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26 de nov. de 2013

A matéria é resultado de flutuações do vácuo quântico


Da redação do Site Inovação Tecnológica

A teoria de que a matéria não tem fundações tão firmes quanto sugerem termos como "concreto" e "sólido" não é tão nova. Mas esta é a primeira vez que os cientistas conseguiram demonstrar que a matéria se origina de meras flutuações do vácuo quântico.

Modelo Padrão da Física

Uma equipe internacional de físicos demonstrou de forma conclusiva que o Modelo Padrão da física das partículas - a teoria que descreve as interações fundamentais das partículas elementares para formar toda a matéria visível no universo - explica com precisão a massa dos prótons e dos nêutrons.

"Mais de 99% da massa do universo visível é formado por prótons e nêutrons," afirma o estudo, publicado na revista Science. "Esses dois tipos de partículas são muito mais pesados do que os quarks e glúons que as constituem, e o Modelo Padrão da física deve explicar essa diferença."

O que faz com que a matéria seja matéria?

Cada próton e cada nêutron é formado por três quarks. Ocorre que esses três quarks juntos respondem apenas por 1% da massa de todo os prótons ou nêutrons. A explicação conclusiva que faltava era: Então, o que responde pelo restante da massa dessas partículas? Em outras palavras, "O que faz com que a matéria seja matéria?"

O Dr. Andreas S. Kronfeld explica que, como os núcleos atômicos formam quase todo o peso do mundo, e como esses núcleos são compostos de partículas chamadas quarks e glúons, "os físicos acreditam há muito tempo que a massa do núcleo atômico tem sua origem na complicada forma com que os glúons se ligam aos quarks, conforme as leis da cromodinâmica quântica (QCD - Quantum ChromoDynamics)."

Partículas virtuais

Os glúons são uma espécie de "partículas virtuais," que surgem e desaparecem de forma aleatória. O campo formado por essas partículas virtuais seria responsável pela força que une os quarks - a chamada força nuclear forte.

Ocorre que, como o número de interações reais e virtuais entre quarks e glúons é estimada na casa dos trilhões, é incrivelmente difícil, ou até mesmo impossível, usar as equações da QCD (cromodinâmica quântica) para calcular a força nuclear forte.

Os pesquisadores então criaram uma nova técnica, batizada por eles de Rede QCD, na qual o espaço é representado na forma de uma rede discreta de pontos, como os pixels de uma tela de computador. Este modelo permitiu que os cientistas incorporassem toda a física necessária e deu a eles o controle das aproximações numéricas e da taxa de erros nos cálculos da massa dos hádrons - prótons, nêutrons e píons.

A rede QCD reduz toda a complexidade das equações virtualmente insolúveis em um conjunto de integrais, que puderam ser programadas para solução em um programa de computador.

Isto permitiu que, pela primeira vez, os físicos incluíssem em seus cálculos as interações quark-antiquark, uma das maiores complexidades da força nuclear forte. Agora, além dos glúons, eles sabem que a massa dos quarks-antiquarks se origina da flutuação do vácuo quântico.

Diferença entre acreditar e saber

Conforme os pesquisadores, agora é possível eliminar a expressão "os físicos acreditam", substituindo-a por "os físicos sabem", quando o assunto é a QCD.

Segundo o Dr. Kronfeld, os cálculos revelaram que, "mesmo se a massa dos quarks for eliminada, o massa do núcleo não varia muito, um fenômeno algumas vezes chamado de 'massa sem massa'."

Toda a matéria do universo é virtual

A forma como a natureza cria a massa dos quarks é um dos assuntos de maior interesse dos físicos que irão trabalhar no Grande Colisor de Hádrons, o LHC, que deverá começar a funcionar em 2009.

O LHC vai tentar confirmar experimentalmente a existência do chamado campo de Higgs, que explica a massa dos quarks individuais, dos elétrons e de algumas outras partículas. Ocorre que o campo de Higgs também cria a massa a partir das flutuações do vácuo quântico.

Ou seja, com a atual confirmação de que a massa dos glúons e quarks-antiquarks tem sua origem na flutuação do vácuo quântico, se o LHC confirmar a existência do campo de Higgs, então a conclusão inevitável será de que toda a matéria do universo é virtual, originando-se de meras flutuações de energia.

22 de nov. de 2013

Outro caminho em direção à fotossíntese artificial


Folha artificial captura energia solar e gera eletricidade

O sistema híbrido concentra os fótons absorvidos em duas etapas, primeiro nos oligômeros de rênio, e depois no centro de reação de rutênio.[Imagem: Yamamoto et al.]

