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Criando um condensado de Bose-Einstein na Estação Espacial Internacional

Um condensado de Bose-Einstein se forma quando um conjunto de átomos bosônicos (isto é, átomos com spin inteiro) é resfriado até temperaturas próximas do zero absoluto. Confinados em armadilhas magnéticas, esses átomos são conduzidos para o estado de mais baixa energia da armadilha que será, então, um estado quântico altamente degenerado.

Experimentalmente, um condensado de Bose-Einstein é obtido confinando-se átomos bosônicos numa armadilha magnética e utilizando radiação de radiofrequências para eliminar, dessa armadilha, os átomos com maior energia, os mais “quentes”. Os átomos remanescentes colidem entre si até atingirem o equilíbrio térmico. O processo é repetido até que se forme o condensado de Bose-Einstein. Os primeiros condensados de Bose-Einstein foram obtidos em 1995.

Quando se retira o campo magnético em torno do condensado, a nuvem de átomos se expande e, em pouco tempo, a densidade fica muito baixa para a manutenção do condensado. A velocidade de expansão do gás pode ser reduzida diminuindo-se a profundidade do poço magnético.

Na Terra, devido à atração gravitacional são necessários poços magnéticos profundos, mas em ambiente de microgravidade, como na Estação Espacial Internacional, poços rasos são suficientes para a obtenção do condensado de Bose-Einstein.

Utilizando átomos de rubídio, Aveline et al. ¹ construíram um condensado de Bose-Einstein aproveitando as facilidades do equipamento de pesquisa, o Cold Atom Lab, colocado a bordo da Estação Espacial Internacional pela NASA em junho de 2018.

Eles verificaram que o tempo de expansão livre do gás, após a remoção do campo magnético, era superior a um segundo. Além disso, devido à ausência de gravidade, a distribuição de átomos na armadilha era uniforme.

Os autores esperam que, tornando rotineira a produção de condensados de Bose-Einstein em ambiente de microgravidade, novos desenvolvimentos em Física de poucos corpos, fontes de laser e interferometria sejam alcançados.

Referências:

¹ David C. Aveline, Jason R. Williams, Ethan R. Elliott, Chelsea Dutenhoffer, James R. Kellogg , James M. Kohel , Norman E. Lay , Kamal Oudrhiri , Robert F. Shotwell , Nan Yu, Robert J. Thompson,  Nature 582, 193–197 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1

Número de átomos de rubídio em diferentes temperaturas. As áreas nas cores vermelho, amarelo, verde…, azul claro e branco representam átomos com velocidades cada vez menores. Esquerda: Logo antes do aparecimento do condensado de Bose-Einstein. Centro: No instante do aparecimento do condensado. Direita: após a rápida evaporação.

Crédito: Wikipedia

Com fótons emaranhados: localização de objetos usando um Radar Quântico

Para localizar um objeto um radar precisa determinar tanto sua distância como a sua direção. Transmite-se uma onda de rádio e analisa-se a onda refletida pelo objeto.

Maccone e Ren ¹ propuseram um método que utiliza fótons emaranhados em vez de fótons independentes como na técnica clássica de radar. Eles analisaram todos os graus de liberdade dos fótons emaranhados e como o sinal de rádio se propaga do objeto até a fonte receptora.

Para um sistema com  fótons emaranhados, eles concluíram que o erro na localização do objeto diminui por um fator  ( para cada direção espacial), permitindo, portanto, medidas mais precisas do que o radar clássico na determinação da posição do objeto.

A técnica proposta tem, porém, suas limitações – é muito sensível a ruídos; a perda de um único fóton emaranhado faz com que perca a sua vantagem sobre sistemas clássicos de radar.

Referência:

¹ PHYSICAL REVIEW LETTERS 124, 200503 (2020)

Crédito: MIT Technology Review

Experimento – Flutuação de cabeça para baixo num líquido levitando

Quando colocamos sobre um líquido menos denso um outro mais denso e imiscível, este desce sob a ação da gravidade. A menos que se utilizem técnicas que evitem essa queda como, por exemplo, através de um oscilador vertical.

