Origami de Grafeno

William Hiroyuki Endo

 

   Por séculos, praticantes do origami, a arte de dobradura japonesa, transformaram pedaços de papel em belas e complexas estruturas tridimensionais. Aproveitando-se desta técnica, cientistas e engenheiros vêm tentando adaptá-la em materiais bidimensionais para transformá-los em estruturas “3D”, sejam elas em macro ou micro escala.

   Pensando nisto, pesquisadores da Universidade de Cornell (EUA) realizaram pesquisas com o grafeno, um alótropo bidimensional do carbono de espessura monoatômica e perceberam que ele é muito semelhante a uma folha de papel, podendo ser dobrado e amassado como ela. Explorando esta natureza, a equipe utilizou os princípios de kirigami, uma variante do origami que inclui o corte, para criar dobradiças e molas de grafeno.

   “Foi realmente apenas curiosidade e diversão”, disse Paul McEuen, que liderou a equipe de pesquisadores. “Nós estávamos falando sobre o que fazer com um pedaço de papel atomicamente fino e a óbvia ideia de fazer esses tipos de artes de papel veio à tona.” Os pesquisadores primeiro modelaram o grafeno e, em seguida, removeram as peças não desejadas usando um plasma de oxigênio.

Grafeno pode ser usado para criar molas que mantêm a sua condutividade quando esticado. (Barra de escala de 10 microns) © McEuen Group, da Universidade de Cornell

 

   Eles descobriram que as suas criações de kirigami mantinham a sua forma. Apesar da dobradiça ter apenas um átomo de espessura ela ainda estava intacta depois de ser aberta e fechada 10.000 vezes. Do mesmo modo, a extensão da mola de grafeno não afetava as suas capacidades condutoras. As aplicações destes resultados são potencialmente vastos, a equipe afirma que a técnica pode ser utilizada, por exemplo, na produção de dispositivos eletrônicos e sensores flexíveis.

   Este é um trabalho notável que abre novos caminhos para sistemas nano-eletromecânicos e também contribui para a nossa compreensão das membranas de grafeno”, diz Jannik Meyer, da Universidade de Viena, na Áustria, que não esteve envolvido no estudo. No entanto, ele salienta a necessidade de mais pesquisa: ‘Estou ansioso para ver se esses dispositivos também podem operar fora da solução líquida, que é um próximo passo importante para a realização de seu potencial.

 

 

Referências

http://www.nature.com/articles/nature14588.epdf
http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/07/kirigami-graphene-makes-microscale-devices-springs-hinges
http://www.compoundchem.com/2015/08/02/twic02082015/

O Sol Nosso de Cada Dia

Paulo Lopes Barsanelli

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          Várias civilizações tinham o Sol como um deus, assim foi para os Incas, Maias, Astecas e os Egípcios. Todas estas eram politeístas e tinham vários outros entes da natureza adorados como deuses, tanto outro astro como a Lua, fenômenos como o trovão, quanto animais como o boi.

       Podemos não considerar o Sol como um deus, mas esta estrela é fundamental – e isto é inegável – para a manutenção da vida, seja considerando o seu papel na fotossíntese, no ciclo hidrológico ou no aquecimento da Terra. Mesmo os animais que vivem em zonas afóticas (regiões com ausência de luz encontradas a mais de 200 metros de profundidade nos oceanos ou no interior de cavernas) se extinguiriam por serem heterótrofos (carnívoros ou detritívoros) e possuírem na base da cadeia alimentar seres dependentes da luz solar.

Figura 1: Ilustração da galáxia Via-Láctea com destaque à posição do Sistema Solar.

          A fonte de energia da Terra fica a uma distância média de 149.597.870.700 m que equivale a 1 UA (unidade astronômica), possui uma massa de 1,989×10³⁰ kg (99,867 % de toda a massa do Sistema Solar) e um raio de 695.500 km (ou seja, cerca de 333 mil vezes mais pesada e aproximadamente 109 vezes maior que a Terra). Essa nossa fonte por sua vez, que orbita – juntamente com todo o Sistema Solar – o centro da Via-láctea com uma velocidade de 250 km/s, está posicionada atualmente a ⅔ do raio desta galáxia (o que corresponde a 27 mil anos luz) numa região conhecida como Braço de Orion (assista aqui a uma simulação desse movimento, é demais). O ano solar é completado em aproximadamente 220 milhões de anos terrestres, como a Sol foi formado há aproximadamente 4,6 bilhões de anos, Ele já completou cerca de 21 revoluções. A Figura 1 demonstra a posição do Sistema Solar na Via-Láctea.

