Aplicações da Supercondutividade - O skate voador da Lexus

quarta-feira, 20 de março de 2013

Cerâmica mais sofisticada (sophisticated ceramics)


Desenvolvimento tecnológico nas fábricas de pisos e azulejos leva o Brasil ao posto de segundo produtor mundial


Revista Pesquisa FAPESP - YURI VASCONCELOS | Edição 205 - Março de 2013


© LÉO RAMOS

Nos últimos 15 anos o Brasil multiplicou por quatro sua produção de revestimentos cerâmicos, material que engloba pisos e azulejos, e hoje é o segundo maior fabricante mundial desses produtos. Com 866 milhões de metros quadrados (m²) produzidos em 2012, o país só perde para a China e já superou concorrentes tradicionais, como Espanha e Itália, que até há alguns anos dominavam o setor. De acordo com a Associação Nacional dos Fabricantes de Cerâmica para Revestimento, Louças Sanitárias e Congêneres (Anfacer), que representa 93 empresas de 18 estados, os fabricantes nacionais estão alinhados com a melhor tecnologia disponível no mundo. O crescimento brasileiro acentuou-se na década passada, quando o setor recebeu apoio de um projeto submetido ao programa de Consórcios Setoriais para Inovação Tecnológica (Consitec), da FAPESP, que reuniu pesquisadores do Centro Cerâmico do Brasil (CCB) e de um conglomerado de empresas do polo cerâmico de Santa Gertrudes, na região de Rio Claro, no interior paulista, além de pesquisadores de universidades e institutos de pesquisa. Com foco no desenvolvimento da indústria local, o projeto introduziu inovação e capacitação de pessoal nas fábricas a fim de melhorar a qualidade e a competitividade da cerâmica do estado de São Paulo.
Em 2001, quando o projeto Consitec teve início, o Brasil era o quarto produtor mundial de placas cerâmicas, com 473 milhões de m², e São Paulo respondia por 40% da fabricação nacional. Hoje as empresas paulistas respondem por cerca de 70% da produção nacional, de 866 milhões de m², e o país é vice-líder mundial. “Quando se iniciou a articulação com as empresas para formação do consórcio, a imagem dos produtos de Santa Gertrudes era bem negativa. Os itens eram reconhecidos como de baixa qualidade técnica e estética”, recorda-se o engenheiro de materiais José Octavio Armani Paschoal, presidente do CCB e coordenador do projeto do Consitec. “Agora isso mudou. São Paulo conquistou papel de destaque no cenário da fabricação de placas cerâmicas para revestimento. Se antes íamos a reboque, hoje estamos na linha de frente”, diz ele.
As empresas paulistas faturaram R$ 3,78 bilhões em 2011. A Anfacer não divulgou os dados sobre o faturamento do setor em âmbito nacional, que gera 25 mil postos de trabalho diretos e em torno de 200 mil indiretos. O projeto Consitec foi articulado com 20 fábricas paulistas e contemplou sete linhas de pesquisa, desde inovações na área de ensaios para avaliação de produtos a estudos em tecnologia de assentamento de placas cerâmicas. Três linhas tiveram como foco o porcelanato, um tipo de placa cerâmica sofisticada com alto valor agregado e requisitos técnicos diferenciados, como menor absorção de água, maior resistência mecânica e design mais elaborado. Foram pesquisados o desenvolvimento de matérias-primas para fabricação dessas peças, o estudo da tecnologia de processo industrial e a formulação de esmaltes especiais.




Um dos principais benefícios do projeto Consitec, que teve investimentos da ordem de R$ 586 mil num período de sete anos por parte da FAPESP e igual valor das empresas, foi proporcionar uma melhora significativa da qualidade da cerâmica paulista. “O percentual de placas classificadas como classe A, isentas de defeitos, tais como trincas, manchas e variações na tonalidade do esmalte, entre outros, subiu de 50% para 98% ao final do programa. Menos de 2% das placas cerâmicas produzidas hoje no estado têm imperfeições”, diz Paschoal. Segundo ele, o primeiro obstáculo a ser superado foi ajustar o processo de produção nas fábricas, buscando implantar um sistema de gestão de qualidade. “Percebemos que as empresas não tinham o controle de todo o processo. Com o início da certificação da qualidade do produto acabado, feita pelo CCB, o índice de não conformidade às normas nacionais e internacionais caiu drasticamente. O setor de cerâmica para revestimento transformou-se em um dos líderes do setor da construção civil em matéria de conformidade com as normas técnicas”, comenta Paschoal. O número de empresas do polo cerâmico de Santa Gertrudes com produtos de qualidade certificados chegou a 20 em 2008, o dobro de sete anos antes. No mesmo período, a quantidade de fábricas com sistema de qualidade certificado pela norma ISO 9001 passou de 4 para 13.
Além do aumento da qualidade e da certificação dos produtos, as indústrias paulistas também passaram a fabricar um volume maior de peças de porcelanato. “O porcelanato é um produto mais caro e compete com rochas naturais, como mármore e granito”, diz a engenheira de materiais Ana Paula Menegazzo, superintendente do CCB. “Quando as empresas brasileiras começaram a fabricar esse tipo de produto, o consumidor com maior poder aquisitivo comprou a ‘grife’, inclusive pagando mais por ela.” Segundo estatísticas da entidade, a produção brasileira do item aumentou 18 vezes na década passada, saltando de 4 milhões de metros cúbicos em 2001 para 72 milhões em 2011. No mesmo período, o número de fabricantes paulistas da mercadoria passou de 3, que produziam apenas peças de pequenas dimensões (pastilhas), para 15, com know-how para fazer placas com mais de um metro quadrado. Apesar do aumento, o maior centro produtor de porcelanato no país ainda é Santa Catarina – estado que também concentra um importante polo cerâmico.




