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terça-feira, 3 de outubro de 2023

Captando os momentos mais curtos

Os três ganhadores do Nobel de Física 2023 estão sendo reconhecidos por seus experimentos no âmbito da física quântica, que deram à humanidade novas ferramentas para explorar o mundo dos elétrons dentro dos átomos e moléculas.

© Revista Física (nuvem eletrônica)

Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier demonstraram uma maneira de criar pulsos de luz extremamente curtos que podem ser usados para medir os processos rápidos nos quais os elétrons se movem ou mudam de energia. 

Em 1987, a física francesa Anne L'Huillier, professora de Física Atômica na Universidade de Lund, Suécia, descobriu que quando a luz laser infravermelha era transmitida por meio de um gás nobre surgiam muitos tons diferentes de luz. Depois disso, a cientista continuou explorando o fenômeno, preparando a construção para descobertas posteriores. Ela é a quinta mulher a ganhar um Prêmio Nobel de Física, seguindo a Marie Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963), Donna Strickland (2018) e Andrea Ghez (2020). 

Já o franco-americano Pierre Agostini, professor da Universidade Estadual de Ohio, EUA, conseguiu em 2001 produzir e investigar uma série de pulsos de luz consecutivos, em que cada pulso durava apenas 250 attosegundos, inventando com a sua equipe o chamado RABBIT, ou seja, a reconstrução de batimentos de attossegundos por interferência de transições de dois fótons. 

Na mesma época, um experimento científico do húngaro Ferenc Krausz, professor da Ludwig-Maximilians-University Munique, Alemanha, possibilitou o isolamento de um único pulso de luz com duração de 650 attosegundos. 

As contribuições dos laureados permitiram a pesquisa de processos tão rápidos que antes eram impossíveis de acompanhar. Um pequeno colibri pode bater as asas 80 vezes por segundo. Só conseguimos perceber isso como um zumbido e movimento turvo. Para o sentidos humanos, movimentos rápidos se confundem, e eventos extremamente curtos são impossíveis de observar. Precisamos usar truques tecnológicos para capturar ou retratar esses breves instantes. Fotografia de alta velocidade e iluminação estroboscópica permite capturar imagens detalhadas de fenômenos rápidos. Uma fotografia altamente focada de um beija-flor em ação requer uma exposição tempo que é muito mais curto do que uma única batida de asas. Quanto mais rápido o evento, mais rápido a imagem precisa ser tomada se for para capturar o instante. 

O mesmo princípio se aplica a todos os métodos utilizados para medir ou representar processos rápidos; qualquer medida deve ser realizada mais rapidamente do que o tempo que leva para o sistema em estudo sofrer uma mudança perceptível, caso contrário o resultado será vago. 

Os laureados deste ano realizaram experiências que demonstram um método para produzir pulsos de luz que são breves o suficiente para capturar imagens de processos dentro dos átomos e moléculas. A escala de tempo natural dos átomos é incrivelmente curta. Em uma molécula, os átomos podem se mover e girar em femtosegundos (milionésimos de um bilionésimo de segundo). Esses movimentos podem ser estudados com o mais curto pulsos que podem ser produzidos com um laser, mas quando átomos inteiros se movem a escala de tempo é determinada por seus núcleos grandes e pesados, que são extremamente lentos em comparação com elétrons leves e ágeis. Quando os elétrons se movem dentro de átomos ou moléculas, eles fazem isso tão rapidamente que as mudanças ficam próximas de um femtosegundo. 

No mundo dos elétrons, as posições e as energias mudam a velocidades entre um e algumas centenas de attosegundos (bilionésimo de bilionésimo de segundo). Um attosegundo é tão curto que o número deles em um segundo é igual ao número de segundos que se passaram desde que o Universo surgiu, 13,8 bilhões de anos atrás. Um femtosegundo foi considerado por muito tempo o limite para os flashes de luz que era possível produzir. Melhorar a tecnologia existente não foi suficiente para ver os processos ocorrendo em um período surpreendentemente breve em escalas de tempo de elétrons; algo inteiramente novo era necessário. 

A luz consiste em ondas, ou seja, vibrações em campos elétricos e magnéticos, que se movem através do vácuo mais rápido do que qualquer outra coisa. Estes têm comprimentos de onda diferentes, equivalentes a cores diferentes. Por exemplo, a luz vermelha tem um comprimento de onda de cerca de 700  nm (nanômetros), um centésimo da largura de um fio de cabelo, e ele circula cerca de 430 trilhões de vezes por segundo. Podemos pensar em o pulso de luz mais curto possível como a duração de um único período na onda de luz, o ciclo onde ele sobe até um pico, desce até um vale e volta ao ponto inicial. Neste caso, os comprimentos de onda usados em sistemas de laser comuns nunca conseguem chegar abaixo de um femtosegundo, então na década de 1980 isso foi considerado como um limite rígido para as emissões de luz mais curtas possíveis. 

No experimento projetado, quando a luz do laser entra no gás e afeta seus átomos, causa vibrações eletromagnéticas que distorcem o campo elétrico que mantém os elétrons ao redor do núcleo atômico. Os elétrons podem então escapar dos átomos. No entanto, o campo elétrico da luz vibra continuamente e, quando ele muda de direção, um elétron solto pode retornar ao núcleo do seu átomo. Durante excursão do elétron, ele coletou muita energia extra do campo elétrico da luz laser e, para reconectar ao núcleo, ele deve liberar seu excesso de energia como um pulso de luz, no caso, no ultravioleta. Esses pulsos de luz dos elétrons criam as conotações que aparecem nos experimentos. 

Pulsos de attossegundos permitem medir o tempo que leva para um elétron ser puxado de um átomo, e examinar como o tempo que isso leva depende de quão fortemente o elétron está ligado ao núcleo do átomo. É possível reconstruir como a distribuição de elétrons oscila posicionalmente em moléculas e materiais; anteriormente a sua posição só poderia ser medida como uma média. 

Estes pulsos podem ser usados para testar os processos internos da matéria e para identificar diferentes eventos. Existem aplicações potenciais em muitas áreas diferentes. Na eletrônica, por exemplo, é importante compreender e controlar como os elétrons se comportam em um material. Eles também podem ser usados para identificar diferentes moléculas, como em diagnósticos médicos, possibilitando nova técnica analítica de diagnóstico in vitro para detectar traços moleculares característicos de doenças em amostras de sangue.

O Prêmio Nobel da Física deste ano abre janelas que antes eram inimaginável para Heisenberg, explorar fenômenos que antes eram impossíveis de observar.

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

quarta-feira, 12 de julho de 2017

Forças de Van Der Waals se repelem?

As interações de Van Der Waals entre as moléculas estão entre as forças mais importantes na biologia, física e química, determinando as propriedades e o comportamento de muitos materiais.

forças Van der Waals entre átomos de xenônio e gás

© U. Basel (forças Van der Waals entre átomos de xenônio e gás)

Há muito tempo, os cientistas consideram que estas interações entre as moléculas seriam sempre de atração. Agora, pesquisadores Mainak Sadhukhan e Alexandre Tkatchenko da Universidade de Luxemburgo descobriram que, em muitas situações bastante comuns e na maioria das situações práticas, a força de Van der Waals entre duas moléculas torna-se repulsiva quando ocorrem sob confinamento. Isso pode levar a uma mudança de paradigma nas interações moleculares. 