Foi o que fizeram Apffel et al ¹. Eles colocaram óleo de silicone ou glicerol sobre uma camada de ar num vasilhame de acrílico preso a um oscilador vertical, controlando tanto a sua amplitude como a sua frequência de oscilação. Existe um valor máximo da amplitude de oscilação acima do qual a lâmina formada pelo fluido mais denso se desestabiliza. Para evitar o colapso, foi que eles utilizaram fluidos bem viscosos, como óleo de silicone ou glicerol. Com esses cuidados, eles conseguiram fazer levitar uma e até duas camadas de óleo sobre um ou dois colchões de ar (veja vídeo no YouTube ²).

Em seus experimentos, através de uma seringa, eles injetaram ar na lâmina de óleo e a bolha que se formou tanto poderia subir (descer) para a interface superior (inferior). Devido à oscilação, o volume e a pressão do colchão de ar sob a lâmina de óleo variam com o tempo. Supondo o ar um gás ideal num processo isotérmico, além da usual força de empuxo para cima, eles mostraram o surgimento da força de Bjerknes para baixo. Dessa maneira, medindo a partir da interface superior, existe uma profundidade crítica que leva a um comportamento paradoxal: abaixo dela as bolhas sobem, acima dela as bolhas de ar descem.

Continuando a análise teórica, Apffel et al ¹ demonstraram que para baixas velocidades do fluido denso e baixas frequências (tipicamente de 60 a 100 Hz) há o surgimento de um novo termo dinâmico que permitirá um equilíbrio estável. Nos seus experimentos, eles colocaram barcos de plástico na interface superior e inferior e observaram que a flutuação e o equilíbrio estável eram os mesmos – tudo se passava como se o sentido da aceleração da gravidade tivesse se invertido – um efeito estranho e contraintuitivo ³.

Referências:

¹ Benjamin Apffel, Filip Novkoski, Antonin Eddi and Emmanuel Fort. Nature volume 585, pages48–52(2020)

 ² https://www.youtube.com/watch?v=bodsuTucSxQ&feature=youtu.be

³ https://youtu.be/n7UtAR3Tw1Q

Dois barcos idênticos flutuando de maneira estável em líquido levitando

Crédito: Benjamin Apffel et al., Nature.

MIT/EUA desenvolve novo processo de produção de Grafeno

O grafeno é uma forma de carbono puro com seus átomos distribuídos numa rede planar hexagonal. Tem excelente propriedades mecânicas e elétricas, é ultrafino e flexível.

Na produção do grafeno se utiliza o processo CVD (Chemical Vapor Deposition) no qual se deposita vapor de carbono sobre uma camada de cobre. O problema maior está em separar o grafeno do seu substrato de cobre. Esse processo de transferência do grafeno tende a produzir rasgos, vincos e defeitos que diminuem drasticamente a condutividade elétrica do material.

Pesquisadores do MIT¹ desenvolveram um novo processo de manufatura que consiste em envolver o grafeno (com o seu o substrato de cobre) em uma camada de um material polimérico chamado parileno. Após a delaminação, obtém-se uma folha de grafeno ultrafina (menos de um nanômetro), flexível e transparente.

Para testar o grafeno assim produzido, o grupo do MIT estudou uma célula solar com o filme de grafeno em um dos eletrodos. A transmitância ótica medida foi de 90% sob luz visível.

O material padrão utilizado, hoje em dia, em células solares é o ITO (Óxido de estanho e Índio), um material feito com elementos raros e caros. Quando comparados, a célula solar baseada no grafeno transmitiu 36 vezes mais potência por peso do que aquela utilizando ITO. Outra vantagem fundamental é que, ao contrário do ITO, o grafeno vem praticamente de graça².

Referências:

 ¹ Mohammad Mahdi Tavakoli, Giovanni Azzellino, Marek Hempel , Ang‐Yu Lu, Francisco J. Martin‐Martinez, Jiayuan Zhao, Jingjie Yeo, Tomas Palacios, Markus J. Buehler, , Advanced Functional Materials;  https://doi.org/10.1002/adfm.202001924

² David L. Chandler, MIT News Office

Crédito: Livre

JAG21 – Uma potente droga contra a Malária e a Toxoplasmose

Por: Roberto N. Onody*

A malária é causada pelo parasita Plasmodium e transmitida, principalmente, por picadas de mosquitos infectados. Os sintomas em seres humanos são parecidos com o de uma gripe. Seu efeito é devastador, matando cerca de 500.000 de crianças por ano, uma a cada 11 segundos, principalmente na África subsaariana. Segundo o cientista Robert Pru’homme, da Universidade de Princeton, “Muito embora, nas últimas décadas, tenham sido desenvolvidos medicamentos no combate à malária, eles vêm perdendo eficiência à medida que os parasitas desenvolvem resistência a eles – é uma batalha constante”.

