O que é bóson? E quem é Higgs?

Com informações da BBC - 05/07/2012

Peter Higgs, que espera ansiosamente ganhar o Prêmio Nobel de Física. Ou seria mais justo dar a premiação ao LHC, que é um esforço conjunto?[Imagem: BBC]

Disputa

O bóson de Higgs, que os cientistas do LHC parecem ter encontrado depois de 45 anos de buscas, recebeu seu nome em homenagem ao físico britânico Peter Higgs.

Há uma briga apaixonada quanto a esse nome, uma vez que Higgs foi um dos primeiros a propor a existência da partícula, mas não foi sequer o primeiro - pelo menos dois outros grupos merecem o crédito, segundo um consenso entre os físicos.

A disputa é tamanha que a outra parte do nome - bóson - parece até ser coisa simples.

Batizando partículas

Bóson é uma partícula cujo nome é também derivada do nome de um outro físico, o indiano Satyendra Nath Bose, contemporâneo e amigo de Einstein.

O sufixo grego "-on" é acrescentado ao nome de todas as partículas descobertas, uma convenção aceita desde o século passado.

Mas alguns físicos foram mais poéticos ao batizar suas descobertas.

Lembra-se da história do "átomo indivisível"? Aqui está uma amostra do que os físicos gostam de chamar de "zoológico de partículas".

1. Bóson

Uma classe de partículas frequentemente associadas com forças (como portadoras de força).

Elas obedecem às estatísticas de Bose-Einstein, e foram nomeadas em homenagem ao físico indiano Satyendra Nath Bose (1894-1974).

2. Bóson de Higgs / Partícula de Deus / Partícula-Deus

O bóson de Higgs, proposto por Peter Higgs (entre outros) em 1964 - se existir realmente - é a partícula que dá massa à matéria.

O apelido de partícula-Deus, ou partícula de Deus, foi dada pelo físico norte-americano Leon Lederman - "se Deus fez a luz, o bóson de Higgs deu-lhe materialidade".

3. Quark

Uma partícula fundamental que se combina para formar uma série de outras partículas, incluindo os bem conhecidos prótons e nêutrons, as partículas que compõem o núcleo atômico.

O termo foi tirado do intraduzível romance Finnegans Wake, de James Joyce, pelo físico norte-americano Murray Gell-Mann (nascido em 1929) em 1962.

Gell-Mann conta que teve a ideia do som, e queria batizar a partícula de kwork.

"Então, em uma das minhas folheadas ocasionais de Finnegans Wake, de James Joyce, deparei-me com a palavra 'quark' na frase 'Três quarks para Muster Mark'," conta ele em seu livro, o Quark e o Jaguar.

4. Hádron

Uma partícula feita de quarks.

O nome foi proposto pelo físico teórico russo Lev Okun (nascido em 1929) em 1962.

Ele escreveu: "Neste relatório, vou chamar as partículas de interação forte de hádrons... o grego 'hadros' significa 'grande', 'maciço', em contraste com 'leptos' que significa 'pequeno', 'leve'. Espero que esta terminologia demonstre-se conveniente."

O famoso LHC, o maior experimento científico já construído, mostra bem do que se trata - seu nome é Grande Colisor de Hádrons (a sigla vem do inglês Large Hadron Collider)

Ou seja, o LHC é uma máquina onde hádrons são acelerados a altas velocidades e direcionados para chocarem-se uns contra os outros. Foi lá que as pegadas mais fortes do bóson de Higgs foram encontradas.

5. Férmion

Uma classe de partículas que, ao contrário dos bósons, obedecem as estatísticas de Fermi-Dirac.

Os férmions são normalmente associados com a matéria, em vez da força.

Eles são foram batizados em homenagem ao físico italiano Enrico Fermi (1901- 1954), considerado um dos pais da bomba atômica, juntamente com Robert Oppenheimer.

6. Glúon

Um tipo de bóson responsável pela força forte entre os quarks.

O termo deriva d palavra inglesa glue (cola).

Foi proposta pela primeira vez em 1962 por Murray Gell-Mann, que sugeriu a existência de partículas compostas de certo número de glúons, que ele chamouglueballs.

7. Neutrino

Partículas com carga elétrica criadas como resultado de certos tipos de decaimento radioativo, com uma massa minúscula, mesmo para os padrões das partículas subatômicas.

Elas foram as estrelas de uma controvérsia recente, sobre se poderiam ou não viajar em velocidade maior do que a da luz.

• Neutrinos não superaram a velocidade da luz

Neutrino significa "um pequeno neutro" em italiano.

A existência dessa partícula foi proposta por Wolfgang Pauli (1900-1958) em 1930, que lhe deu o nome de "nêutron".

Enrico Fermi rebatizou-a três anos depois, porque "nêutron" (do latim para "neutro") estava então sendo usado para se referir à partícula sem carga presente no núcleo atômico.