A força de Van der Waals foi explicada pela primeira vez pelo físico alemão-americano Fritz Wolfgang London, em 1930. Usando a mecânica quântica, ele demonstrou a natureza puramente atrativa da força de Van der Waals para quaisquer duas moléculas que interagissem no espaço livre. Entretanto, na natureza, as moléculas na maioria dos casos interagem em espaços confinados, como células, membranas, nanotubos, etc. Nesta situação particular, as forças de Van der Waals tornam-se repulsivas a grandes distâncias entre moléculas.

Agora, Mainak Sadhukhan desenvolveu um novo método de mecânica quântica que lhes permitiu modelar as forças de Van der Waals em confinamento.

A nova teoria permite, pela primeira vez, uma interpretação de muitos fenômenos interessantes observados para moléculas em confinamento.

A descoberta deverá ter muitas implicações potenciais para a entrega de moléculas de fármacos on interior de células, a dessalinização, o transporte de água e automontagem de camadas moleculares em dispositivos fotovoltaicos.

O grupo de pesquisa do professor Tkatchenko está trabalhando em métodos que modelam as propriedades de uma ampla gama de interações intermoleculares. Somente em 2016, eles descobriram que a verdadeira natureza destas forças Van der Wals difere do conhecimento convencional em química e biologia, pois elas devem ser tratados como acoplamento entre as ondas e não como atração mútua (ou repulsão) entre as partículas. 

Um artigo sobre a descoberta foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: University of Luxembourg

quarta-feira, 1 de fevereiro de 2017

Criado hidrogênio metálico

Cientistas da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, criaram uma amostra de metal de hidrogênio.

hidrogênio metálico

© R. Dias/I. F. Silvera (hidrogênio metálico)

Na imagem acima o hidrogênio aparece transparente (à esquerda), opaco (no centro) e reflexivo (à direita). Esta refletividade indica que o hidrogênio foi transformado em um metal, afirmam os pesquisadores.

O hidrogênio é o elemento mais simples da tabela periódica, com um próton e um elétron. Em condições normais esses átomos tendem a se organizar aos pares em um gás, que a baixas temperaturas se condensa em líquido e, em temperaturas ainda mais baixas, em sólido.

É a primeira vez que o hidrogênio metálico, previsto em teoria pela primeira vez há cerca de 80 anos, foi desenvolvido em laboratório. O hidrogênio sólido pode existir no núcleo de planetas gigantes, como Júpiter.

A primeira menção a ele foi feita em 1935 pelos cientistas Eugene Wigner e Hillard Bell Huntington, que sugeriram que, em uma pressão de 25 gigapascals (GPa), o hidrogênio sólido se transformaria em metal. Acredita-se  que a pressão do núcleo da Terra esteja entre 330 e 360 GPa.

Na época ainda não havia conhecimento suficiente do mundo quântico para criar estas condições. A produção de hidrogênio metálico tem sido um grande desafio para a física da matéria condensada.

Os pesquisadores Thomas D. Cabot, Isaac Silvera e Ranga Dias usaram dois tipos de diamantes sintéticos para encontrar o hidrogênio sólido. Eles poliram as superfícies dos diamantes até que elas não tivessem mais defeitos, os esquentaram para retirar resíduos internos e os cobriram com uma camada de óxido de alumínio, um composto que o hidrogênio não consegue filtrar.

Em seguida, o trio de Harvard foi comprimindo o hidrogênio sólido. No início do experimento, quando a pressão estava mais baixa, o elemento ficou transparente, conforme a pressão foi aumentando, ele ficou opaco e preto. Quando uma pressão de 495 GPa foi atingida, o hidrogênio ficou brilhante, completando sua transformação em metal, ainda não se sabe se foi em um estado sólido ou líquido. O físico Alexander Goncharov, do Carnegie Institution for Science, afirmou que o material brilhante pode ser, na verdade, o óxido de alumínio usado para recobrir as pontas dos diamantes, que poderia ter sido modificado pela alta pressão.

Na pressão de 495 GPa, o hidrogênio metálico possui uma refletividade tão elevada como 0,91. Os pesquisadores ajustaram a refletância usando um modelo de elétron livre de Drude para determinar a frequência de plasma de 32,5 ± 2,1 eV numa temperatura de 5,5 kelvin, com uma densidade de portadores de elétrons correspondente de 7,7 ± 1,1 × 1023 partículas/cm3, consistente com as estimativas teóricas de densidade atômica.

Ainda há muito o que ser pesquisado, mas se o metal de hidrogênio tiver pelo menos metade das aplicações previstas em teoria, ele poderia revolucionar a tecnologia como a conhecemos hoje. O material por ser um supercondutor poderia trazer inovações em eletricidade, como a possibilidade de trens de alta velocidade funcionarem por levitação magnética.

O material poderia ser utilizado como propulsor, o que mudaria as viagens espaciais. "É necessário uma quantidade tremenda de energia para criar o metal de hidrogênio," explicou Isaac Silvera. "E se você o converter de volta para o hidrogênio molecular, toda a energia é liberada, o que poderia se transformar no tipo de propulsor mais potente já conhecido pelo homem."

Em termos de comparação, os propulsores utilizados hoje levam 450 segundos para serem acionados em um foguete; o propulsor de hidrogênio levaria 1,7 segundos para fazer a mesma coisa. Com isso, seria possível colocar foguetes em órbita em apenas um estágio em vez de dois. "Ele teria ainda cargas úteis maiores, o que seria muito importante," ressaltou Silvera.

Fonte: Science

sexta-feira, 29 de janeiro de 2016

Refinada a medida da carga do antihidrogênio

Uma pesquisa internacional com participação brasileira consegue medir com precisão 20 vezes maior que a anterior o limite de uma possível carga elétrica do antihidrogênio, átomo de antimatéria produzida em laboratório.

Alpha

© Revista Física (ilustração do experimento Alpha)

Resultados aproximam a ciência de comprovar experimentalmente conceitos teóricos. Embora prevista há décadas por diversas teorias físicas, a antimatéria não pode ser encontrada na natureza. Criada em laboratório, é de difícil estudo, pois, as partículas se aniquilam ao encontrar paredes ou matéria comum e, além disso, precisam ser resfriadas para uma análise mais cuidadosa. Esforços recentes, no entanto, vêm obtendo resultados cada vez mais promissores para a física contemporânea. Uma equipe internacional de cientistas, depois de conseguir produzir o antihidrogênio, tem aprofundado cada vez mais seu estudo, e conseguiu colocar um limite com precisão ainda maior na carga do antiátomo.

O conceito de antimatéria é do físico britânico Paul Dirac (1902-1984), e as teorias físicas mais consagradas preveem que, na grande explosão que criou o Universo, o Big Bang, matéria e antimatéria surgiram em quantidades praticamente iguais. Uma é equivalente a outra, com carga trocada; isto é, a cada partícula da matéria (por exemplo, o elétron, de carga negativa) corresponde uma partícula de antimatéria (o antielétron ou pósitron), idêntica mas de carga oposta (positiva), onde uma aniquilaria a outra. Uma questão ainda sem resposta é por que vemos tanta matéria no Universo e ainda não conseguimos observar a antimatéria livre.