Figura 2: Representação das camadas solares com suas respectivas densidades.

Mas como o Sol foi formado, qual sua composição e de onde vem tanta energia?

          A formação do Sol ainda não é um evento que possui explicação confirmada, porém existem teorias sobre. A teoria mais aceita indica que inicialmente haviam apenas uma imensa quantidade de gases – como oxigênio, nitrogênio, hidrogênio, hélio, etc. – e poeira (composta por outros elementos químicos como ferro, alumínio, etc.) no lugar do Sistema Solar que, devido a condições adequadas desconhecidas, começaram a se aglomerarem. O bloco maior formado primeiramente passou a conter mais facilmente seus gases e atingiu alta proporção sendo capaz de atrair gravitacionalmente blocos menores até a formação do Sol que conhecemos. Os blocos menores remanescentes deram origem aos planetas do sistema.

          O Sol é constituído por 7 camadas, 3 contidas em seu interior (núcleo ou zona de condução, zona de irradiação e zona de convecção) e 4 em sua atmosfera (fotosfera, cromosfera, região de transição e coroa) como ilustra a Figura 2. A densidade média do Sol é de 1,4 g/cm³, variando de 150 g/cm³ no núcleo a 2×10^-15 g/cm³ na coroa.

Figura 3: Nucleossíntese de hélio a partir de núcleos de hidrogênio.

       A energia que mantém o Sol vivo provém de seu núcleo onde ocorrem, principalmente, fusões nucleares entre átomos de hidrogênio formando átomos de hélio e segue a equação de Einstein . Caso o procedimento de geração de energia fosse simplesmente reações de combustão, o Sol não me manteria aquecido por mais de 100 anos. As altas pressão (bilhões de atm) e temperatura (cerca de 15 milhões ⁰C) encontradas no núcleo do Sol permitem tais reações nucleares. A Figura 3 esquematiza a nucleossíntese de hélio a partir de hidrogênio na qual ocorre a fusão de dois núcleos de hidrogênio formando deutério que por sua vez colide com outro núcleo de hidrogênio formando núcleo de hélio-3 liberando energia na forma de radiação gama. Dois núcleos de hélio-3 se fundem para gerarem hélio-4.

           Após a formação de hélio, este é utilizado na formação de carbono, oxigênio e neônio que por sua vez são precursores dos outros elementos até número atômico igual ao silício. O silício é então empregado na produção de todos os elementos até o ferro.

           O Sol possui a seguinte constituição: 73 % em hidrogênio, 25 % em hélio e 2 % em outros elementos. O último elemento mais abundante no sol é o ferro, isto deve-se ao fato de que este é o último elemento, em ordem crescente de número atômico, que é formado pela conversão de massa em energia. O subsequentes ao ferro são formados na direção oposta e por isso surgem apenas em eventos extremos como a formação de supernovas após a explosão de estrelas.

          A energia gerada no núcleo se propaga tal como a luz na zona de irradiação e na zona de convecção há o transporte por movimentos convectivos de parcelas de plasma que são aquecidas na interface com a zona de irradiação. Essa energia vem sendo gerada e transportada assim desde a ignição do Sol há 4,6 bilhões de anos e deve continuar por pelo menos mais 5 bilhões de anos quando esgotar-se-ão as reservas de hidrogênio.

Figura 4: Movimento convectivo da massa solar na zona de convecção e a representação dos pontos frios visíveis como manchas solares.

          A fotosfera é a camada visível do Sol possuindo cerca de 330 km de espessura e temperatura de aproximadamente 6 mil ⁰C. Nela é possível observar as manchas solares provenientes do movimento convectivo do plasmas abaixo desta camada que formam zonas frias (manchas solares) e quentes como ilustrado pela Figura 4.

