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Motor a vapor mais pequeno do mundo tem apenas alguns micrómetros de tamanho

A tecnologia que funciona em larga escala pode causar problemas inesperados em pequena escala. E estes podem ser de natureza fundamental. Isto é porque as leis que prevalecem no micro- e no macro-mundo são diferentes. Apesar das leis diferentes, alguns processos físicos são surpreendentemente semelhantes em ambas as escalas. Clemens Bechinger, professor da Universidade de Stuttgart e investigador no Instituto Max Planck, e o seu colega Valentin Blickle já observaram uma dessas semelhanças.
"Nós desenvolvemos o motor a vapor mais pequeno do mundo, ou para ser mais preciso motor Stirling mais pequeno, e descobrimos que a máquina realmente executa trabalho", diz Clemens Bechinger. "Isto não era necessariamente de se esperar, porque a máquina é tão pequena que o seu movimento é dificultado por processos microscópicos que não têm consequências no mundo macro."
As leis do micromundo fizeram com que os pesquisadores não fossem capazes de construir o pequeno motor de acordo com as proporções de um de tamanho normal. No motor de calor inventado há quase 200 anos por Robert Stirling, um cilindro cheio de gás é aquecido e arrefecido periodicamente para que o gás se expanda e contraia. Isso faz com que um pistão execute um movimento com o qual pode conduzir uma roda, por exemplo.
"Nós diminuímos com sucesso o tamanho das peças essenciais de um motor térmico, como o gás de trabalho e o pistão, para apenas alguns micrómetros e depois montámo-los muma máquina", diz Valentin Blickle. O gás de trabalho na experiência já não consiste num número incontável de moléculas, mas apenas em algo que está contido numa partícula de plástico que mede apenas três micrómetros (um micrómetro corresponde a um milésimo de milímetro), que flutua na água. Uma vez que a partícula colóide é cerca de 10.000 vezes maior do que um átomo, os pesquisadores podem observar o seu movimento diretamente mum microscópio.
Os físicos substituíram o pistão, que se move periodicamente para cima e para baixo num cilindro, por um feixe de laser focalizado cuja intensidade é periodicamente variada. A força óptica do laser limita o movimento da partícula de plástico para um maior e menor grau, tal como a compressão e expansão do gás no cilindro de um motor térmico de grande porte. A partícula, então, trabalha no campo do laser óptico. Para que as contribuições para o trabalho não se anulem mutuamente durante a compressão e expansão, estas devem ter lugar em diferentes temperaturas. Isto é conseguido através do sistema de aquecimento a partir do exterior durante o processo de expansão, assim como a caldeira de uma máquina a vapor. Os pesquisadores substituíram o fogo do carvão de um motor a vapor à moda antiga, por um feixe de laser, que aquece a água de repente, mas também permite arrefecê-la mal esteja desligado.
O facto de que a máquina de Stuttgart apresenta um rendimento baixo deve-se principalmente às moléculas de água que circundam a partícula de plástico. As moléculas de água estão em constante movimento devido à contante mudança na sua temperatura e chocam com a micropartícula. Nestas colisões aleatórias, a partícula de plástico efetua constantemente trocas de energia com o meio envolvente na mesma ordem de grandeza que a micromáquina converte energia em trabalho. "Este efeito significa que a quantidade de energia obtida varia muito de ciclo para ciclo, e ainda pode provocar uma paralisação no caso extremo", explica Valentin Blickle. Uma vez que as máquinas macroscópicas produzem energia com cerca de 20 ordens de magnitude mais elevada, as menores energias da colisão das minúsculas partículas não são importantes.
Os físicos estão admirados porque a máquina converte sempre a mesma energia por ciclo, em média, apesar das diferentes potências, e até apresenta a mesma eficiência que a sua homóloga macroscópica em plena carga. "As nossas experiências fornecem-nos uma visão inicial do balanço energético de uma máquina operando em dimensões microscópicas. Embora a nossa máquina não forneça nenhum trabalho útil por enquanto, não existem obstáculos termodinâmicos, em princípio, que proíbam isso de ocorrer em pequenas dimensões, ", diz Clemens Bechinger. Esta é certamente uma boa notícia para a concepção micromáquinas altamente eficientes.