Já a toxoplasmose é causada pelo protozoário Toxoplasma gondii. É geralmente transmitida por alimentos mal cozidos com quistos do parasita, fezes de gatos infectados ou pela mãe durante a gravidez.  Infecções severas de toxoplasmose causam danos ao cérebro e aos olhos, principalmente em pessoas com o sistema imune comprometido, como as em tratamento de câncer ou com AIDS. Acredita-se que o parasita esteja presente, de forma assintomática, em dois bilhões de seres humanos!

Uma equipe internacional ¹ obteve uma nova droga tetrahydroquilonone – chamada de JAG21 – que se mostrou muito eficiente contra os dois parasitas. O JAG21 tem como alvo uma molécula que é fundamental para a sobrevivência dos dois parasitas. No estudo feito em laboratório com ratos infectados com malária, todos se recuperaram com uma única e pequena dose do JAG21. Contra a toxoplasmose a droga erradicou 100% da forma ativa do Toxoplasma gondii e 95% da forma inativa de cistos.

Para iniciar testes em seres humanos, a droga que tem que ser reduzida em tamanho a partir de um grande cristal ². Pesquisadores das Universidades de Leeds e de Chicago tentaram solventes químicos para reduzir o cristal a pequenas partículas. Infelizmente essas partículas não metabolizaram bem o suficiente para entrar na corrente sanguínea. O grupo de Princeton, liderado por Robert Pru’homme, conseguiu quebrar a droga em pequenos cristais usando vibrações ultrassônicas para produzir uma mistura uniforme e solúvel em água. Com esse tratamento, a droga se revelou estável (isto é, não se recristalizou) por seis meses quando mantida à temperatura ambiente. Num próximo passo, o grupo de Princeton pretende transformá-la em nanopartículas para que possa ser entregue como um spray nasal.

Quando este medicamento vier a ser comercializado será concorrente da hidrocloroquina. Só espero que esta nova droga não seja utilizada, sem estudos clínicos comprovados cientificamente, em infecções como a do COVID-19.

Referências:

¹ Martin J. McPhillie et al., Front. Cell. Infect. Microbiol., 17 June 2020 https://doi.org/10.3389/fcimb.2020.00203

² https://medicalxpress.com/news/2020-09-drug-powerful-weapon-malaria-toxoplasmosis.html

^*Físico, Professor Sênior do IFSC – USP

Figura: Uma potente droga contra a Malária e a Toxoplasmose

Crédito: David Ferguson, Oxford University

(Agradecimento: Sr. Rui Sintra da Assessoria de Comunicação)

Abelhas podem fazer as plantas florescerem antes do previsto

Mudanças climáticas podem comprometer o delicado equilíbrio e a sincronização entre os polinizadores e as flores. Enquanto o desabrochar das flores depende fortemente do período de exposição das plantas à luz, o surgimento de insetos polinizadores é principalmente controlado pela temperatura ambiente.

As plantas, em troca do serviço de polinização, fornecem alimento aos insetos que visitam suas flores. O pólen é a única fonte de proteínas das abelhas e, portanto, um atraso no desabrochar das flores, as deixará morrendo de fome.

Mas a natureza sempre procura um caminho de preservar a vida. Um estudo desenvolvido por Pashalidou et al. ¹ concluiu que as abelhas podem manipular as plantas de uma horta para acelerar o surgimento de suas flores.

Trabalhando com as abelhas Bombus Terrestris, tanto em condições de laboratório como ao ar livre, Pashalidou et al encontraram um comportamento bem diferente e peculiar entre as colônias bem ou mal alimentadas – as mal alimentadas faziam vários furos nas folhas das plantas para acelerar a sua floração. Por exemplo, para a mostarda preta (Brassica nigra) que teve suas folhas perfuradas houve florescimento antecipado em duas semanas, ao passo que o tomate (Solanum lycopersicum) floresceu um mês antes do que o esperado.