         A cromosfera se estende por 2 mil km após a fotosfera onde se encontra sua região mais quente com cerca de 9000 ⁰C. Ela possui cor avermelhada que é visível logo antes e logo após aos eclipses solares. É na cromosfera onde ocorrem as protuberâncias solares que se originam nas proximidades nas manchas solares na devido a associações de campos magnéticos. As explosões solares que dão origem a essas protuberâncias podem interromper as comunicações a longa distância aqui na Terra quando partículas muito energéticas expelidas pela Estrela atingem e ionizam nossa atmosfera dificultando que esta continue refletindo as ondas de rádio do Sol de volta para o espaço e aquelas provenientes das emissoras de volta para a Terra.

          A coroa é a camada mais extensa do sol abrangendo praticamente todo o Sistema Solar, possui baixíssimas densidade e emissão de luz relativas, sendo possível sua visualização somente em eclipses totais.

           Para continuarmos desvendando a estrela que ilumina nossos dias e a sua influência no Sistema Solar, está previsto o lançamento da sonda Solar Orbiter pela ESA (Agência Espacial Europeia) para 2018 que deverá orbitar a 45 milhões de km dela onde a radiação solar pode atingir 13 vezes àquela registrada na Terra e a temperatura pode chegar 520 ⁰C.

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REFERÊNCIAS

http://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2015/07/depois-de-plutao-6-projetos-que-devem-revolucionar-forma-como-vemos-o-espaco.html

http://astro.if.ufrgs.br/esol/esol.htm

Clique para acessar o aula6.pdf

http://www.observatorio.iag.usp.br/index.php/mencurio/curiodefin.html

http://mundoestranho.abril.com.br/materia/existe-algum-ser-vivo-que-consegue-sobreviver-sem-luz

http://www.ccvalg.pt/astronomia/galaxias/via_lactea.htm

http://www.apolo11.com/via_lactea.php

http://www.apolo11.com/tema_astronomia_sol.php

http://www.apolo11.com/tema_astronomia_sol_estrutura.php

https://tudosobreastronomia.wordpress.com/2010/05/14/o-sol/

http://www.quimlab.com.br/guiadoselementos/formacao_elementos.htm

http://www.suapesquisa.com/Sol

http://www.suapesquisa.com/astecas/

http://www.historiadomundo.com.br/inca/

https://jarconsian.wordpress.com/2013/09/25/horus-o-deus-Sol-do-egito/

http://www.culturabrasil.org/egito.htm

O Efeito Fotoelétrico de Albert Einstein

Leonardo Vieira Albino

No dia 20 de dezembro de 2013, a 68ª Sessão da Assembleia Geral das Nações Unidas proclamou o ano de 2015 como o Ano Internacional da Luz e das Tecnologias baseadas em Luz. A resolução publicada pela Assembleia Geral das Nações Unidas aponta que o ano de 2015 coincide com a comemoração de alguns marcos importantes relacionados à luz, ao longo da história da ciência, como os trabalhos em óptica de Ibn Al-Haytham em 1015, o comportamento ondulatório da luz proposto por Fresnel em 1815, a teoria eletromagnética da luz proposta por Maxwell em 1865, entre outros.

2015 também é marcado como o aniversário de 110 anos do Annus mirabilis de Albert Einstein (1879-1955) e o nascimento da Física Moderna, em 1905. Foi nesse ano que Einstein publicou cinco artigos na revista científica Annalen der Physik, e estas cinco obras contribuíram substancialmente para a fundação da física moderna e mudou opiniões sobre espaço, tempo e matéria:

•  (30/04/1905) Determinação de dimensões moleculares: Em sua dissertação de doutorado, Einstein usou propriedades físicas conhecidas (viscosidade, difusão) para determinar o tamanho de moléculas de açúcar em uma solução.

• (11/05/1905) Explicação do Movimento Browniano: movimento browniano é o movimento incomum realizado por partículas dissolvidas em líquidos, que parecem “dançar” na solução sem perda de energia. A teoria de Einstein do movimento browniano é baseada na semelhança entre o comportamento de soluções e suspensões diluídas, na relação entre o coeficiente de difusão e a viscosidade, que já havia sido obtida na tese de doutoramento, e numa dedução probabilística da equação da difusão. Através desse raciocínio probabilístico, Einstein obtém a celebrada expressão do percurso de partículas no movimento browniano.

