Por que as estrelas não explodem para todos os lados?

Se uma estrela é esférica, ao explodir ela deveria arremessar cacos para todos os lados...

Ondas de choque com direção preferencial

Uma equipe multidisciplinar de pesquisadores da França e da Alemanha pode ter desvendado o mistério de por que os remanescentes das supernovas que observamos da Terra algumas vezes são axissimétricos - alongados ao longo de um eixo - e não esféricos.

Uma supernova acontece quando uma estrela fica sem combustível e morre, colapsando sobre si mesma por sua enorme gravidade, o que gera uma explosão descomunal que causa ondas de choque no meio circundante. Essas ondas de choque, conhecidas como remanescentes das supernovas, se espalham por vastas distâncias ao longo de milhares de anos.

Como as estrelas são esféricas, o que se esperaria é que esses remanescentes fossem esfericamente simétricos, uma vez que a energia é lançada em todas as direções.

No entanto, os telescópios já captaram muitas imagens que diferem dessa nossa expectativa. Por exemplo, o remanescente da supernova G296.5+10.0 (ainda não conhecido o suficiente para merecer um nome mais atraente) é simétrico ao longo do seu eixo vertical. Os astrônomos já apresentaram muitas hipóteses para explicar essas observações, mas até agora tem sido difícil testá-las.

Explosão dirigida

Paul Mabey, da Escola Politécnica de Paris, decidiu tentar reproduzir esse fenômeno astrofísico em menor escala em laboratório. Para isso, a equipe utilizou lasers de alta potência e um novo gerador de campo magnético, conhecido como bobina Helmholtz, construído por uma equipe do Centro de Pesquisas Helmholtz, na Alemanha.

Eles descobriram que, quando o campo magnético é aplicado na explosão, a onda de choque se espicha ao longo de uma direção preferencial, exatamente como vemos nas imagens captadas pelos telescópios.

Alimentada por um gerador de pulsos de alta tensão, a bobina Helmholtz gerou campos magnéticos extremos, que atingem uma força de 10 Teslas. Como o resultado final bateu com as observações, a hipótese é que, em torno da supernova G296.5+10.0 há um campo magnético de grande escala, responsável por sua forma atual.

Magnetismo universal

Os astrofísicos agora esperam usar observações dos remanescentes de outras supernovas - já conhecidas e futuras - para determinar a força e a direção dos campos magnéticos em todo o Universo.

Isso representaria uma revolução na astrofísica, uma vez que sabemos que o magnetismo é onipresente no Universo, mas não temos meios de medi-lo diretamente à distância - apenas por seus efeitos sobre a matéria -, o que significa que essa força fundamental praticamente não é levada em conta em nossos modelos cosmológicos.

Explicar por que uma supernova seria circundada por um campo magnético de tão grande magnitude, a ponto de direcionar os restos da explosão, seria um primeiro resultado muito bem-vindo de um eventual mapeamento do magnetismo cósmico.

Bibliografia:

Artigo: Laboratory study of bilateral supernova remnants and continuous MHD shocks
Autores: Paul Mabey, B. Albertazzi, G. Rigon, J. R. Marquès, C. A. J. Palmer, J. Topp-Mugglestone, P. Perez-Martin, F. Kroll, F.-E. Brack, T. E. Cowan, U. Schramm, K. Falk, G. Gregori, E. Falize, M. Koenig
Revista: Astrophysical Journal
DOI: 10.3847/1538-4357/ab92a4

Descoberto um diamante 50% mais duro e leve como grafite, confira.

Supercarbono

Parece não haver limites para o modo como os átomos de carbono podem se organizar, criando inclusive estruturas mais duras do que o diamante.

Estrutura geométrica do pentadiamante. As esferas brancas e pretas indicam átomos de carbono com quatro e três átomos adjacentes, respectivamente.
[Imagem: Yasumaru Fujii et al. - Yasumaru Fujii]

De fato, além de ser a base de toda a vida na Terra, o carbono sempre atraiu a atenção dos pesquisadores por produzir materiais com propriedades tão diferentes quanto um quebradiço carvão e o transparente e superduro diamante.

Pesquisadores japoneses descobriram agora que é possível usar os mesmos átomos de carbono - e tão somente eles - para produzir uma substância que, segundo seus cálculos, será quase 50% mais dura do que o próprio diamante.

Yasumaru Fujii e seus colegas da Universidade de Tsukuba já batizaram sua substância de "pentadiamante".

