informação que é trocada: enquanto um bit clássico representa 1 ou 0, um bit quântico pode assumir os dois valores ao mesmo tempo, um fenômeno chamado “superposição coerente”. Uma medição, no entanto, faz o qubit colapsar para um dos dois valores.

No átomo-memória, a informação quântica é codificada em uma superposição coerente de dois níveis de energia.

Quando o átomo no nó A emite um fóton, estimulado por um pulso de luz de um laser de controle, o seu estado quântico é mapeado no estado de polarização do fóton.

Através da fibra óptica, o fóton atinge o nó B, onde ele é absorvido. Durante este processo, o estado quântico originalmente preparado no átomo A é transferido para o átomo no nó B.

Como resultado, A é capaz de receber o próximo fóton, enquanto B está pronto para enviar a informação armazenada de volta para o nó A ou para qualquer outro nó da rede.

Criado primeiro link de comunicação quântica

Diagrama esquemático do funcionamento do primeiro protótipo de uma rede quântica. [Imagem: Ritter et al./Nature]

É esta característica simétrica e reversível que torna o sistema escalável para configurações arbitrárias de rede, consistindo de múltiplos nós de átomos individuais.

“Nós conseguimos provar que estados quânticos podem ser transferidos muito melhor do que seria possível com qualquer rede clássica,” afirmou o Dr. Ritter.

Internet quântica e teletransporte

Em outro passo do experimento, os cientistas conseguiram gerar um entrelaçamento quântico entre os dois nós da rede.

O entrelaçamento, ou emaranhamento, é uma característica única para objetos quânticos, que os conecta de forma que suas propriedades ficam fortemente correlacionadas, não importando o quão longe eles sejam separados no espaço.

“Nós construímos o primeiro protótipo de uma rede quântica”, comemora Ritter. “Conseguimos fazer a troca reversível de informação quântica entre os nós. Além disso, podemos gerar o entrelaçamento remoto entre os dois nós e mantê-lo por cerca de 100 microssegundos, enquanto a geração do entrelaçamento leva apenas cerca de um microssegundo.”

Mostrando o potencial para a otimização da rede quântica, basta lembrar que, no final do ano passado, uma equipe da Dinamarca conseguiu preservar o entrelaçamento quântico por até uma hora:

O entrelaçamento de dois sistemas separados por uma distância grande é um fenômeno fascinante por si mesmo, mas também pode servir como um recurso para o teletransporte de informações quânticas.

“Um dia, isso pode não apenas tornar possível transmitir informações quânticas a distâncias muito grandes, mas também permitir uma internet inteiramente quântico,” prevê Ritter.

Bibliografia:
An elementary quantum network of single atoms in optical cavities
Stephan Ritter, Christian Nolleke, Carolin Hahn, Andreas Reiserer, Andreas Neuzner, Manuel Uphoff, Martin Mucke, Eden Figueroa, Joerg Bochmann, Gerhard Rempe
Nature
Vol.: 484, 195-200
DOI: 10.1038/nature11023

Energia solar transforma CO2 em combustível para carros

Redação do Site Inovação Tecnológica – 10/04/2012

Energia solar transforma CO2 em combustível para carros

Um sistema integrado eletro-microbiano produz combustível a partir do CO2 e da luz do Sol.[Imagem: UCLA]

Eletricidade para carros

Carros elétricos não são aviões, mas eles certamente já teriam decolado se a tecnologia das baterias não estivesse praticamente estacionada nos últimos anos.

Mas está tomando corpo uma ideia que parece estranha à primeira vista, mas que tem potencial não apenas para explorar a energia solar, como também para alimentar os carros a combustão atuais com um combustível que será, essencialmente, gerado por eletricidade.

A ideia consiste em armazenar a eletricidade em combustíveis líquidos, que poderão então ser queimados por motores a combustão normais.

Ou seja, os carros poderiam ser indiretamente alimentados por eletricidade, sem que precisassem ser convertidos em veículos elétricos.

E o alcance disso pode ser ainda maior, uma vez que a fonte para a produção desse combustível líquido é o dióxido de carbono, que todo o mundo gostaria de varrer para debaixo do tapete – ao menos a parte gerada pelo homem – para tentar evitar o aquecimento global.