Fonte: Science Daily

Comportamento estranho: pesquisa mostra como um incrível material encolhe com o calor

A maioria dos materiais dilata quando aquecida. A explicação para este fenómeno reside no fato de que o calor provoca vibração na estrutura atómica, deslocando os átomos para mais longe uns dos outros. No entanto, alguns materiais encolhem ao serem aquecidos. Porquê?
A resposta pode estar vinculada à descoberta de uma equipa de engenheiros do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos EUA. O artigo do estudo, publicado na revista científica “Physical Review Letters” (PRL), explica como o trifluoreto de escândio (ScF3) faz o truque.
O ScF3 possui uma estrutura cristalina relativamente simples, mas com expansão termal negativa – encolhe quando aquecido. Ao estudar este material, a equipa descobriu como é que as vibrações causam o seu encolhimento.
Para entender como o material encolhe, basta imaginar a ligação entre os átomos de escândio e flúor como bolas ligadas por molas, sugerem os pesquisadores. Um átomo de flúor está ligado a dois átomos de escândio em lados opostos. Quando a temperatura é dobrada, os átomos vibram em muitas direções. Mas devido ao arranjo linear da molécula, o flúor (entre os dois átomos de escândio) vibra mais na direção perpendicular da linha. A cada vibração, o flúor puxa os dois átomos de escândio em direção um ao outro. Consequentemente, toda a estrutura do material encolhe.
Segundo Brent Fultz, professor de ciência dos materiais e coautor do artigo com Chen Li, um oscilador quártico quântico quase puro nunca havia sido visto em vibrações atómicas em cristais. Ele explica que muitos materiais possuem um bocado de comportamento quártico, mas as suas tendências quárticas são muito pequenas. No caso do ScF3, este comportamento é muito evidente. “Entender o comportamento do oscilador quártico poderia ajudar os engenheiros a desenvolverem materiais com propriedades termais inusitadas”, diz ele. Materiais que encolhem com o calor são largamente utilizados em engenhos mecânicos de precisão.