No interior paulista, a Villagres, com sede em Santa Gertrudes, é uma das principais fabricantes de pisos e revestimentos de porcelanato. Com tradição na produção de cerâmica há quase 90 anos, ela tem 108 diferentes itens de seu portfólio e vem investindo em novas tecnologias. A empresa foi uma das primeiras no estado a empregar a tecnologia de impressão digital, um processo feito com jato de tinta que possibilita serigrafar qualquer superfície cerâmica. “É um processo sofisticado, mas, ao mesmo tempo, fácil de ser trabalhado. Você pode, por exemplo, escanear uma pedra na natureza e reproduzir seus traços no porcelanato. A máquina funciona como se fosse uma impressora de papel, com a diferença que ela usa esmalte sobre uma placa de cerâmica”, explica Vanderli Vitório Della Coletta, dono da Villagres. A empresa produziu 6 milhões de m2 de revestimentos cerâmicos em 2012 e teve um crescimento de 6% no faturamento em relação a 2011. “Tivemos um ano muito bom e continuamos em expansão. Estamos melhorando o nosso portfólio e migrando nossa produção para o porcelanato”, diz.
Para Marcos Serafim, gerente da área de inovação do CCB, a impressão digital traz uma nova forma de pensar o design de produtos e o sistema industrial do setor, e impõe alguns desafios. “Apesar de toda a mudança tecnológica, a transformação mais profunda tem que acontecer no design. A questão agora é como capturar, trabalhar e manipular digitalmente esses desenhos sem que aconteça uma pasteurização gráfica”, diz ele. Nesse quesito, segundo Serafim, as indústrias nacionais continuam tendo por referência países como Espanha e Itália, que comercializam os desenhos digitais diretamente para as empresas nacionais ou via fornecedores de matérias-primas ou estúdios de design. “O Brasil precisa inovar criando sua própria identidade em design de produtos”, comenta.


© LÉO RAMOS

Argila em forma bruta antes do processamento na indústria

Um fator determinante para o crescimento do setor cerâmico de São Paulo é a qualidade da matéria-prima usada na fabricação dos produtos. “Santa Gertrudes tem uma das maiores minas de argila do mundo”, diz Elson Longo, professor do Instituto de Química da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em Araraquara, e coordenador do Centro Multidisciplinar para o Desenvolvimento de Materiais Cerâmicos (CMDMC), um dos 11 Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepid) da Fapesp. “Além disso, a argila vermelha que aflora próximo à superfície da região é de ótima qualidade e os fabricantes não precisam colocar quase nenhum aditivo para fabricar os produtos. Esse é um importante diferencial competitivo”, diz Longo. Ele coordenou as pesquisas do projeto Consitec, no lado acadêmico, com pesquisadores da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), de São Paulo. “A tecnologia e o conhecimento gerado no projeto Consitec só foram possíveis com o financiamento da FAPESP”, diz Longo.
Por conta das propriedades da matéria-prima, os revestimentos cerâmicos feitos no interior paulista utilizam a moagem a seco, processo mais simples do que a “via úmida” e que proporciona uma redução de custos de até 50%. A preparação da massa para moagem a úmido, empregada em Santa Catarina e em outros lugares do país, requer várias etapas, enquanto no processo a seco a argila passa apenas por um moinho e já está pronta para prensagem. “A argila encontrada na formação Corumbataí, na região de Santa Gertrudes, possui propriedades de plasticidade privilegiadas, o que permite um tempo de queima menor, elevando os índices de produtividade”, diz Ana Paula.
O estudo das propriedades da argila do interior paulista é o tema do doutorado do engenheiro de materiais Rogers Rocha, dono da fábrica Rochaforte, em Cordeirópolis. “Existe uma grande diferença na argila dentro de uma mina e de uma mina para outra. Eu pesquiso as características mineralógicas, químicas e cerâmicas das rochas da formação Corumbataí, de onde é extraída a argila usada pelas fábricas locais”, afirma o pesquisador-empresário. “Entender melhor as características da matéria-prima vai nos ajudar a melhorar a qualidade dos itens que produzimos.” A Rochaforte foi criada há 60 anos pelo avô de Rogers. Como tantas outras empresas do setor da região, ela começou fabricando telhas e tijolos e passou a oferecer lajotões, um tipo de piso rudimentar. Atualmente fabrica por mês 2 milhões de m2 de revestimentos cerâmicos, utilizando a moagem a seco. “Esse processo é incomparável em termos de custo”, diz Rocha.


