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.

Cientistas confirmam a existência de um novo tipo de ligação química

     A Química possui muitas leis e uma delas diz que a velocidade de uma reação aumenta com a temperatura. Em 1989, químicos ficaram desconcertados ao observarem que uma reação entre bromo e muônio – um átomo exótico composto de antimúon e elétron – diminuiu de velocidade quando eles aumentaram a temperatura.
     Donald Fleming, químico da University of British Columbia envolvido com o experimento, pensou que, talvez, bromo e muônio tivessem formado uma estrutura intermediária unida por uma ligação vibracional – uma ligação que outros químicos tinham colocado como uma possibilidade teórica pouco tempo antes. Nesse cenário, o átomo de muônio, que é leve, mover-se-ia velozmente entre dois átomos pesados de bromo, “como uma bola de ping-pong quicando entre duas bolas de boliche”, diz Fleming. O átomo oscilante uniria rapidamente os dois átomos de bromo e reduziria a energia e, portanto, reduziria a velocidade da reação.

(Figura retirada de http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201408211/pdf)

     Na época do experimento, o equipamento necessário não estava disponível para analisar a reação de milissegundos mais detalhadamente para determinar se tal ligação vibracional existia. Nos últimos 25 anos, no entanto, a capacidade dos químicos de rastrearem mudanças sutis nos níveis de energia das reações aumentou significativamente, assim, Fleming e seus colegas refizeram sua reação novamente, três anos atrás, no acelerador nuclear do Rutherford Appleton Laboratory, na Inglaterra. Baseados em cálculos dos dois experimentos e no trabalho de colaboradores da Free University of Berlin, na Alemanha, e da Saitama University, no Japão, eles concluíram que o muônio e o bromo formaram, de fato, um novo tipo de ligação temporária. Sua natureza vibracional diminuiu a energia total da estrutura intermediária bromo-muônio, explicando assim porque a reação ficou mais lenta embora a temperatura estivesse aumentando.
     A equipe reportou seus resultados em dezembro na Angewandte Chemie International Edition, uma publicação da German Chemical Society. O trabalho confirma que as ligações vibracionais devem ser adicionadas à lista de ligações químicas conhecidas. E, apesar da reação bromo-muônio ser um sistema “ideal” para verificar a ligação vibracional, Fleming prediz que o fenômeno também ocorre em outras reações entre átomos leves e pesados.

(Fontes: http://www.scientificamerican.com/article/chemists-confirm-the-existence-of-new-type-of-bond/, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201408211/pdf)

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.

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.

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)  

Humor

O grafeno e seus desafios

     O primeiro centro de estudos dedicado ao grafeno no país vai reunir em São Paulo pesquisadores com experiência reconhecida internacionalmente nesse campo. A Universidade Presbiteriana Mackenzie inaugura em julho de 2014 seu Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologia (MackGraphe), que terá investimentos de R$ 20 milhões apenas na construção do prédio de 4.230 metros quadrados para abrigar laboratórios no bairro da Consolação, centro de São Paulo. Lá serão conduzidas as pesquisas do projeto temático Grafeno: fotônica e optoeletrônica, uma parceria entre a Universidade Mackenzie e o Centro de Pesquisa de Grafeno da Universidade Nacional de Cingapura, que recebe investimento de R$ 9,8 milhões da FAPESP.

     O projeto, que teve início em abril deste ano, faz parte do programa São Paulo Excellence Chairs (Spec) da Fundação, que busca estabelecer colaborações entre instituições do estado de São Paulo e pesquisadores de alto nível que trabalham fora do país. Nesse programa, o pesquisador segue vinculado a sua instituição de origem e se compromete a coordenar o projeto e a permanecer no Brasil durante pelo menos 12 semanas ao longo de cada um dos cinco anos mínimos de sua duração. Nesse período, ele colabora com pesquisadores da instituição anfitriã na orientação de um grupo de bolsistas da FAPESP, entre pós-doutores, doutores e alunos de iniciação científica. O programa Spec do grafeno é coordenado pelo físico brasileiro Antonio Hélio de Castro Neto, professor da Universidade de Boston, nos Estados Unidos, e diretor do centro de Cingapura desde 2010.

     Além de discussões quase diárias com os pesquisadores do MackGraphe que se encontram em Cingapura, Castro Neto está em contato semanal com pesquisadores daqui, por meio da internet, com o objetivo de acompanhar o cotidiano da evolução do projeto.