Quando os cientistas preveem teoricamente uma coisa que não conseguem observar diretamente no mundo natural, o caminho é quase sempre tentar demonstrar esse fato em laboratório. Foi seguindo essa linha que o primeiro antiátomo em baixas velocidades foi criado pelo grupo de pesquisa Athena em 2002, no acelerador de partículas mais poderoso do mundo, no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), localizado na Suíça. Formado por um antipróton e um pósitron, o antihidrogênio foi um grande passo, mas o desafio continuou: a partícula gerada tinha enorme energia, e aprisioná-la para um estudo mais aprofundado levou anos.

Finalmente, em 2010, a equipe Alpha, que deu sequência ao grupo Athena, anunciou o aprisionamento do antihidrogênio e a comprovação de que o antiátomo tinha a carga muito pequena, próxima de neutra, como previsto pela teoria. Agora, com novo método, a medição da carga do antiátomo ganhou precisão cerca de 20 vezes maior.

O antiátomo se mostrou neutro com uma carga menor que 0,7 parte por bilhão da carga elementar do elétron. A neutralidade dos átomos e moléculas constituidos de matéria já está comprovada com erro menor do que 10−21e para uma variada gama de espécies, incluindo H2, He e SF6.

“Esta é a medida mais precisa jamais feita da nulidade da carga do antihidrogênio,” celebra o físico Cláudio Lenz Cesar, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, um dos três brasileiros que participam do projeto composto por um grupo de 50 cientistas. Os outros dois brasileiros são: Daniel de Miranda Silveira e Rodrigo Lage Sacramento.

O novo método para verificar a carga do antiátomo consistiu na aplicação dos chamados potenciais elétricos estocásticos, com a metodologia do caminho aleatório. O método consiste em aplicar pulsos aleatórios sobre antiátomos presos em uma armadilha chamada garrafa magnética, a mesma usada pelo grupo para verificar o comportamento do antihidrogênio em relação à gravidade.

A aplicação de pulsos aleatórios mexeria com uma possível carga dos antiátomos, ora aumentando, ora diminuindo sua energia. Então, os átomos passariam por um estágio de maior energia e escapariam da armadilha. “Se, no final, houvesse alguma carga nos antiátomos, a tendência seria que todos escapassem, deixando a garrafa magnética vazia,” conta Lenz.

Não foi o que aconteceu no experimento. Mesmo após repetidos pulsos e o desligamento do campo magnético da armadilha, o antihidrogênio não escapou da garrafa, o que sugere que não teria ganho energia. Sua carga, portanto, aproxima-se de zero, assim como a do hidrogênio.

Os resultados animadores já deixaram a equipe do Alpha na expectativa das próximas descobertas. Segundo Lenz, o próximo passo da pesquisa é lançar um feixe de laser ultrapreciso sobre o antihidrogênio, o que permitiria observá-lo ainda melhor e medir  seus níveis quânticos de energia com uma precisão na ordem de partes por trilhão. “Este é o nosso objetivo desde que começamos a pesquisa, há 20 anos, e está prestes a se concretizar,” anuncia o pesquisador.

Este trabalho foi descrito na revista Nature.

Fonte: Ciência Hoje

quarta-feira, 30 de dezembro de 2015

A longevidade dos elétrons

O tempo de vida mínimo dos elétrons, de acordo com as medições recentes é de 6,6 × 1028anos (66.000 yotta-anos), o que corresponde a cerca de cinco quintilhões de vezes a atual idade do Universo.

detector Borexino

© INFN (detector Borexino)

Um elétron é a partícula subatômica mais leve, com massa de cerca de 9,11 x 10-31 kg, que transporta uma carga elétrica negativa. Não há componentes conhecidos nele, e é por isso que os elétrons são considerados uma partícula elementar.

Uma equipe de pesquisadores de diversas nacionalidades que trabalham no experimento Borexino, um detector de neutrinos que opera no Laboratori Nazionali del Gran Sasso, na Itália, buscava sinais de elétrons decaindo em partículas mais leves, mas, como esperado, não foi encontrado nada. Isso é bom, porque confirma o que físicos vem suspeitando há muito tempo. Se eles encontrassem evidências de que elétrons decaem em fótons e neutrinos, estas últimas são partículas elementares com ainda menos massa, isto violaria a conservação da carga elétrica. Tal descoberta sugeria uma nova física muito além do modelo padrão.

O decaimento departículas é muito natural na física; partículas pesadas tendem a decair em mais leves. Um nêutron sozinho, por exemplo, vai decair em um próton, um elétron e um anti-neutrino em alguns minutos. Porém, a carga elétrica total não altera. As únicas partículas que são mais leves do que elétrons são eletricamente neutras: fótons (desprovido de massa), neutrinos, glúons e grávitons. Se existisse outra partícula leve carregada, já teria sido detectada. Isto sugere que não há possibilidade do elétron decair.

Os detalhes do trabalho foram publicados no jornal científico Physical Review Letters.

Fonte: Physics World

sexta-feira, 16 de maio de 2014

Elemento 117 e estabilidade de átomos

Físicos criaram um dos elementos mais pesados já vistos: um átomo com 117 prótons em seu núcleo.

ununséptio

© LLNL (ununséptio)

Esse gigante fica nos limites da tabela periódica, onde núcleos inflados tendem a se tornar cada vez menos estáveis. Mas a existência do elemento 117 dá esperança a cientistas: eles podem estar se aproximando da lendária “ilha de estabilidade” onde núcleos com os chamados ‘números mágicos’ de prótons e nêutrons passam a ter vida longa.
Elementos mais pesados que o urânio (que tem 92 prótons) não são comumente encontrados na natureza, mas podem ser criados em laboratórios. Um problema surge devido à configuração dos prótons, pois quanto maior um núcleo atômico se torna, mais seus prótons repelem uns aos outros com suas cargas positivas. Isso, em geral, os torna menos estáveis, ou mais radioativos. O elemento 117, por exemplo, tem uma meia-vida de 50 milésimos de segundo, o que significa que dentro desse tempo, metade dele decairá em um elemento mais leve.
Uma equipe de russos e americanos criou o elemento 117 pela primeira vez em 2010, no Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear em Dubna, na Rússia. O elemento ainda não é considerado oficial, e precisa ser formalmente aceito e adicionado à tabela periódica pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). O livermório (elemento 116) é até agora o mais superpesado a ter sido confirmado.

A nova aparição do 117, em experimentos do Centro GSI Helmholtz de Pesquisa com Íons Pesados em Darmstadt, na Alemanha, deve ajudar o elemento a receber reconhecimento oficial. “Em contraste com a primeira descoberta, nós somos uma equipe diferente, em um local diferente, usando um dispositivo diferente”, observa Christoph Düllmann, que conduziu a colaboração do GSI. “Eu acho que isso vai mudar a visão que a comunidade científica tem sobre elemento 117. Ele deve passar de um elemento que se alegava ter sido observado, para um elemento confirmado”.
Para criar o 117, que tem o nome temporário de ‘ununséptio’, os pesquisadores fizeram núcleos de cálcio (com 20 prótons cada um) se chocarem contra núcleos de berquélio (97 prótons).
O experimento demorou a ser realizado, em parte, porque é difícil conseguir berquélio. “Nós tivemos que fazer uma parceria com o único local do planeta onde o berquélio pode ser produzido e isolado em quantidade significativa”, explica Düllmann. Esse local é o Laboratório Nacional Oak Ridge, no Tennessee, que tem um reator nuclear capaz de criar esse raro elemento com uma meia-vida de 330 dias.
A instalação precisou de aproximadamente dois anos para estocar a quantidade de berquélio necessária para o experimento; quando cerca de 13 miligramas foram acumulados, cientistas de Oak Ridge enviaram o elemento para a Alemanha, para começar a próxima fase do projeto.
No GSI, pesquisadores aceleraram íons de cálcio a 10% da velocidade da luz, e fizeram com que colidissem com o berquélio. Quando um núcleo de cálcio colidia diretamente com um de berquélio, ocasionalmente os dois se fundiam, dando origem a um novo elemento com um total de 117 prótons. “Nós produzimos cerca de um átomo por semana”, conta Düllmann.
O elemento 117 não foi observado diretamente. O que os cientistas fizeram foi procurar seus subprodutos após ele ter decaído radioativamente emitindo partículas alfa – núcleos de hélio com dois prótons e dois nêutrons. “Os núcleos pesados realizam o decaimento alfa para produzir o elemento 115, e ele também decai por meio de partículas alfa”, explica Jadambaa Khuyagbaatar do GSI.