Segundo o empresário, o desenvolvimento tecnológico e o aprimoramento dos processos fabris foram fundamentais para o boom da cerâmica paulista. “A aproximação da nossa indústria com a academia melhorou demais os produtos e processos. Percebo resultados práticos da pesquisa na minha empresa. Alguns dos nossos produtos têm o mesmo nível de qualidade dos fabricados na Espanha e na Itália”, diz ele. Além de vender para o mercado interno, a Rochaforte exporta para clientes nos Estados Unidos, Chile, Argentina e alguns países da América Central.
Inaugurado há 20 anos, o CCB teve um papel central na evolução do setor cerâmico nacional. A entidade tem atuado na pesquisa e no desenvolvimento de produtos cerâmicos, operando principalmente na interface universidade-empresa e realizando serviços de assessoria técnica e tecnológica para o setor. O Centro de Inovação Tecnológica em Cerâmica (Citec/CCB) dispõe de uma moderna infraestrutura laboratorial que foi qualificada pelo Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro) para a realização de ensaios de certificação e de controle de qualidade de produto e processo. Ele possui uma instalação completa para fabricar qualquer tipo de placa cerâmica em escala laboratorial, bem como equipamentos para avaliar resistência à flexão, desgaste por abrasão e resistência ao escorregamento de pisos.


© LÉO RAMOS

Na empresa Villagres, impressão digital reproduz foto de um tigre no piso de cerâmica
Apenas em 2011 foram executados 20.577 ensaios nos laboratórios do Citec/CCB, que conta com 12 pesquisadores, sendo 3 mestres e 3 doutores. “Com o início de operação do Citec, passamos a desenvolver novos produtos, a melhorar o processo produtivo e a realizar atividades pós-venda. Isso permitiu uma sólida compreensão dos principais problemas observados nos revestimentos cerâmicos. Da mesma forma, conduzimos pesquisas no sistema de aplicação da cerâmica, que permitiram uma queda importante nos problemas de assentamento do produto”, afirma Paschoal.
Em conjunto com a Anfacer, a associação de fabricantes, o CCB também participou da elaboração de normas técnicas do setor, entre elas a norma brasileira de porcelanato. A entidade é a coordenadora da Comissão de Estudos de Placas Cerâmicas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). “Com parâmetros muito rigorosos, a norma do porcelanato, a NBR 15463, foi criada a partir de uma demanda dos próprios fabricantes com o objetivo de ressaltar a alta qualidade e a competitividade do porcelanato brasileiro. Pioneira no mundo, ela foi apresentada ao Comitê Internacional ISO 189, que trabalha com normas mundiais para revestimento cerâmico”, conta Ana Paula. “O Brasil é o único país com uma norma específica para porcelanato, cujos requisitos técnicos são os mais exigentes entre todos os países. Por isso, posso afirmar sem medo que os porcelanatos certificados pelo CCB são os melhores do mundo”, diz. Segundo ela, o Brasil participa ativamente dos trabalhos de revisão de normas técnicas internacionais. “Atualmente trabalhamos com o Instituto de Tecnologia Cerâmica (ITC), da Espanha, o Tile Council of North America (TCNA), dos Estados Unidos, e o Centro Cerâmico de Bolonha (CCB), na Itália, na criação de uma nova metodologia de ensaio para medição da resistência à abrasão dos produtos cerâmicos”, diz.
Os bons resultados dos últimos anos têm mantido o otimismo dos industriais em alta. Muitas empresas paulistas planejam expandir suas fábricas, como a Rochaforte, que programa a abertura de filiais no Nordeste. As filiais são importantes porque o transporte das mercadorias das fábricas para os locais de consumo tem um custo relevante no preço final do produto. A expansão do mercado interno, segundo Paschoal, deve continuar aquecendo a procura por revestimentos cerâmicos. “Apesar do aumento significativo de construção de novas unidades habitacionais nos últimos anos, ainda existe um grande déficit de moradias no país, da ordem de 10 milhões de unidades. Além disso, há também o mercado de reforma de construções, o que indica um grande consumo potencial para a cerâmica”, diz. Para ele, o grande desafio daqui para frente é elevar a produtividade da indústria nacional e promover o desenvolvimento de novos produtos cerâmicos, principalmente por meio de inovações tecnológicas, “permitindo que o Brasil atinja ainda mais protagonismo no mercado mundial”.