     Entre os objetivos da iniciativa estão a realização da síntese artificial do grafeno, a caracterização do material produzido e a construção de dispositivos optoeletrônicos aplicáveis no setor de comunicações ópticas. “Esperamos que num futuro não muito distante o MackGraphe lidere a pesquisa na área de optoeletrônica do grafeno”, diz Castro Neto, que desde 1991 está nos Estados Unidos, onde fez o doutorado em física na Universidade de Illinois e o pós-doutorado no Instituto de Física Teórica, em Santa Bárbara. Castro Neto foi fundamental para que o MackGraphe saísse do papel. O físico Eunézio Antônio Thoroh de Souza, professor da Universidade Mackenzie e responsável pelo centro, apresentou-o ao reitor da universidade, o engenheiro Benedito Guimarães Aguiar Neto, durante uma viagem à Cingapura. Do encontro, surgiu a ideia de criar no Brasil um centro irmão daquele coordenado pelo professor Castro Neto.

     As pesquisas são feitas provisoriamente em laboratórios de física e engenharia da Universidade Mackenzie, com amostras de grafeno cedidas pela equipe de Castro Neto. Quando o prédio do MackGraphe estiver pronto, os pesquisadores poderão produzir o grafeno – um material flexível, impermeável, extremamente resistente e capaz de conduzir 100 vezes mais eletricidade do que o cobre. Ele foi isolado pela primeira vez em 2004, o que deu aos pesquisadores russos Andre Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester, o Prêmio Nobel de Física em 2010.

Prêmio Nobel de Química de 2013

     Martin Karplus (1930-), Michael Levitt (1947-) e Arieh Warshel (1940-) foram agraciados com o Prêmio Nobel de Química de 2013.
     Os métodos que começaram a ser desenvolvidos por eles, ainda na década de 1970, tornaram possível mapear os misteriosos caminhos de reações químicas, usando computadores. 
     Mapear e entender bem como ocorrem certas reações químicas pode ser imensamente importante para todos. Como exemplo, se você entender bem como acontece o processo de fotossíntese, pode vir a criar o mesmo processo artificialmente. A reação química que ocorre nas folhas reabastece a atmosfera de oxigênio e é um dos pré-requisitos para a vida na Terra. Se você consegue imitar a fotossíntese, certamente será capaz, entre outras coisas, de criar células solares mais eficientes.
     As moléculas de proteínas que governam o processo de fotossíntese são gigantescas, consistindo de dezenas de milhares de átomos. Em algum lugar no meio delas, há uma pequena região chamada de centro de reação. É lá onde as moléculas de água são divididas. No entanto, somente alguns átomos estão diretamente envolvidos na reação. E o que cada átomo faz? De algum modo, elétrons devem ser extraídos de cada molécula de água e prótons devem ir para algum lugar. O que acontece? Como acontece?
     Os detalhes desse processo são, virtualmente, impossíveis de serem mapeados usando métodos tradicionais de química. Muitas coisas acontecem em frações de milissegundos. Quando a luz do sol atinge uma folha, as proteínas se enchem de energia e toda a estrutura atômica é modificada. Para entender a reação química, você precisa saber como se parece esse “estado excitado” do sistema. Aí que entram os programas computacionais desenvolvidos pelos premiados desse ano. E o que há de tão especial nesses programas computacionais?

Novo elemento químico: número atômico 115

     Em agosto último, pesquisadores apresentaram evidência que confirma a existência do elemento químico de número atômico 115.
     O experimento foi conduzido em um laboratório na Alemanha e os resultados confirmaram medidas anteriores realizadas por grupos de pesquisa na Rússia.

Parte da tabela periódica oficial (IUPAC). Repare que, além do elemento 115, falta também o elemento 113, o qual ainda não foi descoberto.

     Além das observações do novo elemento químico, os pesquisadores tiveram acesso a dados que dão a eles uma visão mais profunda da estrutura e propriedades de núcleos atômicos superpesados.

     Bombardeando um filme fino de amerício com íons de cálcio, os pesquisadores foram capazes de medir fótons em conexão com o decaimento alfa do novo elemento. Certas energias dos fótons estavam de acordo com as energias esperadas para raios-X, que são “impressões digitais” de um dado elemento.