8. Elétron

Uma quantidade indivisível de carga elétrica, proposta em 1894 pelo físico irlandês George Johnston Stoney (1826-1911).

Derivado da palavra "elétrico" (ou do latim "electro") mais o sufixo grego "-on".

9. Méson

Uma partícula composta de um quark e um anti-quark.

O nome vem do grego "meso" que significa "meio", porque os mésons, quando observados pela primeira vez, pareciam ter uma massa em algum lugar entre a massa de um elétron e dos núcleons (as partículas - prótons e nêutrons - que compõem o núcleo atômico).

10. Múon

Uma de um grande número de partículas com o nome de letras do alfabeto grego, neste caso, "mu".

Ela foi originalmente pensada para ser um tipo de méson (o méson mu, distinta, digamos, do méson pi), mas foi rebatizada mais tarde.

Os mésons passaram a ser entendidos como partículas feitas de quarks, enquanto os múons são partículas elementares.

Os cientistas do CERN encurralaram o bóson de Higgs (ou o provável bóson de Higgs) utilizando um detector conhecido como CMS (Compact Muon Solenoid), que mede a energia e o momento de múons, fótons, elétrons e outras partículas geradas pelas colisões de hádrons.

E mais cinco ...

Lépton - um tipo de partícula elementar (os exemplos incluem os elétrons e os neutrinos), cujo nome vem do grego "leptos" que significa "pequeno" ou "leve".

Fóton - um quantum de luz. O nome deriva do grego "phos", que significa "luz".

Skyrmion - um tipo de férmion proposto pelo físico britânico Tony Skyrme (1922-1987).

Próton - nome dado ao núcleo de hidrogênio por Ernest Rutherford, em 1920. A palavra vem do grego "protos", que significa "primeiro".

WIMP - Partícula maciça fracamente interativa, que alguns acreditam ser o "átomo da matéria escura".

Entenda como os físicos procuram o Bóson de Higgs

Com informações do Berkeley Lab e Nature - 03/07/2012

Simulação do canal de dois fótons, um dos dois maiores candidatos para ter sido percorrido pela partícula que pode ser - mas pode não ser - o Bóson de Higgs.[Imagem: CERN]

Pode não ser o Bóson de Higgs?

Na madrugada desta quarta-feira, 04h00 no horário de Brasília, o CERN, a organização por trás do maior colisor de partículas do mundo, o LHC, anunciará seus tão esperados resultados sobre o tão esperado Bóson de Higgs.

Os dados foram coletados pelos dois maiores detectores do LHC, o (A Toroidal LHC Apparatus) e o CMS (Compact Muon Solenoid).

Tudo indica que serão anunciados "fortes indícios" da existência da Partícula de Deus.

• Veja aqui o anúncio oficial do CERN

Contudo, qualquer que seja o sigma alcançado pelos resultados - é necessário superar 5 para ser considerado uma descoberta - tudo o que os físicos poderão dizer será: "Há algo lá."

Mas será mesmo o Bóson de Higgs? Pode ser. E pode não ser.

Mas por que, com tanto alvoroço, e depois de tantas pesquisas, eles não conseguirão ter certeza?

Para entender isso, é necessário ter ao menos uma vaga ideia do que seja o Bóson de Higgs, a Partícula de Deus, e como os físicos tentam encontrá-la.

Por que as partículas têm massa?

Um bóson de Higgs é uma excitação, uma ressonância - uma representação fugaz, elusiva - do campo de Higgs, que se acredita estender por todo o espaço e dar massa a todas as outras partículas.

No instante do Big Bang, era tudo uma coisa só, um estado de simetria, que durou praticamente tempo nenhum, tendo sido imediatamente quebrada.

Partículas de matéria, chamadas férmions, emergiram desse mar de energia (massa e energia sendo intercambiáveis), incluindo os quarks e os elétrons, que iriam, muito mais tarde, formar os átomos.

Juntamente com eles vieram partículas carreadoras de força, chamadas bósons, que iriam ditar as inter-relações entre todas as partículas. Todos os bósons tinham massas diferentes - em alguns casos, massas muito diferentes.

Usando os conceitos de campo de Higgs e Bóson de Higgs, o Modelo Padrão da Física explica porque os quarks, prótons, elétrons, fótons, e um enorme zoológico de outras partículas têm as massas específicas que eles apresentam hoje.

Como reconhecer o Bóson de Higgs

Estranhamente, no entanto, o Modelo Padrão não consegue prever a massa do próprio Bóson de Higgs - isso só pode ser feito experimentalmente.

E é isso que os cientistas do LHC e do finado colisor Tevatron, nos Estados Unidos, estão tentando fazer.

O problema é que está muito longe de ser simples saber quando o Bóson de Higgs terá sido realmente encontrado.

