Em busca de impressões digitais da poluição atmosférica

       A contaminação da atmosfera por gases e partículas sólidas afeta não só a saúde humana nos centros urbanos, como também o ecossistema como um todo. O gerenciamento da qualidade do ar depende de diversas ações, que vão desde o estabelecimento e regulamentação dos padrões de qualidade e de lançamento de poluentes até o monitoramento da qualidade do ar de determinada região.
       Os programas de monitoramento da qualidade do ar são capazes de indicar os níveis de poluentes na atmosfera e avaliar sua concordância com padrões estabelecidos pela legislação. No entanto, eles não são capazes de indicar a contribuição individual de cada fonte responsável pela emissão desses poluentes.
       Uma das ferramentas utilizadas para o controle e redução da poluição atmosférica são modelos matemáticos chamados de modelos receptores. Eles permitem estimar, a partir das características físicas e químicas dos poluentes, a contribuição oriunda de diversas fontes. Essa é uma informação de suma importância na identificação e responsabilização das fontes poluidoras por parte dos órgãos de controle e fiscalização ambiental.
       Apesar disso, algumas limitações desses modelos dificultam sua aplicação inequívoca. Isso acontece porque fontes diferentes podem ter perfis químicos muito similares ou, ainda, fontes poluidoras diferentes podem estar muito próximas entre si. Dessa forma, o processo de transporte dos poluentes pelo vento resulta numa deposição quase simultânea em um dado local.
       Esse efeito, chamado de colinearidade das fontes, pode diminuir a sensibilidade dos modelos receptores ocasionando na avaliação incorreta das contribuições. Uma forma de contornar esse problema é a aferição de marcadores químicos que atribuam características únicas às fontes, como uma impressão digital.
       Assim, Elson Silva Galvão, da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), e colaboradores investigaram [1] o material particulado presente na atmosfera da Região da Grande Vitória, no Espírito Santo, com o objetivo de identificar marcadores específicos que pudessem ligar cada componente do material particulado a fontes específicas.
       Entre as análises, os pesquisadores utilizaram a linha XRD1 do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), que, segundo o grupo, foi fundamental para o sucesso da pesquisa, já que a técnica de difração ressonante de raios X permitiu a identificação de tais marcadores. O estudo resultou em uma abordagem metodológica inédita na caracterização química de partículas atmosféricas e na identificação de marcadores que possam ligar essas partículas às suas fontes de emissão.

Figura: Marcadores industriais (alfa-hematita e ferro metálico) e veicular (BaTiO3) em uma amostra de Particulas Totais em Suspensão (PTS) coletada da atmosfera da Região da Grande Vitória, ES, Brasil.

       
       Os resultados sugerem que diferentes estados químicos do ferro estão relacionados a processos industriais muito específicos, mesmo para processos similares como sinterização e altos-fornos, associados à siderurgia. Outros marcadores apresentaram assinaturas distintas permitindo sua separação entre fontes veiculares e industriais, como o caso do carbono elementar, minimizando assim uma interpretação genérica das fontes de emissão dessa espécie.
       Segundo os pesquisadores, este trabalho mostra sua importância não somente para aplicação em estudos da qualidade do ar, mas também ao estudo de sedimentos e materiais.

Fontes: 
[1] Elson Silva Galvão, Jane Meri Santos, Ana Teresa Lima, Neyval Costa Reis Jr., Richard Michael Stuetz, Marcos Tadeu D’Azeredo Orlando, Resonant Synchrotron X-ray Diffraction determines markers for iron-rich atmospheric particulate matter in urban region. Chemosphere 212 (2018) 418-428. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2018.08.111
[2] https://www.lnls.cnpem.br/em-busca-de-impressoes-digitais-da-poluicao-atmosferica/

Efeito barocalórico gigante na borracha natural

        Uma equipe de pesquisadores do Brasil descobriu que a borracha natural vulcanizada é campeã com relação a qualquer outro material já estudado na sua capacidade de mudar de temperatura ao ser comprimida e descomprimida – um fenômeno conhecido como “efeito barocalórico”.

        A descoberta abre interessantes possibilidades de uso da borracha natural vulcanizada em aplicações avançadas, principalmente na área da “refrigeração de estado sólido”. Essa expressão se refere a sistemas de refrigeração (como a geladeira ou o ar condicionado) que se baseiam no uso de materiais refrigerantes em estado sólido para absorver o calor do sistema que se deseja esfriar e transferi-lo para um ambiente externo, em vez dos fluídos (estados gasoso e líquido) que são usados nos dispositivos convencionais. A pesquisa foi reportada em um artigo (Giant Barocaloric Effects in Natural Rubber: A Relevant Step toward Solid-State Cooling) recentemente publicado no ACS Macro Letters (dx.doi.org/10.1021/acsmacrolett.7b00744), periódico da editora da American Chemical Society da área de Ciência de Polímeros e afins, cujo fator de impacto é de 6,185.
        “Considerando que a borracha natural esquenta bastante quando pressionada (mais de 20 graus acima da temperatura inicial) e esfria quando a pressão é aliviada (pelo menos 20 graus abaixo da temperatura inicial), podemos pensar em utilizá-la como um material refrigerante em um refrigerador”, diz Alexandre Magnus Gomes Carvalho, pesquisador do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) e autor correspondente do artigo.