Hibridação

Os diamantes, que são formados inteiramente de átomos de carbono dispostos em uma treliça muito densa, são famosos por sua dureza, incomparável entre os materiais conhecidos. No entanto, o carbono pode formar muitas outras configurações estáveis, chamadas alótropos. Isso inclui o familiar grafite dos lápis, além de nanomateriais, como os nanotubos de carbono e o grafeno.

As propriedades mecânicas, incluindo a dureza, de um alótropo dependem principalmente da maneira como seus átomos se ligam. Nos diamantes comuns, cada átomo de carbono forma uma ligação covalente com quatro vizinhos. Os químicos chamam essa organização de hibridação sp3. Nos nanotubos e em alguns outros materiais, cada carbono forma três ligações, chamadas hibridação sp2.

O que Fujii descobriu é que o carbono pode se organizar de modo ainda mais denso do que no diamante ao formar uma estrutura híbrida, com hibridações sp2 e sp3. "Alótropos de carbono com átomos hibridados sp2 e sp3 apresentam maior diversidade morfológica devido ao grande número de combinações e arranjos em redes," disse ele.

Ferramentas e corte e estudo de planetas

Usando uma técnica conhecida como "Teoria do funcional da densidade", Fujii conseguiu não apenas simular o material em computador, como também calcular sua dureza. O módulo de Young - uma medida de dureza - do pentadiamante chegará a quase 1.700 GPa, em comparação com cerca de 1.200 GPa do diamante convencional.

"O pentadiamante não é apenas mais duro do que o diamante convencional, sua densidade é muito menor, igual à do grafite," acrescentou a professora Mina Maruyama.

"Este trabalho mostra o poder de projetar materiais ab initio. Além dos usos industriais de corte e perfuração, os pentadiamantes poderão ser usados no lugar de células de bigorna de diamante atualmente usadas em pesquisas científicas para recriar a pressão extrema dentro dos planetas," acrescentou o professor Susumu Okada.

Bibliografia:

Artigo: Pentadiamond: A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp2 and sp3 C Atoms
Autores: Yasumaru Fujii, Mina Maruyama, Nguyen Thanh Cuong, Susumu Okada
Revista: Physical Review Letters

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.016001

Noticia: inovacaotecnologica

Bateria de metal líquido é nova opção para guardar energia do sol e do vento

São os primeiros passos de uma nova tecnologia promissora.

Bateria fria

Engenheiros da Universidade do Texas criaram um novo tipo de bateria que eles garantem juntar o que há de melhor nas baterias de íons de lítio, usadas em equipamentos portáteis e veículos, e nas baterias de fluxo, aquelas projetadas para armazenar energia em larga escala para cobrir a intermitência das energias solar e eólica.

Trata-se de uma bateria totalmente metálica e líquida e que funciona a temperatura ambiente.

A vantagem em relação às baterias de lítio é que a nova bateria não se degrada e não perde a eficiência com o uso. Há que se considerar, porém, que a tendência é que as baterias de íons de lítio sejam suplantadas por baterias totalmente sólidas, já que o eletrólito líquido é um dos grandes inconvenientes dessas baterias atuais.

A vantagem em relação às atuais baterias de fluxo é que a nova bateria funciona a temperatura ambiente, quando a tecnologia atual exige temperaturas de até 240º C para manter em estado líquido os sais que retêm a energia - essas baterias de encher guardam a eletricidade em compostos químicos armazenados em tanques.

Bateria de metal líquido

O avanço foi obtido usando metal líquido nos eletrodos. O protótipo usa uma liga de sódio e potássio como anodo e uma liga à base de gálio como catodo - as ligas de gálio são uma das principais classes dos chamados metais líquidos, que se liquefazem a temperaturas muito baixas.

Devido aos componentes líquidos, a bateria pode ser ampliada ou reduzida facilmente, dependendo da energia necessária - quanto maior a bateria, mais energia ela pode armazenar e fornecer. Outra vantagem é que o recarregamento da bateria é bem mais rápido do que uma bateria de lítio, por exemplo.

"Estamos entusiasmados em ver que o metal líquido pode fornecer uma alternativa promissora para substituir os eletrodos convencionais. Dada a alta densidade de energia e potência demonstradas, essa célula inovadora poderia ser potencialmente implementada para redes de energia inteligentes e eletrônicos de vestir," disse o pesquisador Yu Ding.