Projeto
Consórcio setorial da indústria de cerâmica para revestimento do estado de São Paulo: inovação tecnológica e competitividade (nº 2001/10783-5); Modalidade Programa Consórcios Setoriais para Inovação Tecnológica (Consitec); Coord. José Octávio Armani Paschoal — CCB; Investimento R$ 586.715,13 (FAPESP) e R$ 586.715,13 (Empresas).


O blog Divulgando a Supercondutividade agradece a Mathilde Grenet pela divulgação do texto. 


sexta-feira, 15 de março de 2013

Geladeira quântica faz gelo absoluto (quantum refrigerator)




A geladeira quântica usa a física quântica no chip quadrado - montado sobre a placa verde - para resfriar a placa de cobre no centro da imagem.[Imagem: Schmidt/NIST]

Nanorrefrigeração

Enquanto as geladeiras a laser não chegam, talvez você possa se contentar com uma geladeira quântica. O primeiro exemplo daquilo que se poderia chamar de um refrigerador quântico veio de forma um tanto surpreendente, quando físicos italianos conseguiram mover a entropia de um sistema para outro.
     Mas a geladeira quântica criado por Peter Lowell e colegas do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) dos Estados Unidos está pronta para uso, ao menos em laboratórios.
     Este é o primeiro refrigerador quântico de estado sólido que usa fenômenos da física quântica, operando em micro e nanoestruturas - ele não possui nenhuma parte móvel - para resfriar objetos muito maiores, de nível macroscópico.
     Embora existam inúmeros aparatos capazes de resfriar objetos em laboratório até temperaturas que se aproximam do zero absoluto, o novo equipamento permitirá que os cientistas ponham e retirem seus experimentos para congelamento da mesma forma que se manipula os alimentos em uma geladeira doméstica.
“É uma das realizações mais impressionantes que eu já vi. Nós usamos a mecânica quântica em uma nanoestrutura para resfriar um bloco de cobre que é um milhão de vezes mais pesado do que os elementos de refrigeração,” disse Joel Ullom, membro da equipe.

Laboratórios e telescópios

O que realmente impressiona é o rendimento do refrigerador quântico: seu poder de resfriamento pode ser comparado a um ar condicionado de parede resfriando um prédio inteiro.
     A geladeira quântica poderá resfriar sensores abaixo das temperaturas criogênicas (300 miliKelvin), normalmente obtidas com o uso de hélio líquido, facilitando os experimentos com computadores quânticos e estendendo a vida útil das câmeras de telescópios espaciais - o telescópio espacial Herschel está chegando ao fim de sua vida útil justamente pelo esgotamento do seu reservatório de hélio líquido.
     Este é mais uma de um crescente número de demonstrações de como dispositivos em nanoescala, que funcionam segundo as leis da mecânica quântica, afetam fenômenos em macroescala, que funcionam segundo das leis da física clássica.
     As aplicações portáteis são ainda mais facilitadas pela pouca energia necessária para alimentar a geladeira quântica: o protótipo funciona com uma única bateria de 9V.

Como funciona a geladeira quântica

O resfriamento quântico é feito por um conjunto de 48 sanduíches de diversos materiais, condutores e isolantes, intercalados com um metal supercondutor.
     Com a aplicação de uma tensão elétrica, os elétrons de mais alta energia saem das camadas condutoras, tunelam através das camadas isolantes, até atingir a camada supercondutora.
     A temperatura nas camadas metálicas cai dramaticamente, drenando energia eletrônica e vibracional do objeto que está sendo resfriado.
     A mesma equipe já havia demonstrado a viabilidade de exploração desse processo, mas em dimensões microscópicas:

Refrigeradores do tamanho de um chip

O protótipo levou um bloco de cobre de 2,5 centímetros de lado e 3 milímetros de altura a uma temperatura de 256 mK. Os pesquisadores afirmam já ter em mente melhoramentos que levarão o equipamento a atingir 100 mK.