Representação esquemática do ciclo barocalórico, baseado em processos de compressão confinada e descompressão. 

        A representação do ciclo barocalórico de um material sólido exibida acima dá uma ideia de como a borracha natural vulcanizada pode esfriar um sistema, retirando calor dele e liberando-o ao ambiente externo. No processo 1 do ciclo, comprime-se de forma rápida a borracha (representada pelos retângulos amarelos) e, em consequência, sua temperatura aumenta abruptamente (T_quente). No processo 2, a pressão sobre a borracha é mantida constante, mas sua temperatura se reduz ao liberar calor para o ambiente externo buscando o equilíbrio térmico. Vale lembrar que, na natureza, dois corpos ou sistemas com temperaturas diferentes tendem a buscar o equilíbrio térmico – estado em que as temperaturas de ambos se igualam. Esse equilíbrio é alcançado mediante a transferência de calor do sistema ou corpo mais quente para o mais frio. No processo 3 do ciclo, quando a borracha atinge sua temperatura inicial (T_i), alivia-se rapidamente a pressão, fazendo a temperatura da borracha diminuir abruptamente (T_fria). No processo 4, o ambiente externo transfere calor à borracha, novamente em busca do equilíbrio térmico. Quando a borracha atinge a temperatura inicial, o ciclo recomeça a partir de um novo processo de compressão.
        Para investigar o efeito barocalórico da borracha, Carvalho e os demais autores do artigo utilizaram amostras de borracha natural vulcanizada de cerca de 1 cm de diâmetro. Com elas, realizaram um estudo sistemático no qual foram variando a pressão exercida nas amostras e a temperatura inicial das mesmas, e medindo as variações de temperatura e entropia (ambas diretamente relacionadas à variação de calor de um sistema). Os experimentos foram realizados no Laboratório de Materiais i-Calóricos (LMiC), um dos laboratórios temáticos do LNLS, no CNPEM, cujo coordenador é Alexandre Carvalho.

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Física aplicada

Neutrinos: a verdadeira metamorfose ambulante - Prêmio Nobel de Física de 2015

     A caçada ocorreu em enormes instalações enterradas em grandes profundidades, onde milhares de olhos artificiais aguardavam o momento certo de revelar os segredos dos neutrinos. Em 1998, Takaaki Kajita apresentou a descoberta de que os neutrinos parecem sofrer metamorfose: eles mudam de identidade no caminho até o detector Super-Kamiokande, no Japão. Os neutrinos capturados lá são criados em reações entre raios cósmicos e a atmosfera da Terra. Enquanto isso, no outro lado do planeta, cientistas do Sudbury Neutrino Observatory (SNO), no Canadá, estavam estudando neutrinos vindos do Sol. Em 2001, o grupo de pesquisa liderado por Arthur B. McDonald também provou que esses neutrinos mudam de identidade.

     Juntos, os dois experimentos descobriram um novo fenômeno: as oscilações dos neutrinos. Uma conclusão dos experimentos é que o neutrino, por muito tempo considerado sem massa, na verdade, tem que possuir massa. Isto é de uma extraordinária importância para a física de partículas e para o nosso entendimento do universo.

Interior do Super-Kamiokande. [Imagem: Universidade de Tóquio]

     Nós vivemos em um mundo de neutrinos. Trilhões de neutrinos atravessam seu corpo a cada segundo. Você não pode vê-los nem senti-los. Os neutrinos viajam através do espaço quase à velocidade da luz e quase não interagem com a matéria. De onde eles vêm?

     Muitos foram criados já no início do universo. Outros tantos são constantemente criados em vários processos no espaço e na Terra — de explosões de supernovas a reações nucleares em usinas e decaimentos radioativos que ocorrem naturalmente. Mesmo dentro de nossos corpos, uma média de 5000 neutrinos por segundo é liberada quando um isótopo de potássio decai. A maioria dos neutrinos que atinge a Terra se origina em reações nucleares no interior do Sol. Depois das partículas de luz (os fótons), os neutrinos são as partículas mais numerosas do universo.