Mas, como surgiu este comportamento? Poderiam essas abelhas estarem marcando as plantas para buscarem sua recompensa daqui há um mês? Sabe-se que essa espécie de abelha tem memória geográfica que pode durar sua vida inteira, mas, ao ar livre, raramente ela vive mais do que um mês. Pelo curto tempo de contacto da abelha ‘mordendo’ a folha, Pashalidou et al também descartaram a possibilidade de ela sorver a seiva da planta – que seria uma recompensa individual imediata.

Do ponto de vista da planta, seria a antecipação da sua floração uma resposta ao ataque das abelhas? Mas perfurações mecânicas, feitas com objetos metálicos, não induziram ao florescimento antecipado. Uma possibilidade é que as abelhas injetem alguma substância química que promova a floração precoce. Se assim for, o conhecimento dessa substância e do seu mecanismo de ação seria o sonho de todo horticultor ².

Referências:

¹ F. G. Pashalidou, H. Lambert, T. Peybernes, M. C. Mescher, C. M. De Moraes, Science 368, 881 (2020).

² L. Chittka, Science 368, 824 (2020).

A abelha Bombus terrestris perfurando folha para antecipar floração

Crédito: Hannier Pulido/ De Moraes and Mescher Laboratories

Através do telescópio “eROSITA” – O Universo em raios-x

O telescópio eROSITA, a bordo da nave russo-alemã SGR (Spectrum-Roentgen-Gamma), fez imagens em raios-x do universo e encontrou dez vezes mais fontes de raios-x do que o telescópio ROSAT obteve há 30 anos atrás. A nave SGR orbita o ponto de Lagrange 2 do sistema Terra-Sol e foi lançada em 2019. O mapa feito pelo telescópio eROSITA identificou cerca de um milhão de objetos, praticamente dobrando o número de fontes conhecidas em 60 anos da história da Astronomia de raios-x.

Durante seis meses, o telescópio eROSITA^1,2 escaneou o céu medindo a energia dos fótons coletados com uma precisão de 2% a 6%. Para gerar a imagem (veja abaixo), todo o céu é projetado numa elipse (a assim chamada projeção de Aitoff). O centro da Via Láctea está no meio da figura e o seu corpo está ao longo do eixo horizontal. Os fótons foram codificados por cores de acordo com sua energia – vermelho para energias entre 0,3 – 0,6 keV, verde para 0,6 – 1,0 keV e azul para 1 – 2,3 keV.

O mapa revela a presença de estrelas de nêutron, buracos negros, anãs brancas e restos de supernovas em nossa própria galáxia e em galáxias vizinhas como as Nuvens de Magalhães. Longe da nossa vizinhança, o telescópio eROSITA identificou núcleos ativos de galáxias, buracos negros supermassivos e aglomerados de galáxias que aparecem como extensos halos de raios-x, bastante brilhantes devido a gases extremamente quentes e confinados graças à grande concentração de matéria escura. o telescópio eROSITA detectou também súbitas explosões da raios-x com origem na fusão de estrelas de nêutron ou de estrelas sendo engolidas por buracos negros.

Referências:

¹ http://www.mpe.mpg.de/7461761/news20200619

² https://www.sciencemag.org/news/2020/06/what-our-universe-looks-x-ray-eyes

Crédito: Jeremy Sanders, Hermann Brunner, Andrea Merloni and the eSASS team (MPE); Eugene Churazov, Marat Gilfanov

Starlink: conflito entre tecnologia e ciência básica?

A Starlink¹ é uma constelação de satélites construídos pela empresa SpaceX administrada pelo bilionário Elon Musk. O seu objetivo é prover internet de alta velocidade para todo o planeta e, em particular, para locais de difícil acesso. A Starlink (com seus satélites situados a uma altitude de, no máximo, 1.325 quilômetros da superfície da Terra) foi projetada para operar com velocidade de até 1 Gb/s (claro, a velocidade real dependerá do número de usuários conectados) e, além disso, o seu tempo de latência é da ordem de 20 milissegundos bem menor do que os 500 milissegundos da banda doméstica atual, cujos satélites estão em órbita geoestacionária a cerca de 35.000 km da superfície da Terra².