Uma demonstração de que isto é tecnicamente possível foi realizada pela equipe do Dr. James Liao, da Universidade da Califórnia em Los Angeles (EUA).

CO2 vira combustível

Liao e seus colegas desenvolveram uma técnica que usa eletricidade para converter dióxido de carbono em isobutanol.

Se for usada energia solar, o processo essencialmente imita a fotossíntese, convertendo a luz do Sol em energia química.

A fotossíntese é um processo que ocorre em duas etapas – uma etapa com luz e uma etapa às escuras. A reação clara converte a energia da luz em energia química, enquanto a reação escura converte CO2 em açúcar.

“Nós conseguimos separar a reação com luz da reação escura e, em vez de usar a fotossíntese biológica, nós usamos painéis solares para converter a luz do Sol em eletricidade, depois em um intermediário químico, e então usamos esse intermediário para alimentar a fixação do dióxido de carbono para gerar o combustível,” explica Liao.

Segundo ele, seu esquema pode teoricamente ser mais eficiente, em termos da energia produzida, do que a fotossíntese natural.

Biorreator

Nem tudo é artificial nesse novo método. Os cientistas modificaram geneticamente um microrganismo litoautotrófico, conhecido como Ralstonia eutropha H16, para produzir isobutanol e 3-metil-1-butanol no interior de um biorreator.

O biorreator usa apenas dióxido de carbono como fonte de carbono, e apenas eletricidade como entrada externa de energia.

O desenvolvimento agora anunciado é um passo significativo em relação a uma pesquisa anterior divulgada pelo grupo, quando eles demonstrar o papel promissor das bactérias para a produção de um combustível alternativo.

Teoricamente, o hidrogênio produzido por energia solar pode ser usado na conversão do CO2 para sintetizar combustíveis líquidos com alta densidade de energia, também usando os microrganismos geneticamente modificados.

Mas as demonstrações em laboratório não têm conseguido passar para escalas maiores devido à baixa solubilidade, pequena taxa de transferência de massa e, sobretudo, pelas questões de segurança envolvendo o hidrogênio.

“Em vez de usar hidrogênio, nós usamos o ácido fórmico como intermediário. Nós usamos eletricidade para produzir ácido fórmico, e então usamos o ácido fórmico para induzir a fixação do CO2 nas bactérias, no escuro, para produzir isobutanol e alcoóis,” explica Liao.

“Nós demonstramos o princípio, e agora queremos aumentar sua escala. Este é o nosso próximo passo,” conclui o pesquisador.

Salve o CO2

Em 2010, outra equipe apresentou uma versão similar deste conceito, baseado em um óxido de terras raras:

Duas outras pesquisas recentes merecem destaque nessa busca de transformar o CO2 de rejeito indesejado em energia útil:

Bibliografia:
Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols
Han Li, Paul H. Opgenorth, David G. Wernick, Steve Rogers, Tung-Yun Wu, Wendy Higashide, Peter Malati, Yi-Xin Huo, Kwang Myung Cho, James C. Liao
Science
Vol.: 335 no. 6076 p. 1596
DOI: 10.1126/science.1217643

Balança mais sensível do mundo pesa um único próton

Redação do Site Inovação Tecnológica – 05/04/2012

Balança mais sensível do mundo pesa um único próton

Apenas uma seção de 150 nanômetros do nanotubo fica vibrando, formando a balança. O próximo passo é colocar um prato onde poderão ser colocadas as partículas atômicas ou subatômicas. [Imagem: ICN]

Preocupações com o peso

Cientistas acabam de criar a balança mais sensível já fabricada, capaz de pesar um único próton.

A balança é tão sensível que, se no futuro ela for melhorada em uma única ordem de grandeza, será necessário inventar um novo prefixo de unidade para batizar o que estaria sendo pesado.

De um lado, já existem balanças capazes de pesar planetas e até uma técnica para pesar buracos negros.

Mas Adrian Bachtold e seus colegas do Instituto Catalão de Nanotecnologia, na Espanha, estão interessados em coisas bem menores.