     A existência dos neutrinos, proposta pelo austríaco Wolfgang Pauli (Prêmio Nobel em 1945), foi, sobretudo, uma tentativa desesperada para explicar a conservação de energia no decaimento beta, um tipo de decaimento radioativo no núcleo atômico. Em dezembro de 1930, Pauli escreveu uma carta para seus colegas físicos, sugerindo que parte da energia era carregada por uma partícula eletricamente neutra, fracamente interagente e muito leve. Ele quase não acreditava na existência dessa partícula. Supostamente ele disse: "Eu fiz uma coisa terrível: postulei uma partícula que não pode ser detectada".

     Essa partícula extra proposta por Pauli, que parecia um simples artifício, foi inicialmente encarada com ceticismo pela comunidade científica. Porém, o italiano Enrico Fermi (Prêmio Nobel em 1938) a levou a sério. E, em 1932, atribuiu-lhe o nome de neutrino, que significa "pequeno nêutron" em italiano. O brasileiro Mário Schenberg (1914-1990), que trabalhou com Fermi, foi um dos primeiros a utilizar operacionalmente tal ideia, por meio da qual fechou o balanço energético da explosão das supernovas.

     Ainda levaria mais de 20 anos para que o neutrino fosse realmente descoberto. A oportunidade veio na década de 1950, quando os neutrinos começam a jorrar em grande quantidade nas usinas nucleares que estavam entrando em operação. Em junho de 1956, dois físicos estadunidenses, Frederick Reines (Prêmio Nobel em 1995) e Clyde Cowan enviaram um telegrama para Wolfgang Pauli, mencionando que os neutrinos haviam deixado traços nos seus detectores.

     O Nobel de Física deste ano premia uma descoberta que resolveu um enigma de longa data sobre os neutrinos. Desde a década de 1960, cientistas tinham determinado, teoricamente, o número de neutrinos que foram criados nas reações nucleares que fazem o Sol brilhar, mas, ao realizarem medidas na Terra, verificou-se que cerca de 2/3 da quantidade calculada estava faltando. Para onde foram os neutrinos?

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Novo material pode absorver e armazenar grandes quantidades de oxigênio

     Nós vivemos bem com 21% de oxigênio no ar que nos rodeia. Mas, às vezes, precisamos de oxigênio (O₂) em maiores concentrações. Por exemplo, certos pacientes com problemas pulmonares têm que carregar consigo pesados reservatórios de O₂. Dificuldades como essa podem estar perto de serem amenizadas.
     Recentemente, pesquisadores de uma universidade dinamarquesa (University of Southern Denmark) sintetizaram um novo material que é capaz de absorver uma grande quantidade de oxigênio e armazená-lo. Além disso, esse oxigênio pode ser liberado sob diferentes condições e de modo controlado.
     "Um importante aspecto desse novo material é que ele não reage irreversivelmente com o oxigênio. E o material é, ao mesmo tempo, um sensor e um reservatório de oxigênio. Podemos usá-lo para armazenar e transportar o oxigênio, como uma hemoglobina sólida artificial", afirma Christine McKenzie, coordenadora da pesquisa.
     "É também interessante que o material possa absorver e liberar oxigênio muitas vezes sem perder essa habilidade. É como mergulhar uma esponja na água, espremê-la para retirar a água e repetir esse processo várias vezes", explica McKenzie. Uma vez que o oxigênio foi absorvido, pode-se mantê-lo armazenado até que se queira liberá-lo. O oxigênio pode ser liberado através de um leve aquecimento do material ou colocando o material em baixas pressões de O₂.

Prêmio Nobel de Física de 2014

     Os japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura foram premiados por inventar uma nova fonte de luz, eficiente energeticamente e ecologicamente correta - o diodo emissor de luz azul (LED azul). Usando LEDs azuis, a luz branca pode ser criada de uma nova maneira.
     Os LEDs (do inglês, light-emitting diodes) vermelhos e verdes têm sido utilizados há quase meio século, mas a luz azul era necessária para realmente revolucionar a tecnologia da iluminação. Somente a tríade vermelho, verde e azul pode produzir a luz branca, tão usada por nós. Apesar dos altos interesses e do grande esforço feito pela comunidade científica e pela indústria, a luz azul permaneceu um desafio por três décadas.
     Um diodo emissor de luz (LED) consiste de um número de materiais semicondutores dispostos em camadas. No LED, a eletricidade é diretamente convertida em partículas de luz, os fótons, levando a maior eficiência quando comparado com outras fontes de luz, nas quais a maior parte da eletricidade é convertida em calor e só uma pequena quantidade é convertida em luz. Em lâmpadas incandescentes, assim como em lâmpadas halógenas, a corrente elétrica é usada para aquecer o filamento, fazendo-o brilhar. Em lâmpadas fluorescentes, uma descarga de gás é produzida, resultando em calor e luz.
     Desse modo, os LEDs requerem menos energia para emitir luz, comparado com fontes mais antigas. Além disso, eles são constantemente aprimorados, ficando mais eficientes, com maiores fluxos luminosos (medidos em lúmen) por unidade de potência elétrica fornecida (medida em watt). O recorde mais recente é de pouco mais de 300 lúmen/watt, enquanto lâmpadas fluorescente apresentam cerca de 70 lúmen/watt e as lâmpadas incandescentes somente 16 lúmen/watt. Visto que um quarto do consumo mundial de eletricidade é utilizado para iluminação, os LEDs altamente eficientes contribuem para poupar os recursos da Terra. E tem mais: os LEDs duram mais que os outros tipos de lâmpadas.  As incandescentes tendem a durar 1000 horas acesas; lâmpadas fluorescentes usualmente duram cerca de 10.000 horas. Já os LEDs podem durar 100.000 horas.