Bibliografia:
Macroscale refrigeration by nanoscale electron transport. Peter J. Lowell, Galen C. O'Neil, Jason M. Underwood, Joel N. Ullom, Applied Physics Letters. Vol.: 102, 082601. DOI: 10.1063/1.4793515

Fonte: Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/03/2013

sexta-feira, 8 de março de 2013

Refrigeração óptica promete geladeiras a laser (laser cooling)


Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/03/2013


Resfriamento a laser pode revolucionar refrigeração

Foto do experimento, mostrando o material semicondutor - sulfeto de cádmio - sendo resfriado por um feixe de laser. [Imagem: Nanyang Technological University]







Retirando calor com luz

Os grandes e barulhentos aparelhos de ar-condicionado logo poderão ser coisa do passado. Cientistas descobriram uma forma revolucionária de refrigeração que usa raios lasers no lugar dos compressores e gases danosos para a camada de ozônio.
     A inovação também poderá ter uma série de outros usos, incluindo a miniaturização de equipamentos de ressonância magnética, óculos de visão noturna e câmeras de satélites - todos esses equipamentos exigem sistemas de refrigeração de alta eficiência.
Os pesquisadores demonstraram a nova tecnologia de refrigeração a laser usando a luz para baixar a temperatura de um semicondutor de 20º C para -20º C.
     Embora lasers já sejam usados para resfriar experimentos quânticos até temperaturas criogênicas, o princípio nunca havia sido demonstrado em semicondutores, o que abre as portas para sua utilização em macroescala. Escolhendo cuidadosamente a frequência do laser é possível extrair energia mecânica do material por meio da luz que se reflete nele.
     A energia é extraída na forma de fónons, "partículas" associadas com oscilações mecânicas, assim como os fótons são associados com oscilações eletromagnéticas - os fónons são aniquilados durante um fenômeno conhecido como luminescência anti-Stokes. O sistema é mais simples do que outra abordagem da refrigeração óptica a laser demonstrada anteriormente.

Refrigeração óptica

Embora mais do que adequado para os sistemas de ar-condicionado domésticos e industriais, os pesquisadores querem levar a tecnologia ao extremo, atingindo temperaturas de -269º C, que hoje são atingidas usando hélio líquido.
“Nossos resultados iniciais, publicados na Nature, mostraram que é possível resfriar um semicondutor a laser até a temperatura do nitrogênio líquido, e nós queremos alcançar uma temperatura ainda mais baixa, como a do hélio líquido,” disse o Dr. Xiong Qihua, da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura.

“Se pudermos domar o poder da refrigeração a laser, isto vai significar que equipamentos médicos que exigem refrigeração extrema, como as máquinas de ressonância magnética, que usam hélio líquido, poderão jogar fora seus enormes sistemas de refrigeração e substituí-los por um sistema de refrigeração óptica,” afirmou Xiong.
Bibliografia:

Jun Zhang, Dehui Li, Renjie Chen, Qihua Xiong, Laser cooling of a semiconductor by 40 kelvin. Nature, Vol.: 493, 504-508. DOI: 10.1038/nature11721

quarta-feira, 16 de janeiro de 2013

Calor é manipulado como se fosse luz (heat is manipulated as light)



Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/01/2013

Essa “lente para calor” já consegue manipular até 40% de todas as ondas de calor, concentrando-as como uma lente concentra a luz. [Imagem: Martin Maldovan]

Domando o calor
Há muito tempo os cientistas tentam domar o calor, seja para retirá-lo de onde ele é indesejado, seja para reaproveitá-lo na geração de eletricidade, ou mesmo para marcar o tempo. Tudo isso, e muito mais, agora ficou mais próximo da realidade graças ao trabalho do Dr. Martin Maldovan, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, nos Estados Unidos.
Maldovan descobriu uma forma de lidar com o calor da mesma forma que a luz, permitindo que o calor seja manipulado por lentes e espelhos, dispersando-o ou focalizando-o.

Fônons
Assim como o som, o calor é uma vibração da matéria - tecnicamente ele é uma vibração da rede atômica de um material. Essas vibrações podem ser descritas como um feixe de fônons, uma espécie de "partícula virtual", análoga aos fótons que transmitem a luz.
     Usando essa analogia, Maldovan descobriu que é possível adaptar para o calor um tipo de nanoestrutura, conhecida como cristais fotônicos - que vem realizando verdadeiros milagres no campo da óptica e da acústica. Ele utilizou especificamente os cristais fonônicos - que manipulam fônons, em lugar de fótons - cujos espaçamentos são construídos para equivaler precisamente ao comprimento de onda dos fônons de calor.
“É uma forma completamente nova de manipular o calor,” diz Maldovan, explicando que o calor difere do som na frequência das suas vibrações: o som é formado por vibrações de baixa frequência, até a faixa dos kilohertz (milhares de vibrações por segundo), enquanto o calor é formado por vibrações de altíssima frequência, na faixa dos terahertz (trilhões de vibrações por segundo).