Qualquer partícula que contenha tanta energia quanto o Bóson de Higgs dura apenas uma fração minúscula de um segundo, antes de se desfazer em outras partículas - um processo chamado decaimento -, cada uma com energia menor.

E mesmo estas resultantes decaem em partículas com energia ainda menor, até finalmente deixarem um rastro que os detectores ATLAS ou CMS conseguem enxergar - ou inferir.

Esquema do detector interno do experimento ATLAS. [Imagem: CERN]

Canais de decaimento

De acordo com o Modelo Padrão, o Bóson de Higgs pode decair em pelo meia dúzia de diferentes padrões de trilhas, ou canais.

A probabilidade de cada caminho varia.

Por exemplo, há uma baixa probabilidade de que um Bóson de Higgs com massa equivalente a 100 bilhões de elétron-volts (100 GeV) de energia vá decair em um par de bósons W, portadores da interação fraca.

No entanto, se sua massa for de 170 GeV, a probabilidade de seu decaimento por este canal seria muito elevada.

Mas as medições anteriores, incluindo as feitas no ano passado pelo LHC, e as anunciadas ontem pelo Tevatron, já excluíram muitas massas possíveis para um Bóson de Higgs dentro do Modelo Padrão.

Com base nisso, espera-se detectar algum sinal por volta de 125 ou 126 GeV.

Esses dois canais envolvidos, chamados de canal de dois fótons e canal de quatro léptons, certamente não são as rotas de decaimento mais prováveis.

Segundo Beate Heinemann, dos Laboratórios Berkeley, "a probabilidade que um Bóson de Higgs de 125 GeV decaia em dois raios gama é de cerca de dois décimos de um por cento, e a probabilidade de que ele decaia em quatro múons ou elétrons é ainda menor."

Ou seja, os físicos encontraram um sinal em um lugar muito improvável.

Encontrar a música no ruído

A chave de tudo - de todas as interpretações das todas as medições de todos os canais dos detectores ATLAS e CMS - é o ruído de fundo.

Mesmo que os canais de dois fótons e quatro léptons tenham uma probabilidade baixa, eles são relativamente livre de ruídos, sinais produzidos por detritos de outras partículas que obscurecem as evidências em outros canais.

As rotas mais prováveis para o decaimento de um Bóson de Higgs com massa próxima a 125 GeV seria o de um quark bottom e um antiquark bottom, ou um par de bósons W, ou um par de partículas tau - mas todos eles são muito mais difíceis de detectar.

"Pacotes de prótons cruzam na frente uns dos outros 20 milhões de vezes por segundo dentro do detector ATLAS, com uma média de 20 colisões em cada cruzamento," explicou Heinemann.

Filtros eletrônicos selecionam automaticamente os eventos, reduzindo-os para cerca de 100.000 por segundo, apontados como de possível interesse.

Softwares sofisticados reduzem ainda mais a seleção, para algumas centenas de eventos por segundo, que são então gravados e armazenadas para estudos posteriores.

Vários físicos criticam essas técnicas, dizendo que o LHC está jogando fora dados demais, que poderiam conter alguma coisa interessante.

"Nós tentamos manter tudo o que alguém poderia pensar que poderia ser interessante," defende Heinemann.

Ou seja, o problema não é só saber o que, mas também onde procurar - ainda que isso lembre a lenda na qual o herói perdeu a agulha dentro de casa, mas resolveu procurá-la lá fora por estar mais claro.

Há algo lá

É com base nessa seleção, de dois canais de baixa probabilidade, mas mais fáceis de entender, que os cientistas tiraram suas conclusões que serão anunciadas na madrugada desta quarta-feira.

Analistas consideram difícil que o fator sigma 5, necessário para estabelecer uma descoberta, tenha sido superado.

Mas ainda que seja, o que eles terão realmente observado, será o Bóson de Higgs?

Difícil responder, mas virtualmente impossível de responder com certeza.

A revista Nature publicou ontem uma reportagem cujo título é: "Físicos encontram nova partícula, mas será o Higgs?"

"Ok, há algo lá - uma ressonância," disse Martinus Veltman, da Universidade de Michigan, ganhador do Prêmio Nobel de Física em 1999. "Agora nós teremos que descobrir se ela tem todas as propriedades que se supõe que o Bóson de Higgs tenha."

Sol viaja lento demais pela galáxia para causar onda de choque

Décadas de pesquisas terão que ser refeitas, porque todos os cálculos incluíam uma onda de choque que agora se descobriu que não existe.[Imagem: SRI]

Sol lento

A onda de choque espacial, que os cientistas acreditavam existir na fronteira entre o Sistema Solar e o espaço interestelar, não existe.

E não existe porque o Sol se move através da galáxia a uma velocidade menor do que havia sido calculado, com uma interação mais fraca com o resto da galáxia.

A conclusão veio da análise detalhada dos dados da sonda espacial IBEX (Interstellar Boundary Explorer), lançada pela NASA em 2008 justamente para estudar nossos limites interestelares.