Eles criaram um sensor de massa usando um nanotubo de carbono muito curto, capaz de detectar alterações de massa de 1,7 yoctograma – 10-24 grama – a massa de um próton.

Yoctobalança

O nanotubo de carbono que serve de sensor mede 150 nanômetros de comprimento, mas o prefixo nano, com seus (10-9), é astronômico quando chega perto do yocto – entre eles há pico (10-12), femto (10-15), atto (10-18), zepto (10-21) e, finalmente, o yocto (10-24).

Ainda não foi inventado um prefixo para algo na casa dos (10-27).

Ao contrário das balanças na escala dos gramas, a yoctobalança é vibratória. O nanotubo vibra a uma frequência na faixa dos 2 GHz.

Comparando a frequência de ressonância do nanotubo antes e depois que a massa a ser pesada foi depositada sobre ele, os cientistas podem quantificar quanta massa foi adicionada.

Para tamanha precisão, o ambiente dessa que é a balança mais precisa do mundo precisa ser cuidadosamente controlado – ela funciona a -269 ºC, em ultra-alto vácuo (10-14 bar) e isolada de qualquer ruído mecânico ou elétrico.

Balança mais sensível do mundo pesa um único próton

Esquema e protótipo da yoctobalança, que funciona a 4 Kelvin. [Imagem: Chaste et al./Nature Nanotechnology]

Balança mais sensível do mundo

A equipe acredita que dá para melhorar a precisão da yoctobalança criando para ela um “prato”, um ponto específico do nanotubo onde a partícula a ser pesada possa ser colocada.

Nesta versão, os pesquisadores colocam a massa em qualquer ponto do nanotubo. Se conseguirem construir o prato, será possível reduzir as flutuações na frequência de ressonância do nanotubo, aumentando a precisão das medições.

Recentemente pesquisadores chineses afirmaram ser possível construir uma balança usando apenas luz.

Mas, segundo seus cálculos, ela terá uma precisão na faixa dos zeptogramas, o que seria suficiente apenas para pesar coisas “enormes”, como átomos individuais.

Bibliografia:
A nanomechanical mass sensor with yoctogram resolution
J. Chaste, A. Eichler, J. Moser, G. Ceballos, R. Rurali, A. Bachtold
Nature Nanotechnology
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/NNANO.2012.42

Química artificial usa nanopartículas como átomos e DNA como "ligação química"

Redação do Site Inovação Tecnológica – 07/04/2012

Química artificial usa nanopartículas como átomos e DNA como

A técnica não se restringe a copiar cristais naturais, mas permite construir estruturas completamente novas, não encontradas em minerais naturais. [Imagem: Science/AAAS]

Superando a natureza

Usando uma abordagem de baixo para cima, a natureza pega átomos e, através de ligações químicas, elabora materiais cristalinos, como diamantes, silício ou sal de cozinha.

Em todos eles, as propriedades dos cristais dependem do tipo e do arranjo dos átomos dentro da rede cristalina.

Agora, uma equipe de cientistas da Universidade Northwestern, nos Estados Unidos, descobriu como copiar a natureza para construir materiais cristalinos, não a partir de átomos, mas de nanopartículas e de moléculas de DNA.

Usando nanopartículas como “átomos”, e fitas de DNA como “ligações químicas”, os cientistas descobriram como criar cristais com as partículas dispostas nos mesmos tipos de configurações das redes atômicas dos cristais encontrados na natureza.

A vantagem é que a técnica não se restringe a copiar cristais naturais, mas permite construir estruturas completamente novas, não encontradas em minerais naturais.

Tabela periódica de formas

As regras básicas de montagem desses materiais artificiais abrem a possibilidade de produzir uma variedade de novos materiais que poderão ser úteis em tecnologias como catalisadores, eletrônicos, óptica, biomedicina e energia.

“Estamos construindo uma nova tabela periódica de formatos,” disse o professor Chad Mirkin, que liderou a pesquisa. “Usando essas novas regras de design e nanopartículas como ‘átomos artificiais’, desenvolvemos modos de cristalização controlada que são, em muitos aspectos, mais poderosos do que a forma como a natureza e os químicos produzem materiais cristalinos a partir de átomos.