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Avanço em tecnologia da informação usando materiais de Heusler

     Pesquisadores europeus, pela primeira vez, observaram diretamente a quase completa polarização de spin de um composto de Heusler em temperatura ambiente. Esse é o avanço que físicos e químicos ao redor do mundo há muito tempo anteciparam e que terá um papel crucial em tecnologia da informação nos próximos anos.

     Compostos de Heusler são formados por diferentes elementos metálicos arranjados em uma estrutura cristalina específica. Eles estão entre aqueles materiais que, potencialmente,  podem ser usados em componentes de armazenamentos de dados cada vez menores e com capacidade de armazenamento cada vez maiores. No entanto, dúvidas foram levantadas recentemente a respeito da real adequação dos materiais de Heusler para esse propósito. Físicos da Universidade de Mainz, na Alemanha, demonstraram agora que o composto de Heusler Co₂MnSi tem as propriedades necessárias. O projeto foi conduzido em colaboração com físicos e químicos teóricos de mais outras duas instituições alemães. Os resultados, publicados recentemente no periódico científico Nature Communications, fornecem o alicerce para o futuro desenvolvimento de dispositivos de spintrônica de alto desempenho usando materiais de Heusler. As potenciais aplicações incluem cabeças de leitura de discos rígidos e elementos de armazenamento não volátil.

Divulgação científica

Palestras abertas ao público em geral.

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Confirmada a existência do elemento 117

     Um grupo de físicos, químicos e engenheiros (de 16 instituições em 11 países) confirmaram a existência do elemento químico superpesado de número atômico 117. Em 2010, um grupo de pesquisadores russos e americanos já haviam anunciado a descoberta desse elemento, que é o mais pesado conhecido até hoje (40% mais pesado que o átomo de chumbo).

Vista do interior do acelerador linear de 120 m usado para produzir o elemento 117.

     Elementos acima do número atômico 104 são chamados de elementos superpesados.  Apesar dos elementos superpesados não serem encontrados na natureza, eles podem ser produzidos através do choque de feixes de íons contra alvos feitos com elementos bem pesados. No caso dos experimentos que confirmaram a existência do elemento 117, foram utilizados íons de cálcio acelerados contra alvos de berquélio (isótopo Bk-249).  O isótopo Bk-249 é radioativo e possui meia-vida de 330 dias.

     Átomos do elemento 117 foram separados de um grande número de outros produtos de reações nucleares e foram identificados através de seu decaimento radioativo. As sequências de decaimento alfa medidas produziram isótopos de elementos mais leves (com número atômico entre 115 e 103), cujos registros contribuíram para a prova da observação (existência) do elemento 117.

     Falta agora a confirmação da existência do elemento químico de número atômico 118 para fechar o último período da tabela periódica.

(Fonte: http://phys.org/news/2014-05-superheavy-element.html)  

LHC confirma existência de novo tipo de matéria

     Pesquisadores da colaboração científica LHCb confirmaram a existência de hádrons exóticos - um tipo de matéria que não pode ser classificado dentro do modelo tradicional de partículas. O novo tipo de matéria é formado por quatro quarks.
     Quarks são partículas subatômicas fundamentais que formam a matéria. Até agora, sabia-se que eles ocorrem ou em grupos de dois (pares quark-antiquark), formando os mésons - de vida muito curta, ou em grupos de três, formando os bárions - os prótons e nêutrons que compõem os núcleos atômicos, por exemplo.
     Em conjunto, as partículas formadas por quarks (bárions e mésons) são conhecidas como hádrons - de onde vem o nome do LHC, Grande Colisor de Hádrons.
     Mas, nos últimos anos, os colisores têm detectado várias partículas que não se encaixam nesse modelo de estrutura dos hádrons.
     Agora, a colaboração LHCb afirma ter chegado a resultados inequívocos da existência de uma partícula exótica - chamada Z(4430) - que não se encaixa no modelo de quarks, formando um outro tipo de matéria chamada de tetraquark.

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