• (30/06/1905) Teoria da Relatividade Restrita: unindo teorias de Maxwell, Planck, Newton e Galileu, as pesquisas de Einstein mostram que a velocidade relativa proposta por Galileu só é valida para velocidades de baixa intensidade. Quando trabalhamos com altas velocidades, em relação à velocidade da luz no vácuo (300 milhões de metros por segundo), a velocidade relativa não obedece às regras estipuladas por Galileu. A velocidade da luz, num determinado meio, é constante para qualquer que seja o referencial adotado.

• (27/09/1905) Equivalência Massa-Energia: a massa de um corpo não é constante. Ela depende da velocidade do corpo. Para pequenas velocidades, o aumento de massa é desprezível, porém para velocidades altas, da ordem da velocidade da luz no vácuo, o aumento da massa é significativo. Para acelerar, ou seja, aumentar a velocidade de um corpo, a resultante das forças realiza um determinado trabalho. Esse trabalho, por sua vez fornece energia para o corpo. Como essa energia precisa se manifestar de alguma forma, isso acontece na forma de aumento de massa do corpo. Nesse caso, a massa do corpo tende a infinito, ou seja, o seu valor cresce a medida que aumenta a velocidade. Portanto, para provocar um pequeno aumento da velocidade nesse corpo, seria necessário fornecer uma quantidade tão alta de energia que torna essa elevação quase impossível de ser realizada. Massa não passa de uma grande quantidade de energia concentrada, que demonstrou na equação: E=m.c².

• (17/03/1905) Explicação do Efeito Fotoelétrico, um dos grandes problemas da física que ninguém até aquela época entendia.

Em 1839, Alexandre Becquerel (1820-1891) percebeu que quando uma chapa metálica carregada eletricamente era exposta a um determinado feixe de luz, ela descarregava. Bem mais tarde, no ano de 1887, Heinrich Hertz (1857-1894) descreveu cuidadosamente o fenômeno (que chamou de Efeito Hertz) e percebeu que:

1 – Há uma frequência mínima que abaixo dela não há emissão de nenhum elétron.

2 – O numero de elétrons emitido é proporcional à intensidade da radiação incidente (quantidade de luz), e independente da frequência (desde seja maior que a frequência mínima).

3 – A energia cinética (velocidade) dos elétrons emitidos é proporcional à frequência e independente da intensidade da radiação incidente.

4 – A emissão ocorria instantaneamente após a incidência da radiação.

Isso ia contra as abordagens da física clássica:

1 – Uma radiação de qualquer frequência poderia provocar esse efeito, desde que tivesse tempo suficiente para a chapa acumular energia.

2 – Se a intensidade da luz aumentar esperava-se que a velocidade dos elétrons aumentasse.

3 – A chapa precisa de tempo para absorver energia e liberar os elétrons.

Utilizando o conceito de quantização de energia (quântica), Einstein concluiu que toda radiação eletromagnética era composta por pacotes de energia (quantum) chamados fótons, a partícula da luz. Cada fóton interage com um elétron da chapa metálica. Assim a luz que possui uma intensidade maior, possui mais fótons e ejeta mais elétrons. A frequência está relacionada com a energia do fóton, assim, um fóton mais energético (maior frequência) aumentará a energia cinética do elétron ejetado. Isso foi condensado na Relação de Planck.

Relação de Planck ou Lei Fotoeletrônica (1905), por Albert Einstein:

E = energia do fóton (J);

v = frequência (Hz);

h = Constante de Planck (6,6260693.10^-34 J.s);

n = constante múltipla (1, 2, 3, 4, …)

A partir dessa lei, é possível determinar a energia de uma onda pela sua frequência ou comprimento de onda. Para n=1, temos:

Percebe-se que comprimentos de onda menores são ondas extremamente energéticas. Por isso o raio-X e o raio gama são tão perigosos em extrema quantidade. Pois possuem energia alta que podem comprometer o funcionamento de células. O conceito foi tão importante que Einstein ganhou o Prêmio Nobel de Física de 1921 por “seus trabalhos em Física Teórica e, em especial, sobre a explicação do efeito fotoelétrico”.