Marola cósmica

Nosso Sistema Solar viaja através da galáxia no interior de uma espécie de casulo, a heliosfera, uma "bolha" formada por campos magnéticos e pelo vento solar.

O limite da heliosfera, onde o vento solar interage com o resto da galáxia, marca a fronteira do Sistema Solar.

As teorias indicavam que essa interação causava uma onda de choque, semelhante ao chamado "boom sônico", que ocorre aqui na Terra quando um avião ultrapassa a velocidade do som.

Mas os novos dados indicam que o Sistema Solar não faz mais do que uma "marola" no resto da galáxia - uma espécie de onda de proa, aquela que se pode ver à frente de um navio que avança pelo mar.

Ondas de choque já foram documentadas em outras estrelas, mas nosso Sol viaja pela galáxia a uma velocidade lenta demais, causando apenas uma onda de proa. [Imagem: NASA/ESA/JPL-Caltech/Goddard/SwRI]

Velocidade do Sol

Os dados indicam que o Sistema Solar viaja pela galáxia a uma velocidade de 83.680 km/h, "lento" demais para criar uma onda de choque.

"Embora ondas de choque certamente existam à frente de muitas outras estrelas, nós descobrimos que a interação do nosso Sol não atinge o limite crítico para formar um choque. Assim, uma onda de proa é uma descrição mais precisa do que está acontecendo à frente da nossa heliosfera," disse David McComas, líder do estudo.

Os dados indicam ainda que a pressão magnética do meio interestelar é mais forte do que se calculava, o que exige velocidades ainda maiores para gerar uma onda de choque.

De volta à prancheta

"É muito cedo para dizer exatamente o que esses novos dados significam para a nossa teoria da heliosfera. Décadas de pesquisas exploraram cenários que incluíam uma onda de choque. Todas essas pesquisas agora terão que ser refeitas com os novos dados," disse McComas.

Haverá certamente implicações, por exemplo, para a forma como se calcula a propagação dos raios cósmicos galácticos e como eles entram no Sistema Solar, um tema de muito interesse para as viagens espaciais.

Bibliografia:

The Heliosphere’s Interstellar Interaction: No Bow Shock
D. J. McComas, D. Alexashov, M. Bzowski, H. Fahr, J. Heerikhuisen, V. Izmodenov, M. A. Lee, E. Möbius, N. Pogorelov, N. A. Schwadron, G. P. Zank
Science
DOI: 10.1126/science.1221054

Nave Dragon pronta para primeira missão à Estação Espacial

A cápsula voará sem tripulantes, levando apenas cargas e equipamentos. [Imagem: SpaceX]

Sem atraso

Está tudo pronto para o primeiro voo espacial privado para a Estação Espacial Internacional.

A empresa SpaceX vai inaugurar os Serviços de Transportes Orbitais Comerciais (COTS), patrocinados pela NASA.

O programa tem como objetivo criar uma opção norte-americana para voltar ao espaço. Hoje o país é totalmente dependendo da Rússia e de suas naves Soyuz para ir à Estação Espacial.

O lançamento do foguete Falcon 9, levando a nave Dragon, está previsto para a madrugada do próximo sábado, dia 19, às 04h55, no horário local, naquilo que os engenheiros da NASA chamam de uma "janela instantânea": se não for realizado exatamente no horário previsto, o lançamento terá que ser adiado.

A cápsula voará sem tripulantes, levando apenas cargas e equipamentos.

Este primeiro voo privado à Estação Espacial estava previsto para Dezembro do ano passado, mas sofreu sucessivos adiamentos.

Ajuda robótica

Durante o voo, a cápsula Dragon irá realizar uma série de procedimentos de checagem para testar seus sistemas, incluindo a capacidade de aproximação e atracação com a Estação Espacial.

Os principais objetivos dessa primeira missão incluem um sobrevoo da Estação Espacial, a uma distância de aproximadamente 1,5 quilômetro, para validar a operação dos sensores e sistemas de voo necessários para uma aproximação e atracação seguras.

A nave também deverá demonstrar a capacidade de abortar o procedimento de aproximação.

Somente depois de tudo verificado, a Dragon receberá sinal verde para se atracar com a Estação Espacial.

Ao contrário das naves Soyuz, a Dragon não se atracará automaticamente: ele será capturada por um dos braços robóticos da Estação, e colocada gentilmente no módulo Harmonia. [Imagem: SpaceX]

Ao contrário das naves Soyuz, a Dragon não se atracará automaticamente: ela será capturada por um dos braços robóticos da Estação, e colocada gentilmente no módulo Harmonia.

Ao final da missão, três semanas mais tarde, a tripulação irá inverter o processo, retirando a nave da Estação e liberando-a no espaço, para que ela possa retornar à Terra e descer de paraquedas no oceano, onde será recuperada.