Após alguns passos nessa cadeia de decaimento, um dos núcleos produzidos é o isótopo laurêncio-266, um núcleo com 103 prótons e 163 nêutrons que nunca fora visto antes. Isótopos anteriormente conhecidos de laurêncio têm menos nêutrons, e são menos estáveis. Essa nova espécie, porém, têm uma meia-vida incrivelmente longa de 11 horas, o que o torna um dos isótopos superpesados mais longevos conhecidos. “Talvez nós estejamos na praia da ilha de estabilidade”, brinca Düllmann.
Ninguém sabe com certeza onde fica essa ilha, ou sequer se ela existe. A teoria sugere que os próximos números mágicos além dos conhecidos ficam por volta de 108, 110 ou 114 prótons, e 184 nêutrons. Essas configurações, de acordo com cálculos, poderiam levar a propriedades especiais que permitem que átomos sobrevivem muito mais tempo que espécies semelhantes. “Todos os dados existentes para os elementos 116, 117 e 118 confirmam que o tempo de vida aumenta conforme nos aproximamos de 184 nêutrons”, declara o teórico Witold Nazarewicz de Oak Ridge, que não se envolveu no estudo.

Núcleos mágicos superpesados podem acabar tendo formas interessantes que conferem estabilidade, como a chamada “configuração bolha” com um buraco no meio. “Esses núcleos ainda não foram descobertos, mas a região que está sendo explorada no momento realmente fica na fronteira do território das bolhas”, aponta Nazarewicz.
Se uma ilha de estabilidade realmente existir, não há limite para a duração de seus núcleos. Eles podem acabar sendo estáveis o bastante para serem encontrados na natureza, mesmo que em quantidades tão pequenas que ainda não os encontramos. Vários pesquisadores estão procurando evidências dessas espécies superpesadas já existentes, que talvez tenham se formado por meio de poderosos eventos cósmicos como a fusão de duas estrelas de nêutrons. Ainda que nenhum deles tenha sido encontrado até agora, cientistas têm esperanças de que evidências da ilha de estabilidade estejam logo adiante, existindo ou não.

Um artigo relatando os resultados foi publicado em 1º de maio no Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American e New Scientist

sábado, 31 de agosto de 2013

Descoberto o elemento químico 115

Uma equipe internacional de cientistas liderados pela Universidade de Lund, na Suécia, diz haver confirmado a existência de um novo elemento químico.

elemeto 115

© Revista Física (elemento 115)

Experimentos conduzidos no centro de pesquisa GSI, na Alemanha, reforçam as evidências de que o elemento químico de número atômico 115 foi encontrado.

Os pesquisadores produziram um isótopo do novo elemento, que se transformou em outras partículas por um processo radioativo.

Os resultados confirmam medições anteriores realizadas por um grupo de cientistas na Rússia, em 2004.

Dirk Rudolph, professor da divisão de física atômica, e seus colegas da Universidade de Lund afirmam ter encontrado sinais de seu decaimento alfa bombardeando um filme fino de amerício (elemento químico de número atômico 95) com íons de cálcio (número atômico 20). Determinadas energias dos fótons estão de acordo com as energias esperadas para a radiação de raios X, que é uma “impressão digital” de um determinado elemento. Também, foram recolhidos dados sobre a estrutura e as propriedades dos núcleo atômico superpesado do novo elemento químico.

sistema de detecção para registar partículas alfa

© U. Lund (sistema de detecção para registar partículas alfa)

O elemento químico 115 é altamente radioativo, que ainda não tem nome, não é estável, durando algumas frações de segundo antes de decair em elementos mais leves.

O potencial novo elemento será analisado por um comitê formado por integrantes da União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) e da União Internacional de Física Pura e Aplicada (IUPAP).

tabela periódica

© Revista Física (tabela periódica)

O comitê vai decidir se acolhe a existência do novo elemento químico ou se mais experimentos são necessários antes da confirmação. A IUPAC ainda não incluiu o novo elemento químico na tabela periódica oficial mantida em seu site.

Fonte: Physical Review Letters

quinta-feira, 18 de julho de 2013

Nanografeno: a nova forma de caborno

Químicos da Boston College (EUA) e da Universidade de Nagoya (Japão) sintetizaram o uma nova forma de carbono.

nanografeno

© Nature Chemistry (nanografeno)

O novo material (C80H30) é composto por várias peças idênticas de grafeno grosseiramente deformado, cada um contendo exatamente 80 átomos de carbono unidos entre si numa rede de 26 anéis, com 30 átomos de hidrogênio na borda. Como medem pouco mais de um nanômetro de diâmetro, estas moléculas individuais são chamadas genericamente de "nanocarbonos", ou mais especificamente, neste caso, como "nanografenos grosseiramente deformados".

Até recentemente, os cientistas tinham identificado apenas duas formas de carbono puro: diamante e grafite. Em 1985, os químicos ficaram surpresos com a descoberta de que os átomos de carbono também pode se juntam para formar bolas ocas, conhecidas como fulerenos. Desde então, os cientistas desenvolveram tubos longos e extremamente finos de átomos de carbono, conhecidos como os nanotubos de carbono, e grandes folhas soltas planas de átomos de carbono, conhecidos como grafeno. A descoberta dos fulerenos foi agraciada com o Prêmio Nobel de Química em 1996, e a sintetização do grafeno foi agraciada com o Prêmio Nobel de Física em 2010.

O aspecto contorcido dessas moléculas altera as propriedades físicas, ópticas e eletrônicas do nanocarbono, o que o define como um novo material. Por exemplo, as moléculas de nanografeno são mais solúveis do que o grafeno.

"E os dois diferem significativamente na cor também. Medições eletroquímicas revelaram que os nanografenos planares e contorcidos são igualmente oxidáveis, mas o nanografeno contorcido é muito mais difícil de reduzir," disse o Dr. Lawrence Scott, membro da equipe que descobriu a nova forma de carbono.

Este novo material tem tudo para ampliar ainda mais as potencialidades do grafeno, pois as propriedades eletrônicas e ópticas das folhas planas de carbono podem ser modificadas de maneira previsível através da síntese química.

Se for possível controlar o grau de distorção das folhas de grafeno variando o número de anéis na molécula, isso permitirá o desenvolvimento de segmentos de grafeno com propriedades precisamente controladas, o que seria muito útil para a fabricação de componentes optoeletrônicos.