Assim a luz é considerada uma onda eletromagnética e uma partícula de quantum de energia chamada fóton, uma dualidade partícula-onda que depende dos instrumentos utilizados na sua medida.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

GOVONE, Osvaldo Antonio (2002). Física Moderna – Curitiba: Nova Didática.

ATKINS, Peter; JONES, Loretta. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente. 5. ed.; tradução técnica: Ricardo Bicca de Alencastro. Porto Alegre: Bookman, 2012.

PEIXOTO, Eduardo. Teoria Quântica. 2. ed.; São Paulo: Universidade de São Paulo, Instituto de Química, 1988.

BUNGE, Annik. Introdução a Química Quântica. 4. ed.; São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda., 1977.

EISBERG, Robert RESNICK, Robert. Física Quântica – Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. Tradução de Paulo Costa Ribeiro, Ênio Costa da Silveira e Marta Feijó Barroso. Rio de Janeiro: Campus, 1979.

Buracos Negros

Buracos Negros

Iris Teixeira

O que exatamente é um buraco negro? Eles realmente existem? O que sabemos é que por anos eles têm permeado nossa imaginação, sendo presença constante em filmes de ficção científica pelo mundo afora. Mas sabemos o que eles realmente são?

Um buraco negro é o que resta quando uma grande estrela morre. Quando uma estrela morre as reações de fusão nuclear param, porque o combustível pra elas termina. Ao mesmo tempo a gravidade puxa a matéria pra dentro e comprime o núcleo. É como se uma estrela cerca de dez vezes maior que o sol ficasse comprimida em um espaço muito menor, do tamanho da cidade de São Paulo, aproximadamente. Como o núcleo se comprime e consequentemente, se aquece, uma explosão de supernova é criada onde a matéria e a radiação são explodidas para o espaço. O que resta é o núcleo altamente comprimido e extremamente maciço. Como resultado há um campo gravitacional tão forte que nada, nem mesmo a luz, pode escapar.

Como a gravidade do núcleo é muito forte, ele “afunda” através do tecido do espaço-tempo, criando um buraco nele: é por isso que o objeto formado é chamado de buraco negro. Essa teoria tem origem na Teoria da Relatividade, de Einstein. As equações propostas pelo cientista mostravam que se a massa do núcleo resultante da explosão fosse cerca de três vezes maior que a do sol, a gravidade iria superar todas as outras forças, e um buraco negro seria formado.

Os cientistas não conseguem visualizar diretamente um buraco negro com as técnicas usuais, com telescópios que detectam raio x ou outras formas de radiações eletromagnéticas. Uma maneira de se detectar a presença de um buraco negro é pela distorção que eles causam na matéria por perto. São procuradas estrelas ou discos de gás que se comportam como se houvesse uma grande massa nas proximidades, girando ou com um movimento de oscilação, e a causa para esse movimento não consegue ser vista. São feitas medidas do movimento desses objetos, e assim pode ser calculada a massa do objeto desconhecido. Se a massa for superior a massa de dez sóis (grande demais pra ser uma estrela de nêutrons[1]), infere-se a presença de um buraco negro no local.

Um fato curioso sobre os buracos negros, e ainda um mistério na ciência, é que eles parecem existir em duas escalas de tamanho radicalmente diferentes. Espalhados pelo universo há diversos buracos negros chamados de stellar mass, que possuem massa de 10 a 24 vezes a do Sol. Por outro lado há os chamados supermassive black holes, que são milhões, senão bilhões de vezes mais pesados que o Sol. Os astrônomos acreditam que os supermassive black holes estão no centro de quase todas as galáxias, incluindo a Via Láctea. Há alguns estudos sobre buracos negros de tamanho intermediário, onde se supõe que eles se juntam para formar os grandes buracos negros existentes no centro das galáxias.

[1] –Estrela de nêutrons: corpo celeste supermassivo, ultracompacto e com gravidade extremamente alta. É um dos estágios finais da vida de uma estrela, criada quando uma estrela esgota sua energia nuclear e passa por uma explosão de supernova.

Referências:

http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes/ Acesso em 28/05/2014

http://science.howstuffworks.com/dictionary/astronomy-terms/black-hole4.htm Acesso em 28/05/2014