Antigravidade (varios jeito de levitar)

1. INTRODUÇÃO

Manter um corpo suspenso no ar, sem qualquer apoio aparente, parecendo desafiar a lei da gravidade, é reconhecido como fenômeno de levitação. Esse "apoio", necessariamente, deverá aplicar no corpo suspenso uma força, vertical para cima, suficientemente intensa para equilibrar o peso do corpo. Em se tratando de corpo extenso, a estabilidade de equilíbrio também deve ser analisada. A levitação magnética é o resultado da ação de campos magnéticos sobre alguma grandeza associada ao corpo suspenso. São exemplos simples: os ímãs suspensos sob a ação de outros ímãs (campo magnético criado por um, agindo sobre a massa ferromagnética do outro, e vice-versa). Um outro exemplo, mais sofisticado, foi descoberto em 1987 pelo francês Georg Bednorz e o alemão K. A. Muller. Eles produziram uma cerâmica supercondutora de eletricidade, misturando bário, lantânio, cobre e oxigênio. A supercondutividade, fenômeno apresentado por certas substâncias como metais e cerâmicas especiais, caracteriza-se pela drástica diminuição da resistência elétrica em temperaturas muito baixas. Com isso, a corrente flui pelo material sem perder energia. Ao comprovarem a importância prática do fenômeno, os cientistas abriram campo para diversas aplicações, como computadores cada vez mais ágeis, reatores de fusão nuclear com energia praticamente ilimitada e monotrilhos rapidíssimos, projetados para serem o transporte de massa do século XXI.

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2. TIPOS DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

Nesta seção, serão apresentados alguns dos principais tipos de levitação magnética, bem como algumas das principais aplicações na área de Engenharia, em especial os tipos de levitação utilizados nos trens de alta velocidade. Não entendeu como isto é possível? Fácil: o trem inteiro levita acima da sua plataforma de sustentação, reduzindo a zero o contato com qualquer superfície sólida (eliminação do atrito), o que faz com que a única força que se oponha ao movimento seja a resistência do ar.

2.1 Repulsão entre ímãs permanentes

Este fenômeno ocorre entre ímãs permanentes devido à repulsão de polos de mesma natureza (figura 2.1), gerando assim a levitação. Neste sistema, torna-se necessário a utilização de vínculos mecânicos para que impeça o giro do sistema (no caso, o lápis da figura 2.1), cuja instabilidade é conhecida como Teorema de Earnshaw.

Figura 2.1 - Repulsão entre polos iguais de ímãs permanentes.
Fonte: Serway (2003).

2.2 Levitação eletromagnética

Também denominada de levitação por atração, a levitação eletromagnética é aquela em que um corpo ferromagnético é mantido suspenso pela força atrativa de um eletroímã. Na figura 2.2, é apresentado o diagrama de uma esfera levitando sob a ação de um campo magnético. Nesta esfera atuam a força peso e a força magnética, resultante da atração da esfera pelo eletroímã em função da distância entre a esfera e o eletroímã e da corrente que circula na bobina.

Figura 2.2 - Diagrama da levitação eletromagnética.
Fonte: LASUP.

A figura 2.3 ilustra o uso da levitação eletromagnética utilizada no trem Transrapid de alta velocidade, desenvolvido pela Transrapid International S. A., na Alemanha.

Figura 2.3 - Veículo de transporte utilizando a levitação eletromagnética.
Fonte: adaptada de www.maglev.com

O Transrapid é o primeiro trem comercializado no mundo que utiliza a levitação eletromagnética. Veículos utilizando este tipo de levitação alcançam uma velocidade de até 430 Km/h.

2.3 Levitação eletrodinâmica

A levitação eletrodinâmica ou levitação por repulsão emprega um condutor na presença de um fluxo magnético variável, criando assim uma corrente elétrica induzida no condutor. Com isso, pela Lei de Faraday - Lenz, a corrente deverá possuir sentido contrário ao sentido da bobina indutora. Como estas correntes estão em sentidos contrários, ocorrerá uma repulsão entre a bobina indutora e o condutor.

Figura 2.4 - Princípio de funcionamento do maglev. Os eletroímãs são alimentados com corrente alternada, alternando a polaridade dos imãs de guia nas paredes.
Fonte: adaptado de Globo Ciência - janeiro/97 e Como Funciona, Editora Visor do Brasil.