Fonte: Nature Chemistry

quinta-feira, 4 de julho de 2013

Força de Van der Walls é medida diretamente

Cientistas na França são os primeiros a fazer uma medição direta da força de Van der Waals entre dois átomos.

pata de lagartixa apoiada num vidro

© Bjørn Christian Tørrissen (pata de lagartixa apoiada num vidro)

Eles fizeram isso, aprisionando dois átomos de Rydberg com um laser e, em seguida, mediram a força em função da distância que os separa. Os dois átomos estavam em um estado quântico coerente e os pesquisadores acreditam que seu sistema poderia ser usado para criar portas lógicas quânticas ou realizar simulações quânticas de sistemas da matéria condensada.
A força de Van der Waals entre átomos, moléculas e superfícies faz parte da vida cotidiana de muitas maneiras diferentes. Aranhas e lagartixas a utilizam para subir paredes lisas, por exemplo, e também  dentro de nossos corpos elas ocorrem na duplicação das proteínas.
Nomeada em homenagem ao cientista holandês Johannes Diderik van der Waals, quem primeiro propôs em 1873 para explicar o comportamento dos gases, é uma força muito fraca, que só se torna relevante quando moléculas e átomos  estão muito próximos uns dos outros. Flutuações na nuvem eletrônica de um átomo significa que ele vai ter um momento de dipolo instantâneo. Isto pode induzir um momento de dipolo em um átomo disponível, sendo o resultado de uma interação atrativa dipolo-dipolo.
Houve muitas medidas indiretas das forças de Van der Waals entre os átomos. Exemplos incluem a análise das forças líquidas em corpos macroscópicos ou na espectroscopia para verificar o comportamento de longo alcance da força entre dois átomos em uma molécula diatômica. No entanto, a medição direta iludiu os cientistas até agora.
Esta última pesquisa foi feita por pesquisadores do Laboratoire Charles Fabry (LCF) e da Universidade de Lille. "O que temos feito aqui, pela primeira vez ao nosso conhecimento, é medir diretamente a interação de Van der Waals entre dois átomos individuais que estão localizados a uma distância controlada", diz Thierry Lahaye, que faz parte da a equipe LCF.
Controlando a distância entre os átomos normais, enquanto se mede a força entre elas, é extremamente difícil, porque as distâncias relevantes são pequenas. Para contornar este problema, a equipe usou átomos de Rydberg, que são muito maiores do que os átomos normais. Esses átomos têm um elétron em um estado excitado. Isto significa que eles têm um grande momento de dipolo instantâneo, e, portanto, deve ter muitas interações fortes de Van der Waals em distâncias relativamente longas. Eles também têm propriedades únicas que lhes permitem ser controlado com uma grande precisão no laboratório.
A experiência começa com dois átomos de rubídio presas em dois feixes de laser focado estreitamente separadas por alguns micrômetros. A luz laser no comprimento de onda específico é então aplicada nos átomos, que leva o sistema a oscilar entre o estado fundamental e um ou dois átomos de Rydberg. A equipe descobriu que, quando as condições eram perfeitas, o sistema oscila entre o estado fundamental e um par de átomos de Rydberg, um em cada foco do laser. Ao medir essas oscilações, a equipe analisou o vigor da força de Van der Waals entre os dois átomos de Rydberg.
Ao ajustar a precisão do feixe de laser, a equipe conseguiu mover os átomos de Rydberg mais próximos ou mais distantes. Ao mudar a distância R entre os átomos, a força variou 1/R6, exatamente como esperado pela força de Van der Waals.
Além da medição da força, a equipe também foi capaz de mostrar que a evolução quântica do estado dos dois átomos de Rydberg interagindo foi totalmente coerente, algo que "nunca foi visto na física atômica", afirma Antoine Browaeys, membro do grupo LCF.
Assim como a lógica quântica
Esta evolução coerente de dois átomos interagindo é idêntica à de um porta lógica quântica em funcionamento em dois bits quânticos (qubits).
Com efeito, o significado a longo prazo desta experiência não é a medida da força em si, mas sim ao elevado grau de controle dos átomos de Rydberg que tenham alcançado. "Isso nos permitirá projetar pequenos sistemas quânticos de tamanho crescente, de dois a algumas dezenas de átomos de Rydberg, sobre os quais temos controle total das interações", explica Lahaye.
Tais sistemas podem encontrar uso no processamento de informação quântica ou na simulação quântica de sistemas da matéria condensada, como ímãs quânticos.
Steven Rolston do Joint Quantum Institute da Universidade de Maryland, que não esteve envolvido no estudo, chama o trabalho um marco importante para a criação de dispositivos de informação quântica, porque mostra que a interação de Van der Waals entre qubits atômicas se comporta como esperado.

Fonte: Physical Review Letters

quarta-feira, 22 de maio de 2013

Núcleo de átomo com formato de pera

Cientistas identificaram pela primeira vez um núcleo de átomo com o formato que se assemelha ao de uma pera.

núcleo de um isótopo de rádio-224 em formato de pera

© CERN (núcleo de um isótopo de rádio-224 em formato de pera)

Embora a forma já tivesse sido prevista na teoria, ainda não havia evidências de nenhum átomo com esse formato, apenas de núcleos esféricos ou ovalados, com um formato que lembra uma bola de rúgbi.

Tudo que existe no Universo é feito de átomos, e eles são pequenos demais para que possamos vê-los. Para identificar o formato dos átomos, os cientistas usaram um acelerador de partículas, chamado REX-ISOLDE, do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), na Suíça, e mediram os padrões de radiação eletromagnética.

O formato do núcleo de um átomo é determinado pela interação entre as partículas que o compõem, os prótons e os nêutrons. Quando a relação entre eles é bem equilibrada, o núcleo assume suas formas mais típicas, a esférica e a ovalada.

O núcleo em forma de pera, de acordo com a teoria, só ocorreria em átomos pesados e instáveis, como os de alguns elementos radioativos. É o caso dos elementos que foram usados na atual pesquisa: os isótopos de radônio-220 e de rádio-224.

A descoberta é importante para a física teórica, pois melhora a compreensão dos cientistas sobre a estrutura dos átomos. Segundo Christopher Lister, pesquisador da Universidade de Massachusetts, nos EUA, a evolução dos aceleradores e detectores de partículas deve levar a medições cada vez mais precisas dos átomos.

O estudo foi liderado por Liam Gaffney e Peter Butler, da Universidade de Liverpool, na Inglaterra.

Fonte: Nature

quinta-feira, 27 de setembro de 2012

Criado novo elemento químico

Cientistas do Japão afirmam ter conseguido criar em laboratório o elemento químico de número atômico 113 (ou seja, que tem 113 prótons no seu núcleo).

decaimento do elemento 113

© RNC (decaimento do elemento 113)

Segundo o artigo, os pesquisadores do RIKEN Nishina Center for Accelerator-based Science (RNC) identificaram o 113 indiretamente, através de seis decaimentos alfa (ou seja, emitiu cinco partículas alfa, equivalentes ao núcleo do átomo de Hélio).

O novo elemento é considerado superpesado, ou seja, não é encontrado naturalmente na natureza e só pode ser feito em laboratório através de reatores nucleares ou aceleradores de partículas. Até agora, somente os Estados Unidos, Rússia e Alemanha haviam descoberto elementos superpesados.

Em 12 de agosto, os pesquisadores japoneses colocaram íons de zinco para viajar a 10% da velocidade da luz. Estes colidiram com uma fina camada de bismuto e o resultado foram íons muito pesados que foram seguidos por uma cadeia de diversos decaimentos alfa consecutivos. Foram estes que foram identificados como produto do 113° elemento.