Carga ou passageiros

A cápsula Dragon foi projetada em duas configurações, uma para levar carga e outra para levar passageiros.

No primeiro caso, são até 6 toneladas de carga, dispostos em dois compartimentos, um pressurizado, com 10 metros cúbicos (m3) e outro não pressurizado, com 14 m3.

No modo com passageiros, a capacidade é para até 7 astronautas.

Para garantir uma transição rápida de carga para tripulação, as duas versões são quase idênticas, com exceção do sistema de escape da tripulação, sistema de suporte de vida e controles internos que permitem à tripulação assumir o controle do computador de voo quando necessário.

Isso permitirá também que os sistemas críticos para a segurança de voo sejam totalmente testados em missões de demonstração não tripuladas.

A nave possui um sistema de controle com 18 propulsores, utilizados para controle de atitude e manobras orbitais. Eles contam com um tanque com 1.290 kg de propelente.

Sacolinhas biodegradáveis não se biodegradam como esperado

Teste aleatório

O Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) de São Paulo realizou um estudo para verificar a capacidade de biodegradação de quatro diferentes tipos de sacolas plásticas de supermercado.

Algumas dessas sacolas são vendidas em supermercados como sendo "degradáveis" ou "biodegradáveis".

Os testes mostram a porcentagem que cada material biodegradou durante um período de 28 dias.

O teste não pode ser conclusivo em relação a todas as opções no mercado porque as quatro sacolas testadas foram escolhidas aleatoriamente por uma emissora de televisão, que encomendou o teste.

Além de existem centenas de fabricantes no mercado, com produtos diferenciados, a avaliação contou com apenas uma amostra de cada uma das sacolinhas.

Está em andamento no instituto um teste de longo prazo das sacolinhas, com uma amostra mais criteriosa:

• Quanto tempo uma sacola de supermercado leva para se decompor?

Medição da biodegradabilidade

O teste consistiu em mergulhar os diferentes tipos de embalagens em uma solução mineral, para que elas sejam consumidas por microrganismos naturais, retirados da natureza (solo, lago, lodo), simulando com maior intensidade o que pode acontecer no meio ambiente.

Assim, as sacolinhas são a única substancia orgânica fonte de alimento para essas bactérias.

Os resultados de biodegradação foram os seguintes, para o período de teste avaliado (28 dias):

• sacola de papel - 40%;
• sacolinha de plástico comum - 30%;
• sacola de amido de milho - 15%;
• sacola oxidegradável (que recebem aditivos para se degradarem mais rápido) - 2%.

A margem de erro do teste é de 10%.

Biodegradação difícil

Segundo o IPT, de modo geral, nenhuma das sacolinhas analisadas pode ser considerada como de fácil biodegradação, isto é, não serão degradadas rapidamente na natureza.

Segundo as normas técnicas, biodegradável é todo material cujo conteúdo orgânico se transforma em água e gás carbônico (mínimo 60%), em até 28 dias.

A biodegradação leva à formação de dióxido de carbono (CO2), água e biomassa. A porcentagem de CO2 gerado pelo material estudado, em relação ao total de CO2 teoricamente esperado para a completa oxidação do conteúdo de carbono da amostra (CO2 - teórico), informa se a sacola é biodegradável ou biorresistente, determinada nessa metodologia por 28 dias.

Material compostável, por sua vez, é o material que se biodegrada e gera húmus com ausência de metais pesados e substâncias nocivas ao meio ambiente, permitindo a germinação e o desenvolvimento normal de plantas.

Composição química das sacolinhas

O IPT analisou também a composição química das quatro sacolas plásticas avaliadas.

Por meio desta técnica, foi identificado que as sacolas "oxidegradável" e "convencional" são constituídas de polietileno, um dos plásticos mais comuns em vários tipos de aplicação.

Na sacola de "amido" foi identificada a presença de um constituinte polimérico quimicamente diferente das outras duas citadas, um polímero do tipo poliéster, que inclui produtos químicos presentes nas plantas.

Segundo o IPT, ainda não é possível avaliar a origem do material polimérico, se ele é proveniente de uma fonte renovável ou não.

Além disso, as técnicas empregadas não permitem identificar a presença de possíveis aditivos nas sacolas, como os oxidegradáveis.

Segredos da primeira folha artificial prática

Ela não é verde, mas é a primeira folha artificial a imitar a fotossíntese de forma simples e barata, embora ainda tenha uma eficiência baixa. [Imagem: Daniel Nocera/ACS]

Fotossíntese artificial

Há cerca de um ano, a equipe do professor Daniel Nocera, do MIT, anunciou os primeiros resultados daquilo que ele chamou de uma folha artificial prática.

Agora, depois de o trabalho ter sido revisado por outros cientistas, finalmente foi publicada a descrição detalhada do dispositivo.