Calor hipersônico
Para adaptar para o calor a técnica que já vem sendo usada para manipular o som, Maldovan teve primeiro que reduzir a frequência dos fônons, criando o que ele chama de “calor hipersônico”. Usando uma retícula feita de ligas de silício e nanopartículas de germânio de dimensões muito precisas, o pesquisador conseguiu reduzir a larga banda de frequências do calor, concentrando mais de 40% deles na faixa hipersônica entre 100 e 300 gigahertz. Em linhas gerais, a estrutura torna o calor mais “parecido” com o som, permitindo sua manipulação. Com isto, a maioria dos fônons de calor se alinhou em um feixe estreito, em vez de se espalhar em todas as direções - um análogo do que uma lente faz com a luz.
     Como os cristais fonônicos estão agora sendo usados para manipular o calor, Maldovan rebatizou sua versão dessas nanoestruturas de termocristais, criando uma nova categoria de materiais.

Termocristais
     Os termocristais terão uma ampla gama de utilizações, incluindo melhores dispositivos termoelétricos, que convertem calor em eletricidade, e diodos termais, componentes que permitirão que o calor flua em apenas uma direção.
Os diodos termais, ao impedir que o calor dê marcha-a-ré, serão úteis no isolamento térmico de edifícios, tanto em climas quentes, quanto em climas frios.
Outra possibilidade será o melhoramento das recém-demonstradas camuflagens termais, que impedem a visualização do calor por câmeras infravermelhas.

Bibliografia:
Martin Maldovan, Narrow Low-Frequency Spectrum and Heat Management by Thermocrystals. Physical Review Letters, 110, 025902. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.025902

terça-feira, 8 de janeiro de 2013

Alcançada temperatura abaixo do zero absoluto (Negative Temperatures?)


Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/01/2013
Devido à forma como a temperatura é definida, não há uma transição suave entre as temperaturas absolutas positivas e negativas - tão logo a distribuição de energia é invertida, atinge-se um calor descomunal. [Imagem: LMU/MPG Munich]

Além da escala Kelvin 
A escala de temperaturas absolutas - conhecida como escala Kelvin - é um dos conceitos centrais da física. Por definição, nada pode ser mais frio do que o zero absoluto, estabelecido em 0 Kelvin, ou -273,15 °C. Contudo, há muito os físicos sabem que, abaixo do zero absoluto, há todo um reino de temperaturas absolutas negativas.
Em 2011, um grupo de físicos teóricos alemães demonstrou que, se não é possível passar suavemente pelo zero absoluto, como acontece na escala Celsius, é possível saltar pelo 0 K e ir diretamente para esse reino ainda inexplorado. Temperaturas abaixo do zero absoluto podem ser alcançadas!
Agora, uma outra equipe alemã fez os experimentos e demonstrou na prática como ir abaixo do zero absoluto. E a realidade mostrou-se impressionante: abaixo do quase inatingível frio absoluto estão algumas das temperaturas mais quentes já observadas no Universo. O resultado terá largas implicações em várias áreas científicas, da física básica à cosmologia.

Calor absoluto
Simon Braun e seus colegas da Universidade Ludwig Maximilian de Munique obtiveram a temperatura absoluta negativa movendo átomos em um gás ultrafrio. Na escala Kelvin normal - das temperaturas absolutas positivas - a temperatura é proporcional à energia cinética média das partículas. Mas nem todas as partículas têm a mesma energia - há na verdade uma distribuição de energia, sendo os estados de baixa energia mais ocupados do que os estados de alta energia - isto é conhecido como distribuição de Boltzmann. No caso das temperaturas Kelvin negativas, a distribuição é invertida, e os estados de alta energia são mais ocupados do que os estados de baixa energia.
O resultado é um calor que se aproxima do estado mais quente que se pode obter quanto mais próximo a temperatura absoluta negativa está do zero absoluto. A inversão drástica dos estados de energia - uma distribuição de Boltzmann invertida - faz com que a temperatura sub-Kelvin não seja mais fria, mas incrivelmente quente.
“Ela é ainda mais quente do que qualquer temperatura positiva - a escala de temperaturas simplesmente não vai ao infinito, ela salta para valores negativos,” disse Ulrich Schneider, coordenador da equipe.
Segundo o pesquisador, essa contradição é apenas aparente, e nasce da forma como a temperatura absoluta tem sido definida ao longo da história - o experimento abre a possibilidade de uma nova definição da temperatura, o que pode fazer com que a contradição desapareça.