Química artificial usa nanopartículas como átomos e DNA como

“As partículas podem ser movidas para mais perto ou mais para longe umas das outras alterando o comprimento do DNA de interligação, proporcionando assim uma ajustabilidade quase infinita.” [Imagem: Science/AAAS]

“Controlando o tamanho, forma, tipo e localização das nanopartículas dentro de uma estrutura, podemos fazer materiais e arranjos de partículas completamente novos, e não apenas o que a natureza dita.”

“Uma vez que tenhamos um certo tipo de estrutura,” prossegue Mirkin, “as partículas podem ser movidas para mais perto ou mais para longe umas das outras alterando o comprimento do DNA de interligação, proporcionando assim uma ajustabilidade quase infinita.”

Interligação por DNA

Os cientistas começaram com duas soluções de nanopartículas revestidas com cadeia simples de DNA.

Em seguida, eles adicionaram cadeias de DNA que se ligam a estas partículas funcionalizadas, que apresentam um grande número de “extremidades aderentes” a uma distância controlada a partir da superfície da partícula.

Essas terminações “pegajosas” ligam-se às extremidades coesivas das partículas adjacentes, formando uma arranjo macroscópico de nanopartículas.

Foram obtidas diferentes estruturas cristalinas utilizando diferentes combinações de nanopartículas – com diferentes tamanhos – e fitas de DNA com comprimentos controláveis.

O processo é análogo ao modo como as redes cristalinas atômicas são formadas.

Cientistas desenham nova imagem do núcleo de um átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica – 24/03/2012

Cientistas desenham nova imagem do núcleo de um átomo

Isto não é um átomo, é tão-somente o núcleo de berílio circundado por seu halo. Segundo medições realizadas por uma equipe alemã, o halo se estende a até 7 femtômetros do centro de massa do núcleo, cobrindo uma área três vezes maior do que a parte densa do núcleo.[Imagem: Dirk Tiedemann/Uni-Mainz]

Núcleos são nuvens?

Embora os mais modernos microscópios eletrônicos enxerguem até um décimo do diâmetro de um átomo, ainda é difícil para a maioria das pessoas imaginar um átomo inteiro.

Da mesma forma que é difícil corrigir a história de que Cabral teria chegado ao Brasil por acaso, vai levar muito tempo para que as pessoas deixem de imaginar, quando se falar de um átomo, um sistema planetário com um “núcleo-Sol” cercado por “planetas-elétrons”.

Já se sabia há muito tempo que os elétrons são “nuvens de probabilidade” ao redor dos núcleos, devido à sua personalidade bipolar, nunca sabendo se são partículas ou ondas.

Mas outro problema dessa visualização do átomo como um sistema planetário é que o núcleo, composto por prótons e nêutrons, é imaginado como algo estacionário, fisicamente delimitado.

E isso não corresponde à realidade.

Na década de 1980 descobriu-se que alguns núcleos atômicos de elementos leves – como hélio, lítio e berílio – não têm bordas externas definidas: eles possuem halos, partículas que se destacam além das bordas do núcleo, criando uma nuvem que envolve o núcleo.

Agora, depois de realizar as observações mais precisas já feitas até hoje do halo nuclear, cientistas demonstraram que até um quarto dos núcleons – prótons e nêutrons – do núcleo denso de um átomo estão viajando continuamente a uma velocidade de até 25% da velocidade da luz.

Cientistas desenham nova imagem do núcleo de um átomo

O átomo de berílio possui dois aglomerados de núcleons, cada um deles parecido com este núcleo do átomo de hélio-4. [Imagem: Wikipedia/Yzmo]

Como é o núcleo de um átomo

Assim, esqueça, Cabral não chegou ao Brasil por acaso, e os núcleos dos átomos não podem ser comparados a laranjas e nem a estrelas.

“Nós geralmente imaginamos o núcleo como um arranjo fixo de partículas, quando na realidade há um monte de coisas acontecendo no nível subatômico que nós simplesmente não podemos ver com um microscópio,” ressalta o físico John Arrington, do Laboratório Nacional Argonne, nos Estados Unidos.

Ele e seus colegas usaram grandes espectrômetros magnéticos para observar o núcleo de átomos de deutério, hélio, berílio e carbono.