A ideia das folhas artificiais é imitar o processo da fotossíntese, gerando energia, ou combustível, diretamente a partir da luz do Sol - uma ideia que foi defendida pela primeira vez em 1912, pelo químico italiano Giacomo Ciamician.

Atingindo-se um rendimento mínimo, isto representaria uma revolução na matriz energética mundial.

Existem várias pesquisas na área, com várias abordagens diferentes, mas todas em um estágio ainda bastante inicial de desenvolvimento.

Quebra da água em hidrogênio e oxigênio

A grande vantagem do dispositivo agora divulgado é que, ao contrário dos anteriores, ele se baseia em técnicas de baixo custo para a sua fabricação e dispensou a platina, um dos elementos mais caros usados nas folhas artificiais.

No processo de imitar a fotossíntese, o passo mais importante é a etapa que divide a água em hidrogênio e oxigênio.

A folha artificial possui um coletor solar ensanduichado entre duas películas, que geram a reação necessário para liberar o oxigênio e o hidrogênio.

Quando mergulhado em um frasco com água, à luz do sol, o dispositivo começa a borbulhar, liberando os dois gases: o hidrogênio pode então ser usado em células a combustível para gerar eletricidade.

Um gerador assim integrado, consistindo em uma peça única, é um conceito atraente porque pode ser facilmente deslocado para gerar energia em lugares remotos, eventualmente entrando no mercado em nichos como recarregadores de baterias ou em substituição aos painéis solares.

O silício da célula solar precisa ser protegido da água, e isto é feito, entre outras complicações, usando ITO, o óxido de índio dopado com estanho, o mesmo condutor transparente usado nas telas sensíveis ao toque. [Imagem: Daniel Nocera/ACS]

Dispensando a platina

Até agora, porém, todos os protótipos acenam com custos proibitivos, porque dependem de catalisadores de metais nobres, como a platina, e processos de fabricação ainda não desenvolvidos para escala industrial.

A equipe do professor Nocera encontrou uma forma de substituir a platina por um composto de níquel, molibdênio e zinco (NiMoZn), que é bem mais barato.

No outro lado da folha, para gerar o oxigênio, é usada uma película de cobalto.

Na folha artificial, a membrana fotossintética é substituída por uma junção de silício, uma célula solar, que captura a luz e gera a corrente elétrica na forma de pares elétrons-lacunas.

Na fotossíntese artificial, a enzima básica do complexo de quebra da molécula da água é substituída pelos catalisadores de cobalto e NiMoZn.

Prática, mas ainda não viável

Mas ainda há desafios a vencer antes que a "folha artificial prática" do professor Nocera seja viável.

O silício da célula solar precisa ser protegido da água, e isto é feito, entre outras complicações, usando ITO, o óxido de índio dopado com estanho, o mesmo condutor transparente usado nas telas sensíveis ao toque.

E o ITO não é um material barato e nem largamente disponível.

O segundo degrau a ser vencido é o rendimento: do protótipo tem uma eficiência de 6,2%, o que é muito menos do que as células solares oferecem.

Assim, por enquanto, seria mais prático usar as células solares para produzir eletricidade - a um rendimento médio de 20% - e usar essa eletricidade para fazer a eletrólise da água, liberando igualmente o oxigênio e o hidrogênio.

Mas nenhuma tecnologia nasceu pronta e super eficiente, o que justifica a crença de alguns cientistas de que o futuro energético do planeta está nas folhas artificiais.

Bibliografia:

The Artificial Leaf
Daniel G. Nocera
Accounts of Chemical Research
Vol.: 45 (5), pp 767-776
DOI: 10.1021/ar2003013

Peixe-robô chama a atenção para a poluição das águas

Projetado para monitoramento da qualidade das águas, o robô se diferencia dos inúmeros outros projetos de peixes-robôs por um sistema de propulsão oscilante. [Imagem: BMT Group]

Movimento oscilante

Pesquisadores lançaram às águas um peixe-robô amarelo que realmente é capaz de chamar a atenção.

Projetado para monitoramento da qualidade das águas, o robô se diferencia dos inúmeros outrosprojetos de peixes-robôs e dos robôs submarinos por um sistema de propulsão por braço oscilante.

Embora tente imitar um peixe, os animais têm um sistema de locomoção bem mais complexo, que inclui a oscilação de todo o corpo, coordenada com o movimento das barbatanas.

A propulsão do novo robô está para o nadar de um peixe assim como o voo de um pássaro está para o voo de um avião.

Contudo, simulações em computador têm mostrado que projetos mais avançados de peixes-robôs podem ser altamente eficientes, levando alguns cientistas a falarem em substituir as hélices na propulsão de navios.

Projetos alternativos

Luke Speller, um dos criadores do peixe-robô amarelo, afirmou que um dos objetivos dos testes, que está sendo realizado no norte da Espanha, é refinar o projeto, com vistas a comercializá-lo para o monitoramento ambiental.