Cientistas japoneses conseguiram pela primeira vez coletar a energia do Sol usando um número excepcionalmente grande de moléculas coletoras de luz, aproximando-se mais da forma como as plantas coletam a luz solar para produzir seu alimento.

Já que a luz é uma onda eletromagnética, Yohei Yamamoto e seus colegas do Instituto de Tecnologia de Tóquio criaram uma folha artificial que captura a luz usando diversas antenas.

A seguir, a luz é conduzida até um receptor, onde os fótons são efetivamente convertidos em energia, completando o circuito da fotossíntese artificial.

Os painéis solares são formados por milhares de células solares individuais.

No caso da fotossíntese artificial, porém, as "células solares" são muito menores, elas são na verdade "moléculas solares".

Até agora os pesquisadores vinham utilizando sistemas de colheita de luz de uma única etapa, o que limita bastante o número de absorvedores de luz capazes de alimentar um único centro de reação e conversão.

Imitando os sistemas fotossintéticos naturais, Yamamoto coletou a luz de forma muito mais eficiente usando o maior número de "folhas artificiais" registrado até hoje.

São 440 tubos de organossilicato mesoporoso (PMO) ligados por grupos absorvedores de luz bifenila (Bp) com cinco pentâmeros rênio conectados a um complexo trisdiimina de rutênio (Ru-Re5).

Este sistema híbrido - PMO-Bp-Ru-Re5 - concentra os fótons absorvidos em duas etapas, primeiro nos oligômeros de rênio, e depois no centro de reação de rutênio.

Embora represente um avanço histórico no projeto "bioinspirado" da fotossíntese artificial, o uso do rutênio ainda é um entrave à utilização prática do sistema.

Mesmo sendo utilizada apenas uma unidade de rutênio por folha artificial, o elemento é caro demais, e terá que ser substituído para que a abordagem possa produzir os primeiros painéis solares fotossintéticos.

Fonte: Site Inovação Tecnológica

1 de nov. de 2013

A um passo da fotossíntese artificial


Fotossíntese artificial sustentável está a 0,2 V da realidade

Imagem: Angewandte Chemie







Enquanto a fotossíntese natural sustenta a vida na Terra, a esperança é que a fotossíntese artificial possa sustentar todas as necessidades de energia da civilização humana.
"Os painéis solares podem coletar energia, mas o armazenamento economicamente viável ainda é uma incógnita. Estamos tentando copiar uma ideia da Mãe Natureza, onde a fotossíntese produz energia a partir do Sol e a armazena," explica Dunwei Wang, da Universidade de Boston, nos Estados Unidos.

Oxidação e redução
Em uma série de avanços em seus esforços para desenvolver um meio econômico de realizar a fotossíntese artificial, a equipe de Wang conseguiu diminuir drasticamente a diferença de tensão entre os dois processos cruciais de oxidação e redução.
A fotossíntese natural consiste de dois processos: a oxidação produz o oxigênio, enquanto a redução produz moléculas orgânicas.
Wang explica que a fotossíntese artificial, também conhecida como quebra da molécula da água, tenta copiar estas duas reações usando um fotoanodo para oxidar a água e um fotocatodo, ou para reduzir a água para a produção de hidrogênio, ou para reduzir o dióxido de carbono para criar moléculas orgânicas.
Mas os experimentos em laboratório têm-se deparado com uma diferença na tensão necessária para um dos dois lados da reação. Em essência, a oxidação e a redução exigem de 1,2 a 1,3 volts combinados para obter a carga necessária para alimentar a fotossíntese artificial.
Até agora, essa lacuna só havia sido preenchida usando materiais raros e caros - proibitivamente caros para qualquer aplicação prática.

Ferrugem útil
Agora, Wang e seus colegas se aproximaram muito do objetivo usando apenas óxido de ferro, a mesma ferrugem que cresce quando o metal é exposto ao tempo.
A tensão obtida representa um aumento de 50% em relação aos melhores resultados anteriores, deixando a fotossíntese artificial prática a apenas 0,2 volt de se tornar realidade.
A equipe obteve seus resultados revestindo hematita - um óxido de ferro semelhante à ferrugem - com óxido de ferro-níquel, uma liga de baixo custo largamente utilizada na indústria.
"Nosso sistema, feito de oxigênio, silício e ferro - três dos quatro elementos mais abundantes na Terra - fornece mais de 1 volt," disse Wang. "Agora, são apenas dois décimos de volt faltando no fotoanodo. Isso é uma redução significativa da diferença."
Ele acrescenta que preencher o hiato é algo totalmente dentro do alcance, particularmente porque outras equipes já fizeram isso usando sistemas diferentes, mas não tão baratos.