A grande diferença entre um trem maglev e um trem convencional é que os trens maglev não têm um motor, pelo menos não o tipo de motor usado para puxar os vagões de trem típico em trilhos de aço. O motor para os trens maglev é quase imperceptível. Em vez de usar combustível fóssil, o campo magnético criado pela bobina eletrificada nas paredes do trilho guia e o trilho se juntam para impulsionar o trem. A bobina magnética ao longo dos trilhos, chamada de trilho guia, repele os grandes ímãs supercondutores sob o trem, permitindo que este levite entre 1 a 10 cm sobre o trilho guia. Uma vez que o trem esteja levitando, a energia é suprida pelas bobinas dentro das paredes do trilho para criar um sistema único de campos magnéticos que puxam e empurram o trem pelo trilho guia (veja figura 2.4). A corrente elétrica fornecida às bobinas nas paredes do trilho guia é constantemente alternada para mudar a polaridade da bobina magnetizada. Esta mudança na polaridade leva o campo magnético na parte frontal do trem a puxar o veículo para frente, enquanto o campo magnético atrás do trem adiciona mais um empurrão para frente. Os trens maglev flutuam em uma almofada de ar, eliminando a fricção. Esta falta de fricção, juntamente com os projetos aerodinâmicos, permitem que esses trens alcancem velocidades de transporte terrestre surpreendentes de mais de 500 km/h. Este tipo de levitação é utilizado no projeto japonês desenvolvido pela Japonese Railways.

Supercondutor como ímã

O conceito de supercondutor, como um material capaz de expulsar completamente o fluxo magnético de seu interior, não é incompatível com a capacidade de reter fluxo magnético.

Verifica-se experimentalmente que uma amostra supercondutora pode-se tornar um verdadeiro ímã, apresentando densidades de fluxo magnético da ordem de 14 T dependendo da temperatura de operação.

Levando-se em conta que os melhores ímãs permanentes cilíndricos disponíveis atualmente (NdFeB) fornecem densidades de fluxo da ordem de 1T, fica evidenciada a imensa superioridade e as potencialidades do uso de supercondutores como fonte de fluxo magnético.

Em toda a tecnologia que emprega supercondutores, é necessário um gasto com a refrigeração das amostras supercondutoras, mas ainda assim o processo é vantajoso, pois para se conseguir um fluxo magnético de mesma intensidade, seria necessário recorrer ao uso de eletroímãs cujo consumo de energia elétrica é bastante alto.

2.4 Levitação diamagnética

Todo material diamagnético submetido a um campo magnético externo apresenta um momento dipolar magnético orientado no sentido oposto ao do campo aplicado. Se o campo magnético aplicado é não-uniforme, o material diamagnético é repelido da região onde o campo magnético é mais intenso para a região onde o campo magnético é menos intenso. Assim, se o campo magnético aplicado for muito intenso, um material diamagnético será repelido pelo campo, podendo, portanto, levitar na presença deste campo, como mostra a figura 2.5.

Figura 2.5 - Materiais a) diamagnéticos e b) paramagnéticos expostos a um campo externo representado pelas linhas de indução em azul. Os materiais paramagnéticos são atraídos para a região onde o campo magnético é mais intenso, e os diamagnéticos são repelidos dessa região.

Nas substâncias ferromagnéticas e paramagnéticas, a repulsão diamagnética também se apresenta, mas é muito pequena se comparada à atração e repulsão magnéticas propriamente ditas, sendo praticamente imperceptível. A água é um bom diamagneto, assim como a maioria das substâncias orgânicas e o carbono. Veja, na Figura 2.6, uma maneira mais fácil de levitação diamagnética utilizando uma pequena placa de carbono (mais especificamente, de grafite pirolítica) levitando acima de um ímã permanente.

Figura 2.6 - Placa de carbono (um material diamagnético) levitando sobre ímã natural.
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Diamagnetism

De todos os materiais, o que apresenta maior efeito diamagnético é o bismuto. O que explica a Figura 2.7: as duas peças entre as quais o pequeno ímã levita são de bismuto puro.

Figura 2.7 - Ímã levitando entre duas placas de bismuto (material diamagnético).
Fonte: http://sci-toys.com/scitoys/scitoys/magnets/suspension.html

2.4.1 Levitação diamagnética em supercondutores

Em 1908, H. Kamerlingh Ones iniciou a física de baixas temperaturas liquefazendo o Hélio em seu laboratório em Leiden. Três anos depois, quando analisava a resistividade de uma amostra de Mercúrio, notou que abaixo de 4,15 K, a resistividade desta caía abruptamente a zero. Inicia-se o fascinante mundo da supercondutividade. Em 1993, Walther Meißner e Robert Ochsenfeld descobriram que, ao expor um material supercondutor a um campo magnético externo, ele excluía todo fluxo de seu interior até um campo crítico, Hc, acima do qual o efeito supercondutor era destruído. Esse efeito ficou conhecido por Efeito Meißner-Ochsenfeld, comumente chamado

Efeito Messner (veja figura 2.8). Assim, a supercondutividade é um fenômeno que afeta alguns materiais e se manifesta apenas em temperaturas extremamente baixas. Ela se caracteriza pela eliminação da resistividade do material e pela exclusão de qualquer campo magnético de seu interior. O que traz duas consequências extraordinárias: em temperaturas extremamente baixas, um supercondutor apresenta resistência nula à passagem de uma corrente elétrica (por não apresentar resistividade) e torna-se um diamagneto perfeito (por não conter campo magnético).