Já existem robôs monitorando todos os oceanos da Terra desde 2008, mas todos usam sistemas mais simples e mais eficientes de locomoção, sobretudo porque um monitoramento mais eficiente exige que o robô mergulhe continuamente, para coletar dados a várias profundidades.

Embora não tenha um sistema de propulsão eficiente, o peixe-robô pode encontrar seus próprios nichos de aplicação. [Imagem: BBC]

Mas parece haver espaço para projetos diferenciados: há poucos dias, robôs movidos por ondas bateram o recorde mundial de distância para robôs autônomos flutuantes.

E seu objetivo também é o monitoramento ambiental.

Cada um na sua

O robô-peixe amarelo pode até perder em eficiência na conversão de energia - a carga de suas baterias não dura mais do que oito horas - mas tem grande apelo de mídia.

Assim, ele pode encontrar seu nicho de aplicação na divulgação da robótica, em atrações turísticas, ou em "iniciativas ambientais" onde o marketing seja mais importante do que o meio ambiente em si, como ocorre nos "projetos de sustentabilidade" de várias empresas.

Por detrás das cortinas, ou sob as águas, o trabalho sério poderia ser feito porenxames de robôs flutuantes, capazes de coletar dados continuamente em águas rasas ou até mesmo na correnteza de rios.

Hidrogênio faz metal virar isolante

Eletrodos de ouro são usados para monitorar com precisão a estranha alteração de fase do óxido de vanádio, que é tanto estrutural quanto eletrônica.[Imagem: Jiang Wei/Rice University]

Transição metal-isolante

O óxido de vanádio é um material estranho: como metal, ele é um condutor térmico e elétrico.

Mas aqueça-o a meros 67 ºC e, em um trilionésimo de segundo, ele passa a ser um isolante.

Isso tem inúmeras aplicações práticas, como janelas sensíveis à temperatura, que absorvem a energia no Sol nos dias frios, e a refletem nos dias de calor.

Ou vidros inteligentes que simplesmente deixam passar a luz e bloqueiam o calor.

Alguns pesquisadores estão também usando o óxido de vanádio para desenvolver chaves ópticas para incorporação em circuitos eletrônicos, no campo da chamada optoeletrônica.

Agora, esse "material bipolar" poderá encontrar ainda mais utilidades, uma vez que cientistas descobriram uma forma não apenas de baixar a temperatura dessa transição metal-isolante, mas também de torná-la totalmente reversível.

Dopagem reversível

A técnica de "dopagem reversível" é feita com a mera adição do gás hidrogênio.

"Se adicionamos pouco hidrogênio, a transição de fase acontece a uma temperatura ligeiramente mais baixa, e a fase isolante se torna mais condutora. Se o hidrogênio for acrescentado em quantidade suficiente, a transição para a fase isolante desaparece completamente," explica Douglas Natelson, da Universidade Rice, nos Estados Unidos.

"No lado prático, há várias aplicações para isso, como sensores ultrassensíveis de hidrogênio", diz o pesquisador. "Mas a compensação mais imediata será nos ajudar a entender melhor a física envolvida na transição de fase do VO2."

De fato, os modelos atuais não conseguem explicar o que acontece na rede atômica desse dióxido.

Transição de fase do dióxido de vanádio

Quando o oxigênio reage com o vanádio para formar o VO2, os átomos formam cristais que se parecem com longos caixotes retangulares. Os átomos de vanádio alinham-se ao longo das quatro bordas do caixote, em linhas regularmente espaçadas.

Um único cristal de VO2 pode ter várias dessas caixas alinhadas lado a lado. Nessa estrutura, esses cristais conduzem eletricidade como se fossem fios.

Mas tudo muda aos 67 ºC.

"Estruturalmente, os átomos de vanádio emparelham-se, e cada par fica ligeiramente inclinado, de forma que você não tem mais essas longas cadeias. Quando a fase muda, com a ocorrência desses emparelhamentos, o material passa de um condutor elétrico para um isolante elétrico," explica Natelson.

Ou seja, ocorre uma transição de fase que é tanto estrutural, quanto eletrônica.

Quando entenderem totalmente esse processo, os pesquisadores poderão ajustá-lo ou controlá-lo de forma mais precisa, levando o óxido de vanádio para aplicações mais nobres.

Isso agora poderá ser feito com muito mais rapidez e precisão com a possibilidade de reverter a transição de fase à vontade, com a simples adição de hidrogênio.

Bibliografia:

Hydrogen stabilization of metallic vanadium dioxide in single-crystal nanobeams
Jiang Wei, Heng Ji, Wenhua Guo, Andriy H. Nevidomskyy, Douglas Natelson
Nature Nanotechnology
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2012.70

Antimagneto: Invisibilidade magnética prática e simples

Um objeto colocado no interior do cilindro, além do próprio cilindro, são magneticamente indetectáveis. [Imagem: J. Prat-Camps/C. Navau/A. Sanchez]

Cientistas criaram uma camuflagem magnética extremamente simples, e que foge da linha tradicional das pesquisas na área, que vinha se baseando exclusivamente nos metamateriais.