Este feito colocam os pesquisadores do Japão no páreo pela paternidade do elemento 113, já que em 2004 e 2005 pesquisadores dos Estados Unidos e Rússia já tinham afirmado ter feito a descoberta, contudo estes observaram apenas quatro vezes a emissão de partículas alfa. Acontece que o 113 ao decair duas vezes vira dúbnio e o decaimento deste em laurêncio é bem conhecido pelos cientistas, e serve para provar a existência do novo elemento.

Curiosamente, é muito fácil achar tabelas periódicas com o elemento 113 descoberto em 2004. Contudo, a União Internacional de Química e Pura e Aplicada (IUPAC) não reconheceu o feito, como pode ser observado na tabela periódica.

Os cientistas japoneses afirmam que foram nove anos de procura por dados para provar a descoberta do 113. A próxima meta deles é encontrar um elemento ainda mais pesado, de número atômico 119.

Fonte: Journal of Physical Society of Japan

sábado, 21 de julho de 2012

Descoberto novo tipo de ligação química

Foi descoberto um novo tipo de ligação química que é mantida por campos magnéticos extremamente fortes.

campos magnéticos em estrela de nêutrons

© Physics World (campos magnéticos em estrela de nêutrons)

A reação não poderia ocorrer nas condições naturais da Terra, ela apenas ocorre nas proximidades de estrelas de nêutrons ou anãs brancas.

Na Terra, os átomos se ligam por ligações covalentes, ou ligações de hidrogênio, quando eles compartilham elétrons, ou por ligações iônicas, quando a atração eletrostática faz com que íons de cargas opostas se juntem.

No novo tipo de ligação, que Kai Lange e seus colegas da Universidade de Oslo, na Noruega, chamaram de ligação paramagnética, é o magnetismo que mantém os átomos coesos.

Os campos magnéticos presentes naturalmente na Terra mal perturbam as forças eletromagnéticas que ligam os átomos em moléculas.

Mas nas anãs brancas, estrelas no fim de suas vidas, extremamente densas, os campos magnéticos podem atingir 100.000 T (teslas). As estrelas de nêutrons, por sua vez, podem gerar campos magnéticos de 10.000.000 T.

Por comparação, o maior campo magnético gerado na Terra é de 100,75 T.

Na atração magnética extrema, através de simulação em computador, os átomos podem se juntar magneticamente, por meio da interação entre os spins de seus elétrons.

Nessas condições, átomos como o pouco reativo hélio, podem se juntar em pares. O mesmo ocorre com o hidrogênio. Os cientistas não fizeram cálculos para átomos mais complexos.

Aqui na Terra, as ligações químicas normalmente emparelham elétrons com spins opostos. Mas, nessas estrelas supercompactas, o campo magnético intenso interage com o spin dos elétrons, fazendo-os funcionar como pequenos ímãs.

Com isto, os spins dos dois elétrons se alinham com o campo magnético, forçando um deles a se mover para uma posição conhecida como orbital de anti-ligação.

Como elétrons em orbitais de anti-ligação são "proibidos" nos dois tipos de ligação química conhecidos, covalente e iônica, os cientistas afirmam ter descoberto um novo tipo de ligação química, que foi denominada de "ligação paramagnética perpendicular".

Assim, os cálculos demonstram a existência de uma química exótica no espaço, o que pode ajudar a explicar estranhos comportamentos detectados nas condições extremas do Universo.

Fonte: Science

quinta-feira, 5 de julho de 2012

A imagem da sombra de um átomo

O físico Erik Streed e seus colegas da Universidade de Griffith, na Austrália, usaram uma técnica para tirar uma foto inédita da sombra de um átomo.

 sombra de um átomo de itérbio

© Nature (sombra de um átomo de itérbio)

Eles alcançaram o limite extremo da microscopia, pois não possível ver nada menor do que um átomo usando luz visível. A intenção dos pesquisadores era investigar quantos átomos são necessários para gerar uma sombra e provaram que basta apenas um.

Primeiro, um átomo de itérbio foi confinado no interior de uma câmera de vácuo, devidamente aprisionado por campos magnéticos.

No âmago do experimento está um microscópio de resolução extremamente alta, capaz de tornar a sombra escura o suficiente para que possa ser captada. A seguir o átomo é exposto a uma frequência específica da luz, produzindo a sombra em um anteparo, sombra esta que é então coletada por um sensor digital.

Se a frequência da luz que foi projetada sobre o átomo for alterada em apenas uma parte em um bilhão, a imagem não pode mais ser vista.

O Dr. Erik Streed afirma que, além de permitir um melhor entendimento da física atômica, seu experimento poderá ajudar a explorar a computação quântica.

Os benefícios também são óbvios para a biomicroscopia, sobretudo pelas informações sobre a quantidade de luz que cada átomo deve absorver a fim de criar uma sombra.

"Nós podemos agora prever quanta luz é necessária para observar processos no interior das células, sob condições ótimas de microscopia, sem ultrapassar os limites e matar a célula," disse Streed.

Fonte: Nature

sábado, 24 de março de 2012

Nova imagem do núcleo do átomo

Um conceito errôneo é visualizar o átomo como sendo análogo a um sistema planetário, admitindo o núcleo, composto por prótons e nêutrons, como sendo algo estacionário, fisicamente delimitado.

nova imagem do núcleo atômico

© ANL (nova imagem do núcleo atômico)

Enquanto que há muito tempo sabemos que os elétrons são "nuvens de probabilidade" ao redor dos núcleos, devido à sua peculiaridade bipolar, podendo se comportar como partículas ou ondas.

Na década de 1980 descobriu-se que alguns núcleos atômicos de elementos leves, como hélio, lítio e berílio, não têm bordas externas definidas: eles possuem halos, partículas que se destacam além das bordas do núcleo, criando uma nuvem que envolve o núcleo. A imagem abaixo mostra uma ilustração do núcleo de berílio circundado por seu halo. Segundo medições realizadas por uma equipe alemã, o halo se estende a até 7 femtômetros (0,000000000000007 metros) do centro de massa do núcleo, cobrindo uma área três vezes maior do que a parte densa do núcleo.

núcleo de berílio circundado por seu halo

© Dirk Tiedemann/Uni-Mainz (núcleo de berílio rodeado por seu halo)

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

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

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

O berílio ao contrário dos outros átomos possui dois aglomerados de núcleons, cada um parecido com um núcleo do átomo de hélio-4. Esses núcleons, por sua vez, estão associados a um nêutron adicional.

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

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

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

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

O próximo passo dos pesquisadores ao estudar este fenômeno será obter uma imagem da distribuição dos quarks quando os núcleons se aglutinam.

Fonte: Argonne National Laboratory

terça-feira, 28 de fevereiro de 2012

Mapa dos elétrons de uma única molécula

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

distribuição de cargas numa molécula de naftalocianina

© Nature (distribuição de cargas numa molécula de naftalocianina)

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

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

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

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

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

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

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

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

Os cientistas mostraram que a microscopia de força por sonda Kelvin pode mapear a diferença de potencial desse sistema com resolução submolecular, e através de cálculos teóricos de densidade funcional verificaram que esses mapas refletem a distribuição intramolecular das cargas.