Fonte: Ciência Diária

Crianças usam o método científico

por Sharon Begley

Ao fazer um bolo, se ele ficasse muito crocante em cima e cru por dentro, faria sentido tentar assar a próxima tentativa com algumas alterações: em temperatura mais baixa, por mais tempo ou numa assadeira diferente, por exemplo. Mas, provavelmente, não daria certo promover todas essas mudanças de uma vez.
Perceber que é possível identificar qual variável é mais importante, testando uma de cada vez, é um princípio fundamental da investigação científica. Desde a década de 1990 estudos têm mostrado que as crianças pensam cientificamente – fazem previsões, executam pequenas experiências, chegam a conclusões e revêm as suas hipóteses iniciais à luz de novas evidências. Porém, mesmo que as crianças brinquem de maneira que as permita conhecer a causa e efeito e embora elas tenham um sentido elementar de probabilidade, não estava claro se os pequenos apresentam compreensão implícita de uma estratégia-chave da ciência experimental: isolar variáveis e testar cada uma de maneira independente.
Para investigar se as crianças entendem esse conceito, cientistas do Massachusetts Institute of Technology e da Universidade de Stanford propuseram um desafio a 60 crianças de 4 a 5 anos. Os pesquisadores mostraram aos pequenos que quando colocavam algumas contas de plástico individualmente sobre uma caixa especial, elas faziam luzes verdes de LED piscarem e faziam uma música tocar. Os investigadores tiraram então dois pares de contas anexadas – um par colado e outro que pode estar separado –, e mostraram que ambos ativavam a máquina quando colocados sobre a caixa, o que colocou a possibilidade de que apenas uma conta dentro de um par funcionaria. Em seguida as crianças foram deixadas sozinhas para brincar. Elas iriam separar o par solto e colocar cada conta individualmente na máquina, para ver qual a ligava? “Sim, elas fizeram isso”, relataram os cientistas na Cognition.
O sentido das crianças de que elas chegariam à resposta somente testando os componentes de um par era tão forte que elas fizeram algo que nenhum cientista esperava: quando o par foi colado as crianças o seguraram verticalmente, para que apenas uma conta se encostasse na caixa. Isso mostrou uma determinação impressionante de isolar variáveis causais, afirma Noah Goodman, de Stanford. "Elas de facto desenharam uma experiência para obter a informação que queriam." Isso sugere que princípios básicos da ciência ajudam crianças pequenas a entender o mundo.
A evidência cada vez mais clara de que as crianças pensam cientificamente apresenta um enigma: se mesmo as menores têm uma compreensão intuitiva do método científico, por que é que esse entendimento parece desaparecer dentro de alguns anos? Estudos sugerem que alunos do último ano da primária até ao fim do ensino médio têm dificuldades para estabelecer uma experiência controlada e não conseguem descobrir qual o tipo de evidência que apoiaria ou refutaria uma hipótese. Uma razão para o nosso fracasso pode ser o facto de sermos muito bons – quando crianças ou adultos – para montar quebra-cabeças relacionados com a vida real, mas atrapalhamo-nos com imagens abstratas, sugere Goodman.
Além disso, quando aprendemos mais sobre o mundo, o nosso conhecimento e crenças ultrapassam os nossos poderes de pensar cientificamente. A mensagem para educadores parece ser desenvolver a intuição que as crianças apresentam sobre ciência enquanto fazem um trabalho que ligue conceitos abstratos e quebra-cabeças do mundo real.

Fonte: Scientific American

O Mar Morto já esteve “morto”?

O Mar Morto morreu uma vez. Durante um período quente há muito tempo que o secou completamente, segundo novas evidências.
Isso é uma má notícia para o lago hoje. Tem vindo a diminuir nas últimas décadas e pode estar prestes a morrer novamente. "O lago pode realmente secar em breve", segundo Emi Ito, da Universidade de Minnesota em Minneapolis, que revelou os novos dados numa reunião da União Geofísica Americana. Ito e os seus colegas examinaram núcleos no leito do lago escavados pelo Dead Sea Deep Drilling Project. Sedimentos nestes núcleos, depositados há mais de 200.000 anos, registam a história do lago. Em teoria, o Mar Morto supersalgado deveria estar protegido contra a seca completa, pois o sal aumenta a quantidade de calor necessária para evaporar a água. Simulações de computador sugerem que uma diminuição do Mar Morto, deve, eventualmente, estabilizar porque ele vai ficando mais salgado.
Mas as pedras lisas enterradas a 253 metros abaixo do leito do lago de hoje sugerem que o Mar Morto ficou outrora sem água. Além do mais, estas pedras estão pousadas em cima de cerca de 45 metros de sal. "Isso mostra quanto sal se obteria se o Mar orto evaporasse na totalidade ", disse Steven Goldstein do observatório Lamont-Doherty da Universidade de Columbia, em Palisades, NY.
Os pesquisadores não usaram datação por carbono radioativo para descobrir a idade dos sedimentos, mas a equipa estima que o lago desapareceu há 120 mil anos atrás. O clima mais quente que provavelmente havia nessa época poderia ter secado as fontes de água do Mar Morto.
Hoje, o mar Morto está ameaçado novamente, desta vez pelo desvio de água do rio Jordão para irrigação e outros usos. Atualmente alimentado apenas pelo escoamento da montanha e nascentes submarinas, o Mar Morto perdeu 10 metros entre 1997 e 2008.
Se o Mar Morto desaparece novamente, porém, a sua história oferece alguma esperança. O lago já regressou de volta à vida uma vez. Talvez este corpo de água bíblico possa ser ressuscitado novamente.

Fonte: Science News