Motor com eficiência maior que 100%
A matéria em temperaturas negativas absolutas pode ter consequências científicas e tecnológicas sem precedentes. Com um sistema robusto o suficiente poderá ser possível criar motores a combustão com uma eficiência energética que supere os 100%.
E isso não significa uma violação da lei de conservação de energia - esse motor hipotético poderia não apenas absorver energia do meio quente, executando um trabalho como os motores normais, mas também extrair energia do meio mais frio, executando trabalho adicional.
Sob temperaturas absolutamente positivas, o meio mais frio inevitavelmente se aquece, absorvendo uma parte da energia do meio mais quente, o que impõe um limite à eficiência do motor. Contudo, se o meio quente tiver uma temperatura absoluta negativa, é possível absorver energia dos dois meios simultaneamente. O trabalho realizado pelo motor será, portanto, maior do que a energia retirada apenas do meio quente - sua eficiência será superior a 100%.
 
O experimento pode ser comparado a esferas em uma superfície ondulada. Nas temperaturas positivas (esquerda) a maioria das esferas fica nos vales, em seu estado de energia mínimo, quase imóveis - uma distribuição de Boltzmann normal. Em uma temperatura infinita (centro), as esferas se distribuem uniformemente nos dois estados. Na temperatura absoluta negativa (direita), entretanto, a maioria das esferas vai para os picos, no limite superior de energia potencial (e cinética). Os estados com energia total mais elevada ocorrem mais frequentemente - uma distribuição de Boltzmann invertida. [Imagem: LMU/MPG Munich]

Desafiando a gravidade
O experimento tem também um impacto direto para o campo da cosmologia, mais especificamente, sobre a energia escura, uma força ainda desconhecida que os cientistas usam para explicar a aceleração da expansão do Universo.
Com base apenas nas forças conhecidas, o Universo deveria estar se contraindo devido à atração gravitacional entre todas as massas que o compõem.
O experimento da temperatura absoluta negativa revelou um fenômeno que desafia a gravidade, agindo no sentido contrário, exatamente como se propõe que a energia escura faça. O experimento se baseia no fato de que os átomos no gás não se repelem uns aos outros, como nos gases normais. Na verdade, eles interagem de forma atrativa, ou seja, os átomos exercem uma pressão negativa.
A nuvem de átomos tenderia naturalmente a se contrair, devendo colapsar, exatamente como em um Universo onde apenas a gravidade estivesse atuando. Isso, contudo, não acontece justamente por causa da temperatura absoluta negativa, extremamente quente - e o gás não colapsa, exatamente como o nosso Universo.

Temperatura absoluta negativa
A inversão dos estados de energia das partículas em um sistema ultrafrio não pode ser realizada em um sistema natural - como a água, por exemplo - porque o material teria que absorver uma quantidade infinita de energia.
Mas a coisa é bem diferente quando se trabalha com um sistema no qual as partículas - ou átomos - tenham um limite superior de energia.
Simon Braun trabalhou com um sistema artificial, composto por cerca de 100 mil átomos em uma câmara de vácuo, o que os torna perfeitamente isolados do ambiente externo.
Os átomos foram resfriados a uma temperatura de alguns bilionésimos de um Kelvin, uma das temperaturas mais frias que se consegue obter em laboratório.
Os átomos no gás ultrafrio foram então capturados por armadilhas ópticas, feitas por feixes de raios laser, e dispostos em uma matriz perfeitamente ordenada.
Cada átomo pode mover-se do seu local na matriz óptica para o local vizinho por tunelamento, mas sem perder algo que é fundamental para o experimento: ao contrário dos sistemas naturais, as partículas da matriz óptica possuem um limite superior de energia.
Assim, a temperatura do sistema não depende apenas da energia cinética, mas da energia total das partículas, o que inclui as energias potencial e de interação, ambas igualmente com um limite superior impostas pelo experimento.
Em condições normais, os átomos tenderiam a escapar da rede óptica, colapsando e aglomerando-se novamente em uma nuvem disforme, sugada para baixo pela gravidade. Mas os cientistas ajustaram a rede óptica para que fosse energeticamente mais favorável aos átomos permanecerem em suas posições ordenadas.
Os cientistas então levaram os átomos até seu nível superior de energia total, materializando uma temperatura absoluta negativa, de alguns bilionésimos -K, em um sistema que se manteve estável.

Referências:
S. Braun, J. P. Ronzheimer, M. Schreiber, S. S. Hodgman, T. Rom, I. Bloch, U. Schneider, Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom. Science, Vol.: 339 - 52-55, DOI: 10.1126/science.1227831

Lincoln D. Carr, Negative Temperatures? Science, Vol.: 339 - 42-43, DOI: 10.1126/science.1232558.