A grande vantagem da tecnologia é o funcionamento a temperatura ambiente, mas seu estado líquido dificilmente a tornará adequada para aplicações portáteis.

Desafios

Os pesquisadores contam ter passado mais de três anos desenvolvendo este projeto de bateria, mas o trabalho ainda está longe de ser concluído.

Muitos dos elementos que constituem a espinha dorsal dessa nova bateria são mais abundantes do que alguns dos principais materiais das baterias tradicionais, tornando-os potencialmente mais fáceis e mais baratos de produzir em larga escala. No entanto, o gálio continua sendo um material caro. Encontrar materiais alternativos que possam oferecer o mesmo desempenho e reduzir o custo de produção continua sendo um desafio importante.

Antes disso, porém, a equipe precisa aumentar a energia da bateria a temperatura ambiente, e eles esperam fazer isso melhorando os eletrólitos, os componentes que permitem que a carga elétrica flua através da bateria.

"Embora nossa bateria não possa competir com baterias de metal líquido de alta temperatura no estágio atual, esperamos obter uma melhor capacidade de energia com eletrólitos avançados projetados com alta condutividade," disse Ding.

Bibliografia:

Artigo: Room-Temperature All-Liquid-Metal Batteries Based on Fusible Alloys with Regulated Interfacial Chemistry and Wetting
Autores: Yu Ding, Xuelin Guo, Yumin Qian, Leigang Xue, Andrei Dolocan, Guihua Yu
Revista: Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202002577

Régua de luz vai melhorar medições do espaço e do tempo

O microrressonador em forma de anel, pequeno o suficiente para caber em um chip, opera com potência laser muito baixa e é fabricado com materiais semicondutores.

Pentes de frequência

Da mesma forma que as marcas de escala em uma régua são usadas para medir comprimentos com grande precisão, um dispositivo conhecido como pente de frequência a laser, com centenas de frequências definidas, emitidas com espaçamento uniforme, pode ser usado para medir as cores das ondas de luz com precisão ainda maior.

Devidamente miniaturizados, esses "micropentes" prometem agora melhorar muito a precisão de medições não apenas de distância, mas também de tempo e até da própria luz, que deve ter comprimentos de onda específicos para cada aplicação.

Estas novas versões em miniatura desses pentes - assim denominados porque seu conjunto de frequências uniformemente espaçadas se assemelha aos dentes de um pente - estão possibilitando uma nova geração de relógios atômicos, um grande aumento no número de sinais viajando através de fibras ópticas e a capacidade de identificar pequenas mudanças de frequência na luz das estrelas que sugerem a presença de planetas.

A versão mais recente de um micropente, criada por pesquisadores do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) e da Universidade da Califórnia em Santa Barbara (UCSB), é pequena o suficiente para caber em um chip.

Régua de luz para distâncias e para o tempo

Gregory Moille e seus colegas demonstraram que o micropente, fabricado com os semicondutores arseneto de alumínio e gálio, tem duas propriedades essenciais que o tornam especialmente promissor: Ele opera com uma potência tão baixa que não precisa de um amplificador e pode ser controlado para produzir um conjunto de frequências extraordinariamente constante - exatamente o que é necessário para usar o pente de microchip como uma ferramenta sensível para medir frequências com precisão extraordinária.

Em baixas temperaturas, a equipe alcançou o chamado regime de sólitons, pulsos individuais de luz que nunca mudam de forma, frequência ou velocidade, circulando continuamente dentro do microrressonador, um pequeno disco de semicondutor.

Com esses sólitons, todos os dentes do pente de frequência estão em fase um com o outro, permitindo seu uso como uma régua para medir as frequências empregadas em relógios ópticos, na síntese de frequência ou medições de distância baseadas em laser.

Embora alguns sistemas criogênicos recentemente desenvolvidos sejam pequenos o suficiente para serem usados fora do laboratório, o objetivo final é operar o dispositivo em temperatura ambiente.

Bibliografia:

Artigo: Dissipative Kerr Solitons in a III-V Microresonator
Autores: Gregory Moille, Lin Chang, Weiqiang Xie, Ashutosh Rao, Xiyuan Lu, Marcelo Davanço, John E. Bowers, Kartik Srinivasan
Revista: Laser & Photonics Reviews
DOI: 10.1002/lpor.202000022

Noticia: inovaçaotecnologica