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

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

Fonte: Nature Nanotechnology

quinta-feira, 2 de fevereiro de 2012

Átomo simula asteroides troianos de Júpiter

Físicos construíram um modelo preciso de uma parte do Sistema Solar no interior de um único átomo de potássio.

asteroides troianos

© Minor Planet Center (asteroides troianos)

A imagem acima mostra as órbitas dos planetas Mercúrio, Vênus, Terra, Marte e Júpiter (azul claro); asteroides do cinturão principal (pontos verdes); os "Near Earth Objects" (círculos em vermelho); os asteroides troianos (pontos azul escuro); e os cometas (quadrados em azul claro).

Eles fizeram com que um elétron orbitasse o núcleo do átomo exatamente da mesma forma que os asteroides troianos de Júpiter orbitam o Sol.

Os átomos são comumente representados como sistemas planetários, graças ao modelo criado por Niels Bohr em 1913.

modelo atômico de Bohr

© TU Vienna (modelo atômico de Bohr)

Contudo, apesar de o modelo de Bohr ser bem ilustrativo, a mecânica quântica estabelece que o elétron pode ser encontrado em muitos lugares, o que transforma sua órbita em um espaço grande, difuso e incerto.

Na física quântica, o elétron é definido como uma onda, ou uma "nuvem de probabilidades". Simplesmente não faz sentido perguntar qual é a "posição real" de um elétron, porque ele está situado em todas as direções possíveis ao redor do núcleo ao mesmo tempo.

Mas, os cientistas da Áustria e dos Estados Unidos descobriram que os átomos têm algo em comum não apenas com os sistemas planetários, mas com o nosso Sistema Solar em particular.

Mais especificamente, eles descobriram que um tipo especial de átomo pode simular os asteroides troianos de Júpiter, asteroides que viajam à frente e atrás do planeta, em pontos de equilíbrio gravitacional conhecidos como pontos de Lagrange.

Da mesma forma que Júpiter estabiliza a órbita dos seus asteroides troianos, a órbita dos elétrons ao redor do núcleo atômico pode ser estabilizada usando um campo eletromagnético.

No experimento, a influência estabilizadora da gravidade de Júpiter foi substituída por um campo magnético precisamente ajustado. O campo oscila precisamente com a frequência correspondente ao período orbital do elétron ao redor do núcleo.

Isso estabelece um ritmo para o elétron, de forma que o elétron-onda é mantido em um ponto específico por um longo tempo.

Com isto, o elétron pode até mesmo ser empurrado para outra órbita - mais ou menos como se os asteroides troianos de Júpiter fossem subitamente forçados a orbitar Saturno.

Para fazer isto, o grupo usou um raio laser para excitar o elétron mais externo do átomo de potássio para números quânticos - descritivos da "órbita" do elétron - entre 300 e 600, criando um átomo de Rydberg.

Isto significa que eles construíram um átomo gigante, eventualmente o maior átomo do mundo - o elétron orbita o núcleo a uma distância tão grande que o átomo inteiro ficou do tamanho de um ponto ".".

Os cientistas se entusiasmaram com o feito, e agora planejam preparar átomos com vários elétrons se movendo em órbitas planetárias ao mesmo tempo.

Isto permitirá que eles estudem como o mundo quântico dos objetos em escala atômica correspondem ao mundo clássico, como nós o percebemos com nossos sentidos.

"A zona de transição entre a mecânica quântica e a física clássica é a mais fascinante e menos compreendida fronteira da física," afirmou Joseph Eberly, membro da equipe.

Fonte: Physical Review Letters

quinta-feira, 1 de setembro de 2011

Registrada primeira imagem de um elétron orbitando uma molécula

A movimentação dos elétrons sempre foi difícil de ser registrada em imagem. Dessa vez, entretanto, cientistas da IBM Research Zurich e da University of Liverpool finalmente foram os primeiros a capturar a trajetória que um elétron realiza em torno de um núcleo.
orbitais do pentaceno
© Science (orbitais do pentaceno)
A substância em questão é o pentaceno, um hidrocarboneto composto por um agrupamento de cinco aneis benzênicos com 22 átomos de carbono e 14 átomos de hidrogênio. As regiões escurecidas da imagem, que parecem dividir a molécula em várias partes, consistem no caminho percorrido pelo elétron, no que é chamado de órbita.
A imagem nomeada como HOMO simboliza o caminho mais provável feito pelo elétron, enquanto LUMO mostra a trajetória que ele deve percorrer com menor frequência.
O registro só foi possível graças a um microscópio de força atômica (AFM), que é capaz de retratar imagens muito menores do que os aparelhos tradicionais, a própria agulha do instrumento necessita de outro microscópio para ser visualizada!
A tarefa é ainda mais difícil quando lembramos que o comportamento de um elétron é diferente de uma partícula comum, pois para determinar sua posição em um orbital exige cálculos baseados apenas em probabilidades.
Fonte: Science

quarta-feira, 1 de junho de 2011

O elétron é quase perfeitamente redondo

Pesquisadores britânicos descobriram que o elétron é quae que totalmente redondo. Eles fizeram a medição mais precisa até hoje da forma de um elétron, que demonstra que ele é uma esfera quase perfeita.
elétrons orbitando o núcleo do átomo
© ALAMY (elétrons orbitando o núcleo do átomo)
As partículas subatômicas só diferem de ser perfeitamente redondas por menos de 0,000000000000000000000000001 centímetros. Isso significa que se um elétron for ampliado para o tamanho do Sistema Solar, ainda parecerá esférico dentro da largura de um fio de cabelo humano.
Os físicos estudaram os elétrons dentro de moléculas chamadas de flúor itérbio. Utilizando um laser, eles fizeram medições do movimento dos elétrons, procurando qualquer balanço que sugerisse que a forma da molécula era distorcida (o que ocorreria se os elétrons não fossem perfeitamente redondos).
Por mais de uma década, tais imperfeições não foram observadas. Foi uma medida muito difícil de fazer, mas agora esse conhecimento vai melhorar teorias fundamentais da física.
Os resultados são importantes no estudo da antimatéria, uma substância elusiva que se comporta da mesma maneira como a matéria comum, exceto que tem uma carga elétrica oposta.
Por exemplo, a versão de antimatéria dos elétrons com carga negativa é a carga positiva anti-elétron, conhecido como pósitron. Compreender a forma do elétron pode ajudar os pesquisadores a entender como os pósitrons se comportam e como a matéria difere da antimatéria.
Segundo as leis da física atualmente aceitas, o Big Bang criou tanta antimatéria quanto matéria comum. No entanto, desde que o conceito foi concebido pelo ganhador do Prêmio Nobel Paul Dirac, em 1928, a antimatéria só foi encontrada em pequenas quantidades a partir de fontes como raios cósmicos e algumas substâncias radioativas.
Os cientistas querem explicar essa falta de antimatéria procurando por pequenas diferenças entre o comportamento da matéria e da antimatéria, que até agora não foi observada.
O fato dos pesquisadores descobrirem que os elétrons não são redondos pode provar que o comportamento da matéria e da antimatéria difere mais do que os físicos pensavam anteriormente. Assim, poderia explicar como toda a antimatéria desapareceu do universo, deixando apenas a matéria comum.
Segundo cientistas, os astrônomos já procuraram direto na borda do universo visível, e mesmo eles só viram matéria comum, e nenhum esconderijo para uma grande porção de antimatéria. Os físicos não sabem o que aconteceu com ela, mas essa pesquisa pode ajudar a confirmar ou descartar algumas das explicações possíveis.
Fonte: Nature