A surpresa veio com o berílio.

Ao contrário dos outros átomos, ele possui dois aglomerados de núcleons, cada um parecido com um núcleo do átomo de hélio-4.

Esses núcleons, por sua vez, estão associados a um nêutron adicional.

Isso desfaz completamente a figura do núcleo como uma esfera fisicamente delimitada, além de mostrar que o halo é mais complexo do que se imaginava.

Cientistas desenham nova imagem do núcleo de um átomo

A equipe norte-americana sugere uma ilustração onde o próprio núcleo é formado pela antiga visualização do átomo inteiro, com indicações das partículas (pontos brancos) e das suas órbitas. [Imagem: ANL]

Interações entre quarks

Por causa dessa configuração complicada, o núcleo do berílio apresenta um número relativamente alto de colisões, apesar de ser um dos núcleos menos densos entre todos os elementos.

Os cientistas afirmam que esse efeito acelerador pode ser resultado de interações entre os quarks que formam os núcleons – cada próton e cada nêutron consiste de três quarks muito fortemente ligados.

Quando os núcleons se aproximam uns dos outros, entretanto, as forças que unem os quarks podem ser perturbadas, alterando a estrutura dos prótons e dos nêutrons, possivelmente até mesmo formando partículas compostas pelos quarks de dois núcleos diferentes.

“Eu acho que é imperativo que os cientistas continuem a estudar os fenômenos que estão ocorrendo aqui,” afirma Arrington. “Nossa próxima medição vai tentar examinar essa questão diretamente, tirando uma fotografia da distribuição dos quarks quando os núcleons se juntam.”

Cientistas fazem mapa dos elétrons de uma única molécula

Redação do Site Inovação Tecnológica – 28/02/2012

Cientistas fazem mapa dos elétrons de uma única molécula

O mapa mostra a distribuição de cargas em uma única molécula de naftalocianina. [Imagem: IBM Research]

Mapa de distribuição de cargas

Pesquisadores da IBM conseguiram captar pela primeira vez imagens da distribuição das cargas elétricas em uma única molécula – essencialmente um mapa dos elétrons da molécula.

As imagens revelam detalhes de uma complexa “dança” de elétrons, mostrando a distribuição de energia entre os segmentos da molécula.

Os cientistas já haviam medido a carga elétrica e até o spin de um átomo individual, embora o que mais tenha sido comemorado tenha sido a foto de átomo neutro.

Mas a coisa é mais complicada quando se lida com moléculas, conforme a mesma equipe já havia demonstrado em 2009, quando fez a primeira “fotografia” de uma molécula individual.

Microscópio de sonda Kelvin

Fabian Mohn e seus colegas combinaram vários tipos de microscópios eletrônicos, mas demonstraram a utilidade especial de um tipo menos conhecido deles, chamado microscópio de força por sonda Kelvin (KPFM: Kelvin probe force microscopy).

Trata-se de uma variação do microscópio de força atômica, mas que não faz contato físico com a amostra que está sendo analisada.

Um braço oscilante, ou cantiléver, com uma ponta formada por uma única molécula passa sobre a amostra, que é eletricamente condutora. A diferença de potencial entre a ponta e a amostra gera um campo elétrico que pode ser medido.

Cientistas fazem mapa dos elétrons de uma única molécula

O microscópio eletrônico não mede a carga elétrica da molécula diretamente, mas o campo elétrico gerado por essa carga. O campo é mais forte nas áreas da molécula que estão carregadas. [Imagem: IBM Research]

Assim, o microscópio não mede a carga elétrica da molécula diretamente, mas o campo elétrico gerado por essa carga. O campo é mais forte nas áreas da molécula que estão carregadas.

Áreas com cargas opostas produzem um contraste diferente porque a direção do campo elétrico se inverte – é essa diferença que gera as áreas mais claras ou mais escuras da imagem.

O material analisado na verdade era uma única molécula de naftalocianina – o sistema experimental todo inclui, além da molécula observada, uma finíssima camada isolante de sal de cozinha (NaCl), que as separa do substrato de ouro.