     O novo e superpesado elemento não possui nome ainda. Um comitê constituído de membros da “International Union of Pure and Applied Chemistry” (IUPAC) revisará os novos resultados e decidirá se recomenda ou não mais experimentos antes de reconhecer oficialmente a descoberta do novo elemento químico.
(Fontes: http://www.lunduniversity.lu.se/o.o.i.s?news_item=6082&id=24890 e http://www.iupac.org/fileadmin/user_upload/news/IUPAC_Periodic_Table-1May13.pdf)

Observação direta de ligações covalentes em moléculas antes e após reações químicas

     O sonho de todo químico é tirar fotografias em escala atômica de uma substância química antes e após ela reagir. Isso agora se tornou real, graças a uma nova técnica desenvolvida por químicos e físicos na Universidade da Califórnia, nos Estados Unidos.

     Usando um microscópio de força atômica estado-da-arte, pesquisadores tiraram as primeiras fotografias de moléculas, átomo por átomo, incluindo imagens das ligações químicas interatômicas, retratando claramente como a estrutura da molécula mudou durante uma reação. Até agora, os cientistas só eram capazes de inferir esse tipo de informação a partir de análises espectroscópicas.

(A,B,C): imagens obtidas com microscopia de tunelamento por varredura (scanning tunneling microscopy - STM); (E,F,G): imagens obtidas com a nova técnica de microscopia de força atômica (atomic force microscopy - AFM); (I,J,K): representações esquemáticas das estruturas moleculares.

     “O microscópio de força atômica nos dá novas informações sobre as ligações químicas, o que é incrivelmente útil para entender como diferentes estruturas moleculares se conectam e como podem se transformar de uma forma em outra,” diz Michael Crommie, um dos coautores do trabalho. “Isso deve nos ajudar a construir novas nanoestruturas, tais como redes interligadas de átomos que teriam forma e estrutura particulares para serem utilizadas em dispositivos eletrônicos.”

(Fontes:http://www.sciencedaily.com/releases/2013/05/130530142007.htm e http://www.sciencemag.org/content/340/6139/1434)

Sirius: a nova fonte de luz síncrotron brasileira

     O maior projeto da história da ciência brasileira está prestes a sair do papel. Com um anel de mais de 500 metros de circunferência, instalado num prédio de 250 metros de diâmetro – do tamanho de um estádio de futebol – o novo acelerador de partículas do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas, será cinco vezes maior e muito mais avançada do que o atual, que será desmontado.

     O custo total do projeto, batizado como Sirius (nome da estrela mais brilhante no céu), é estimado em R$ 650 milhões, com o primeiro feixe de luz previsto para 2016. Outro grande projeto federal, do Reator Multipropósito Brasileiro, a ser construído em Iperó (também no interior paulista), tem um orçamento maior, de R$ 850 milhões, mas sua missão principal será a produção de radioisótopos para uso médico e industrial, e não a produção de ciência. “Se você pensar numa infraestrutura dedicada exclusivamente à pesquisa, o Sirius certamente é o maior”, diz o físico Antonio José Roque da Silva, diretor do LNLS.

     A expectativa na comunidade científica é igualmente grande. A luz síncrotron (uma radiação eletromagnética de amplo espectro, que abrange desde o infravermelho até os raios X) é usada em várias áreas de pesquisa, como física, química, biologia, geologia, nanotecnologia, engenharia de materiais e até paleontologia. O acelerador funciona como um gigantesco microscópio, que os cientistas utilizam para enxergar a estrutura atômica e molecular de diferentes materiais, iluminando-os com os diferentes tipos de radiação presentes na luz síncrotron. Pode ser uma rocha, uma proteína, uma amostra de solo, um dente de dinossauro, um cabo de aço usado em plataformas de petróleo, um fio de cabelo tratado com diferentes tipos de xampu, ou qualquer outra coisa que se queira conhecer nos mínimos detalhes.

     “É o sonho de entender materiais, tanto do ponto de vista estrutural quanto funcional”, afirma Roque. Com a luz síncrotron, é possível saber, por exemplo, que tipos de átomos e moléculas fazem parte de um material, qual é a distância entre eles, como eles interagem entre si, quais são suas propriedades magnéticas e várias outras coisas. São “olhos microscópicos”, nas palavras do diretor científico do LNLS, o brasileiro Harry Westfahl.

Humor