A agência de telecomunicações FCC (Federal Communications Commission) dos EUA aprovou a operação de 12.000 satélites. Esses satélites são pequenos, com peso variando de 227 a 260 kg e em baixa órbita, com altitude variando de 336 a 1.325 km. Os primeiros satélites foram lançados em fevereiro de 2018 e, até setembro de 2020, foram colocados 712 em órbita.

Esses satélites são lançados pelos foguetes Falcon 9, também fabricados pela SpaceX, e são bastante econômicos pois reutilizam os propulsores do primeiro estágio. O foguete Falcon 9 foi o que lançou a cápsula Crew Dragon, com dois astronautas a bordo, e que se conectou recentemente à Estação Espacial Internacional, quebrando um jejum norte-americano de 9 anos sem vôo tripulado (desde a aposentadoria dos Ônibus Espaciais). Neste intervalo de tempo, os EUA utilizaram a nave Soyuz, lançada a partir da base soviética de Baikonur no Cazaquistão. A SpaceX tem um contrato de US$ 2,6 bilhões com a NASA para a construção de cápsulas e foguetes com destino à Estação Espacial Internacional. Os satélites da rede Starlink têm propulsão iônica podendo manobrar no espaço e mudar de órbita. Na outra ponta, o assinante da rede deverá ter, na sua casa, terminais semelhantes aos nossos roteadores, mas que necessitam ter visibilidade do céu. E, sim, os satélites, por terem órbita baixa, podem ser vistos a olho nu aqui da Terra.

Recentemente, a SpaceX solicitou autorização para lançar outros 30.000 satélites. E é aí que começam os problemas entre a iniciativa privada e a ciência básica³. Em uma contagem recente, a NASA estimou um total de 5.000 objetos (ativos e inativos). Obviamente, tal pletora de objetos espaciais prejudica as observações astronômicas. Em 20 de novembro de 2019, o telescópio Blanco, instalado no Chile, gravou imagens com o surgimento de 19 linhas brancas associadas ao trânsito de um trem de satélites Starlink lançados na semana anterior. O reflexo e o brilho dos satélites foram medidos pelo Observatório Las Cumbres, uma rede global de pequenos telescópios. No crepúsculo e quando os satélites se encontram baixo no horizonte são os momentos que eles têm maior brilho. Ele diminui significativamente quando se eleva a altitude do satélite para 550 km ou mais. Longos tempos de exposição e espelhos grandes tornam ainda mais vulnerável o telescópio. É o caso do Observatório Rubin que tem um espelho de 8,4 m, tempos de exposição da ordem de 30 segundos e que deverá ser colocado em funcionamento em 2022. Há estimativas de que cerca de 1/3 das imagens do Observatório Rubin seriam prejudicadas pela constelação Starlink.

Para solucionar este grave problema, o coordenador do Observatório Rubin e sua equipe têm mantido contatos semanais com engenheiros da Starlink. As soluções propostas até aqui incluem aumentar a altitude das órbitas dos satélites e escurecê-los, diminuindo seus reflexos por um fator de 15 vezes. Elon Musk declarou estar completamente comprometido com a solução do problema e promete lançar os próximos satélites já dotados das medidas anti-reflexo.

O projeto Kuiper da Amazon pretende lançar 3.326 satélites (já autorizados) para ampliar a cobertura de internet, à semelhança da SpaceX. A Amazon também se comprometeu a levar em conta a refletividade de seus satélites.

E esse parece ser o melhor caminho – um diálogo entre a tecnologia e a ciência básica para que ambas possam progredir, sentando-se à mesa e resolvendo pontualmente seus conflitos. Acredito que a criação de um órgão regulatório internacional, seria um foro ideal para a solução de conflitos.

Referências:

¹ https://www.starlink.com/

² https://olhardigital.com.br/ciencia-e-espaco/noticia/saiba-tudo-sobre-o-projeto-starlink/101788

³ https://www.sciencemag.org/news/2020/02/tens-thousands-communications-satellites-could-spoil-view-giant-sky-telescope

Rastros deixados pelos satélites da Starlink em fotografias de
longa exposição

Crédito: Observatory images. VICTORIA GIRGIS/LOWELL OBSERVATORY

(Prof. Roberto Onody)

Assessoria de Comunicação – IFSC/USP