“Nós mostramos que a microscopia de força por sonda Kelvin pode mapear a diferença de potencial desse sistema com resolução submolecular, e nós usamos cálculos teóricos de densidade funcional para verificar que esses mapas refletem a distribuição intramolecular das cargas,” afirmam os cientistas.

Chave molecular

A naftalocianina é uma molécula que, por ficar saltando de um estado para outro sob a ação de uma carga elétrica, já está sendo estudada para o desenvolvimento de um transístor molecular.

O que os cientistas observaram foi esse “chaveamento” da molécula, em que um elétron salta de um dos seus braços para o outro, alterando a distribuição de carga da naftalocianina.

Embora seja uma pesquisa básica, a expectativa é que a melhoria das técnicas de observação de materiais em escala molecular e atômica permita o melhor entendimento de mecanismos envolvidos, por exemplo, com o desenvolvimento de melhores catalisadores e da fotossíntese artificial.

“Esta técnica poderá ajudar a fornecer insights fundamentais sobre o chaveamento de moléculas individuais e a formação de ligações [químicas], processos que normalmente são acompanhados da redistribuição de cargas no interior das moléculas ou entre moléculas,” conclui o grupo.

Bibliografia:
Imaging the charge distribution within a single molecule
Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll, Gerhard Meyer
Nature Nanotechnology
26 February 2012
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2012.20

Neutrinos são usados para comunicação

A mensagem enviada continha a palavra ‘Neutrino’ em formato binário

Pela primeira vez, cientistas conseguiram enviar uma mensagem usando um feixe de neutrinos que passou através de 240 metros de rocha sólida. A equipe responsável pelos testes não revelou quanto tempo a mensagem, que continua a palavra ‘Neutrino’, levou para chegar ao seu destino.
“Usando neutrinos, a comunicação entre dois pontos distintos na Terra seria possível nem a necessidade de cabos ou satélites”, disse Dan Stancil, professor de engenharia elétrica e engenharia de computação na North Carolina State University. “Sistemas de comunicação baseados em neutrinos podem ser mais complicados que a maioria dos sistemas de comunicação disponíveis hoje, mas podem ter importantes usos estratégicos no futuro”.
O mais intrigante sobre o uso de neutrinos para comunicação é que eles podem penetrar em praticamente tudo o que encontram pelo caminho. Isto pode ser particularmente útil para submarinos, por exemplo, ou para enviar mensagens a partir do espaço.
Por causa de sua carga elétrica neutra e massa quase inexistente, os neutrinos não são afetados pelo magnetismo ou gravidade.
O experimento foi realizado no Fermilab, usando seu acelerador de partículas e um detector conhecido como MINERvA, localizado em uma caverna a 100 metros e profundidade.

A mensagem enviada continha a palavra ‘Neutrino’ em formato binário. Os neutrinos tiveram que ser disparados em grandes grupos, já que eles são difíceis de serem detectados. Mesmo com o detector MINERvA, apenas um em cada 10 bilhões de neutrinos é detectado.
Depois que os neutrinos foram detectados, um computador do outro lado traduziu o código binário da mensagem para Inglês.

GABARITO EXERCÍCIOS SOBRE GASES – 2º EM – COLÉGIO IESP

1 – V = 8 L

2 – t = 57 °C

3 – m = 22 g

4 – MM = 40 g.mol-1

5 – V = 30L

6 – V = 2460 L

7 – V = 38 L

8 –       m (Xe) = 58,5 g

                  m (Cloro) = 63,4 g

                       m (butano) = 77,7 g

                           m (CO2) = 78,6 g

                               m (Ne) = 44,64 g

9 – m = 80 g

10 – P = 1,1 atm

11 – MM = 58 g.mol-1

12 – V = 120 L

13 – V = 0,106 L

19 – MM = 44 g.mol-1

20 – V = 430 mL

21 – m = 4 kg

22 – P = 1,3 atm

23 – P = 0,1 atm

24 – V = 41,5 L

25 – T = 225 K

26 – P(cmHg) = 950 cmHg

27 – T = 240 K

28 – T = 600 K

29 – m = 5 g

30 –

      a) 3,36 L

          b) 4,48 L

             c) 1,12 L

                d) 562,5 l

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