O dispositivo, que fica totalmente invisível a um campo magnético, foi fabricado com materiais comprados no comércio, o que aponta para aplicações práticas a curto prazo.

Além dos metamateriais

A ciência dos dispositivos de camuflagem, ou mantos da invisibilidade nasceu como uma curiosidade teórica há poucos anos, mas migrou rapidamente para os laboratórios, e vem atiçando a curiosidade do público e dos cientistas.

No ano passado, Alvaro Sanchez e seus colegas da Universidade Autônoma de Barcelona publicaram um artigo no qual demonstravam toda a teoria necessária para construir a camuflagem magnética, ou antimagneto, como eles chamavam o aparato.

Com suas equações embaixo do braço, os teóricos espanhóis contataram experimentalistas da Academia Eslovaca de Ciências, especialistas em medições muito precisas de campos magnéticos.

Fedor Gomory e seus colegas demoraram apenas alguns poucos meses para demonstrar o antimagneto na prática e confirmar as teorias do grupo espanhol.

O resultado é um desvio inesperado na área, mostrando que os metamateriais não são essenciais para criar invisibilidades.

Antimagneto

O manto da invisibilidade magnética, ou camuflagem magnética, consiste de um cilindro composto de duas camadas concêntricas.

A camada interna é um material supercondutor, que repele o campo magnético, enquanto a camada exterior é composta de um material ferromagnético - uma liga de ferro, níquel e cromo -, que atrai o campo magnético.

A camada supercondutora do cilindro impede que o campo magnético alcance o interior da camuflagem, mas distorce as linhas do campo ao seu redor.

A camada ferromagnética interna produz o efeito oposto: ela atrai as linhas do campo magnético, compensando a distorção criada pelo supercondutor, mas sem permitir que o campo magnético entre no interior do cilindro.

A camada ferromagnética do cilindro atrai as linhas do campo magnético (esquerda), enquanto a camada supercondutora os repele (direita). [Imagem: J. Prat-Camps/C. Navau/A. Sanchez]

O efeito global é um espaço interno do cilindro sem nenhum campo magnético, e absolutamente nenhuma distorção no campo magnético externo.

Em outras palavras, não é possível detectar nem o cilindro e nem o objeto que for colocado em seu interior.

Aplicações médicas

Como o dispositivo foi fabricado com materiais disponíveis no comércio - o experimento inteiro custou US$1.300,00 -, e como ele opera em campos magnéticos relativamente fortes, os cientistas afirmam que ele poderá ser prontamente usado na prática.

Vale lembrar que, como usa um supercondutor, o dispositivo precisa de nitrogênio líquido para funcionar - mas equipamentos de imageamento médico também precisam.

Os cientistas citam como possibilidade de aplicação prática, por exemplo, um dispositivo que torne marca-passos e outros implantes médicos invisíveis aos campos magnéticos, permitindo que pacientes portadores desses implantes possam usufruir dos exames mais modernos, como a ressonância magnética.

Por outro lado, é fácil também imaginar aparatos não tão bem intencionados, como um antimagneto para esconder armas dos detectores magnéticos dos aeroportos. Mas, além de ainda ser impensável esconder um dispositivo criogênico com as dimensões necessárias, os aeroportos contam com outros mecanismos de checagem, como máquinas de raios X.

Cancelar o magnetismo

Os cientistas estão perfeitamente familiarizados com o processo de "criar" magnetismo - 99% da energia consumida no mundo usa geradores baseados no magnetismo, o fenômeno está presente em todos os motores elétricos e é a base de todo o armazenamento digital de dados.

Mas cancelar o magnetismo tem-se mostrado um desafio tanto científico quanto tecnológico.

Esta nova camuflagem magnética abre o caminho para que isso possa ser feito de maneira muito flexível, incluindo outras aplicações na tecnologia da informação, como a blindagem de dados armazenados magneticamente.

Bibliografia:

Experimental Realization of a Magnetic Cloak
Fedor Gomory, Mykola Solovyov, Ján Souc, Carles Navau, Jordi Prat-Camps, Alvaro Sanchez
Science
Vol.: 335 - pp. 1466-1467
DOI: 10.1126/science.1218316

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Chips e cifrões

O programa contará com 15 instrutores certificados nos Estados Unidos e oferecerá bolsa de R$ 2.000,00 durante os 12 meses do curso.

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Segundo o CI-Brasil, os salários iniciais para um projetista de chip no Brasil variam de R$3.000,00 a R$6.500,00 para projetistas juniores, podendo chegar a R$14.000,00 para projetistas experientes.