terça-feira, 5 de abril de 2011

Descoberta nova simetria na natureza

Um novo tipo de simetria na estrutura dos materiais naturais foi descoberto por cientistas da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos.
rede cristalina representando estruturas moleculares
© Gopalan Lab (rede cristalina representando estruturas moleculares)
A imagem ilustra uma rede atômica composta de colunas de quadrados representando estruturas moleculares repetitivas, uma rotacionada no sentido horário (azul) e outra rotacionada no sentido anti-horário (laranja).
A simetria estabelece todas as leis naturais do universo físico. A nova simetria oferece uma nova forma de entendimento da estrutura das proteínas, polímeros, minerais e materiais sintéticos, ou metamateriais.
Até agora, os cientistas conheciam cinco tipos de simetria, que são usadas como uma espécie de ferramenta para descrever a estrutura dos chamados materiais cristalinos, cuja estrutura segue padrões ordenados.
Quatro tipos de simetrias são conhecidos há milhares de anos, chamadas: rotação, inversão, rotação-inversão e translação.
Um quinto tipo de simetria foi descoberto há cerca de 60 anos, chamado reversão temporal.
Agora, Venkatraman Gopalan e seus colegas acrescentaram um sexto tipo de simetria a esta lista, que foi batizada de rotação reversa.
Assim, o número de formas conhecidas nas quais os componentes dos materiais cristalinos podem se organizar saltou de 1.651 para 17.800.
"Nós combinamos matematicamente a nova simetria de rotação reversa com as cinco simetrias conhecidas e agora sabemos que os grupos simétricos podem se formar nos materiais cristalinos em um número de combinações muito maior," explicou Daniel Litvin, coautor do trabalho.
A descoberta vai facilitar o entendimento da estrutura de muitas moléculas biológicas, que são classificadas como dextrógira e levógira, isso inclui o DNA, os açúcares e as proteínas.
"Nós descobrimos que a simetria de rotação reversa também existe em pares de estruturas, onde os componentes parceiros se inclinam um na direção do outro, então um para longe do outro, em padrões emparelhados simetricamente ao longo do material," contou Gopalan.
Os pesquisadores afirmam que é possível que componentes com simetria de rotação reversa possam ser estruturados para funcionar como chaves liga/desliga para uma grande variedade de novas aplicações.
Os computadores também poderão ter seus benefícios. Por exemplo, o objetivo de desenvolver um material ferroelétrico exige um material no qual coexistam os dipolos elétricos e os momentos magnéticos, ou seja, um material que permita o controle elétrico do magnetismo, algo que seria muito útil para os computadores.
Tais materiais se tornam mais factíveis agora que os cientistas sabem que as possibilidades de arranjo da estrutura atômica são muito maiores do que se previa anteriormente, o que permite vislumbrar a existência, ou a possibilidade de sintetização, de materiais com combinações incomuns de propriedades.
Os cristais de quartzo, por exemplo, usados em relógios de pulso, poderão ter propriedades ópticas ainda nem sequer imaginadas, com igualmente nem sequer imaginadas possibilidades de aplicação.
Ao contrário dos outros tipos de simetria, a rotação reversa não age sobre toda a estrutura do material de uma só vez, mas em componentes isolados.
O tipo mais simples de simetria, a simetria de rotação, é bem simples: imagine um quadrado sendo girado ao redor de seu ponto central. O quadrado mostra sua característica simétrica ao conservar a mesma aparência durante a rotação, a 90°, 180°, 270° e 360°.
Os cientistas afirmam que a nova simetria também é óbvia, desde que você saiba para onde olhar e que preste atenção em formatos espirais.
Da mesma forma que um quadrado tem a qualidade da simetria de rotação mesmo quando não está sendo girado, um formato espiral tem a qualidade da simetria de rotação reversa mesmo quando não está sendo fisicamente forçado a girar na direção reversa.
Novas aplicações são esperadas na área de biofísica molecular. A descoberta expande enormemente as possibilidades de descoberta e de sintetização de novos materiais com propriedades ajustadas conforme a necessidade.
Fonte: Nature

quinta-feira, 18 de novembro de 2010

Átomos de antimatéria são criados e armazenados pela primeira vez

Pela primeira vez, cientistas conseguiram não só produzir como estocar e liberar, de forma controlada, átomos de antihidrogênio, a versão em antimatéria dos átomos de hidrogênio, os mais simples encontrados na natureza. Esta tecnologia possibilitou criar e aprisionar, por 170 milissegundos, pelo menos 38 átomos da antimatéria do hidrogênio. O resultado foi obtido depois de 335 rodadas do experimento, misturando 10 milhões de antiprótons e 700 milhões de pósitrons.
 detalhe do equipamento usado no experimento
© CERN (detalhe do equipamento usado no experimento)
Antimatéria é composta por partículas idênticas às da matéria comum, mas dotadas de carga elétrica oposta. Os antiprótons têm carga negativa e os antielétrons, ou pósitrons, carga positiva.
Os átomos de antihidrogênio já haviam sido criados anteriormente, mas até agora tinha sido impossível isolá-los, e eles acabavam se chocando com átomos de matéria normal, aniquilando-se em um flash de raios gama, produzindo radiação. Essa característica é usada na tecnologia médica, onde a chamada tomografia PET se vale da desintegração de pósitrons para gerar os sinais que são captados pelo equipamento de imagem. Em um experimento não diretamente relacionado, realizado em 2005, um grupo de físicos conseguiu criar o positrônio, um átomo exótico, feito de matéria e de antimatéria: um elétron e um pósitron ligados um ao outro, mas sem um núcleo.
As características do anti-hidrogênio precisam ser determinadas experimentalmente para confirmar, ou não, previsões feitas pelo modelo padrão das partículas elementares. Mesmo sendo criados num vácuo, átomos de anti-hidrogênio produzidos em laboratório sempre se encontram cercados de matéria comum e acabam destruídos antes que os cientistas consigam analisá-los. O fato de os átomos de antimatéria não terem carga elétrica faz com que aprisioná-los e isolá-los da matéria comum seja ainda mais difícil do que conter pósitrons e antiprótons. A figura a seguir mostra em a) o interior do equipamento ALPHA, e em b) um diagrama do potencial em função da posição axial mostrando a concentração de pósitrons e a presença de antiprótons antes e depois da ejeção do feixe.
equipamento ALPHA
© CERN (equipamento ALPHA)
No experimento ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) do CERN (Centro Europeu de Pesquisas Nucleares), foram utilizadas temperaturas extremamente baixas para desacelerar pósitrons e antiprótons o suficiente para que interagissem e formassem os átomos de anti-hidrogênio.
Em seguida, aplicando campos magnéticos, foram isolados com sucesso esses átomos por mais de um décimo de segundo, o que seria tempo suficiente para estudá-los. A temperatura dos antiátomos formados foi de 0,5 K, ou meio grau acima do zero absoluto. O vácuo do espaço, entre as estrelas, tem uma temperatura de 2,7 K.
Os cientistas ainda buscam uma explicação para a predominância de matéria no Universo. Em teoria, matéria e antimatéria deveriam ter surgido em quantidades iguais no Big Bang e se aniquilado em seguida, mas por algum motivo restou um saldo de matéria positiva que foi dar origem às estrelas, planetas e galáxias.
O estudo dos átomos de antihidrogênio poderá ajudar a entender a causa desse desequilíbrio.
Fonte: Nature