Grafite revela suas faces supercondutora e ferromagnética (graphite reveals their superconducting face)




Com informações da Agência Fapesp - 07/01/2013
 O mundo vai mudar
          Alguns elementos químicos, como o mercúrio, o chumbo e as ligas à base de nióbio, são capazes de conduzir corrente elétrica sem resistência nem perdas quando submetidos a baixíssimas temperaturas - na ordem de menos 270 graus Celsius. São os chamados supercondutores.
    Tal propriedade permitiu o desenvolvimento de poderosos eletroímãs usados, por exemplo, em máquinas de ressonância magnética, espectrômetros de massa, aceleradores de partículas, trens de levitação magnética e redes inteligentes capazes de transportar energia elétrica com maior eficiência.
    A aplicação dessa tecnologia, no entanto, é limitada pela dificuldade e pelo custo do resfriamento extremo, geralmente feito com hélio ou nitrogênio líquido.
    A busca de materiais capazes de se comportar como supercondutores em temperatura ambiente, portanto, tem mobilizado cientistas de todo o mundo, entre eles Yakov Kopelevich, professor da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). “O máximo que já se conseguiu no meio acadêmico foi fazer um supercondutor funcionar em torno de menos 100 graus Celsius. Se realmente encontrarmos um supercondutor que funcione em temperatura ambiente, o mundo vai mudar,” profetizou Kopelevich.

Devido aos custos de instalação e manutenção, o maior cabo supercondutor do mundo, instalado na Alemanha, tem pouco mais de 1 km de extensão. [Imagem: Nexans]

Grafite supercondutor
    Em 1999, Kopelevich observou evidências de supercondutividade no grafite - mineral composto por átomos de carbono - em uma faixa de temperatura que vai de menos 271 até 27 graus Celsius positivos.

  “A grande dificuldade é que, embora existam características supercondutoras no grafite, elas se encontram somente em alguns locais do material. Precisamos achar meios de extrair esses elementos e potencializar o fenômeno. Não é uma tarefa simples, mas já encontramos um caminho para realizá-la,” disse Kopelevich.

   O pesquisador vem trabalhando com um método conhecido como dopagem eletrostática, que consiste em aplicar um campo elétrico sobre o material para forçar a redistribuição da carga elétrica na superfície.
   “A ideia é trazer mais elétrons, que são os portadores de eletricidade, para a superfície do grafite. Aumentando a densidade de elétrons na superfície do material é possível induzir a supercondutividade”, explicou.
  Segundo Kopelevich, o Brasil possui uma das maiores e melhores reservas mundiais de grafite no Estado de Minas Gerais. “Se alcançarmos nosso objetivo, o Brasil será o melhor lugar para produzir supercondutores de grafite”, afirmou.

O magnetismo inesperado do grafite entusiasmou pesquisadores da área da spintrônica. [Imagem: Kees Flipse]

Ferromagnetismo no grafite
Embora sua principal linha de pesquisa seja no campo da supercondutividade, Kopelevich também se dedica a buscar meios de potencializar outra propriedade observada no grafite: o ferromagnetismo. Nesse caso, o fenômeno também está concentrado em algumas partes do material, mas a oxidação do mineral amplia o efeito. “Para isso, basta transformar o grafite em pó e expor ao oxigênio,” disse.
     O ferromagnetismo é importante para a produção de ímãs de diversos tipos - desde aqueles usados em geladeiras, como também os de motores, equipamentos eletrônicos, peças de computador, geradores e transformadores de energia. Há seis elementos naturais com propriedades ferromagnéticas e somente três que funcionam em temperatura ambiente: ferro, cobalto e níquel, explicou Kopelevich. “Acreditava-se que esse fenômeno só era possível em elementos pesados, mas o carbono é um elemento leve. Se conseguirmos potencializar sua propriedade ferromagnética, isso terá implicações enormes, por exemplo, na área de aviação e de exploração espacial,” afirmou.
     Kopelevich realiza as pesquisas com uma forma ultrapura do material, chamado grafite pirolítico altamente orientado (HOPG), mas acredita que a supercondutividade também pode ser induzida na forma desordenada ou amorfa, significativamente mais barata. “Com o método da dopagem eletrostática qualquer grafite pode apresentar essa propriedade”, disse.
     O grafite é uma das três formas alotrópicas do carbono. As outras duas são o diamante e o fulereno. O mineral é composto por múltiplas camadas de átomos de carbono - cada um desses planos é conhecido como grafeno.


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