Figura 2.8 - Efeito Messner em supercondutores. Abaixo de uma temperatura crítica, o material se torna um diamagneto perfeito.
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Supercondutividade.

Quando aproximamos o magneto da amostra, em estado supercondutor, ocorre o aparecimento de supercorrentes na superfície do material. Estas supercorrentes geram um campo magnético que se opõe ao campo magnético externo, tornando nula a indução magnética dentro do supercondutor. Os dois campos, o do magneto e o do supercondutor, causam uma repulsão, como dois polos magnéticos do mesmo sinal. O supercondutor passa a agir como um espelho magnético. A levitação ocorre pois a força magnética, na superfície do supercondutor, é maior que a força peso, levando o ímã a subir até encontrar o ponto de equilíbrio.

A Fig. 2.8 mostra o comportamento das linhas de indução do magneto quando este está próximo da amostra na temperatura acima da Temperatura crítica (Tc) para que o efeito descrito acima ocorra, portanto, no estado normal. Ao lado, vê-se a exclusão das linhas de fluxo magnético pela amostra supercondutora, agora numa temperatura abaixo da Tc. Estas propriedades dos supercondutores permitiram o desenvolvimento de novas aplicações tecnológicas, entre as quais: geradores elétricos e motores (menores e eficientes); bobinas para aparelhos de ressonância magnética nuclear (medicina); magnetos para aceleradores de partículas e reatores de fusão nuclear; transportes com levitação magnética; aparelhos que permitem realizar medidas magnéticas extremamente sensíveis; aplicações na óptica quântica; componentes eletrônicos (como por exemplo, microprocessadores mais rápidos, devido eliminação do problema do calor); antenas de ondas eletromagnéticas.

O que ganhamos com estas tecnologias?

Economia de energia; menos perdas dissipativas e melhor aproveitamento de recursos; melhor produção de energia; geradores mais eficientes e de dimensão mais reduzida; melhor armazenamento de energia; baterias e condensadores de mais elevado rendimento, menores, sem perdas; transporte de energia sem recorrer ao sistema normal de elevação de tensão; acesso a novos campos e novas descobertas.

2.5 Levitação magnética por rotação

Dentro do tema 'Levitação magnética', vamos descrever um curioso dispositivo, registrado sob o nome "Levitron", que é comercializado como 'brinquedo'. O Levitron comporta duas partes distintas: uma base (que é colocada sobre a mesa de trabalhos) e um pião com eixo alongado. A base e o pião são essencialmente dois ímãs, porém, colocados de tal forma que os polos de mesmo nome se defrontam (por exemplo, o Polo Norte da base e o Polo Norte do pião). O ajuste desses ímãs, durante o processo de fabricação, deve ser feito de modo bastante cuidadoso.

Figura 2.9 - Princípio de funcionamento de um Levitron.
Fonte: http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_36.asp

Surgem, como era de se esperar, quatro forças magnéticas sobre os polos magnéticos do pião: duas de repulsão e duas de atração, com respeito aos polos dos ímãs da base e uma força gravitacional (seu peso) com relação à Terra.

A dependência relativa à distância dessas forças magnéticas faz com que (devido ao modo como os ímãs são dispostos) a resultante delas se oponha à força gravitacional e, assim, o pião levite sobre a base, como mostram as figuras 2.9 e 2.10. Entretanto, qualquer que seja a mínima inclinação em relação à vertical (e isso é impossível de evitar), tais pares de forças magnéticas criam momentos (binários, torques) que tendem a tombar o pião, levando-o para baixo. É impossível mantê-lo levitando 'estaticamente'.

Figura 2.10 - Levitação magnética por rotação.
Fonte: http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_36.asp

Para evitar que isso ocorra, o pião deve estar descrevendo um movimento de rotação, já que, nessa condição, o momento atua de forma giroscópica e o eixo do pião não tomba, mantendo-se mais ou menos na mesma direção que aquela do campo magnético resultante. O momento de rotação é equivalente ao movimento de precessão de um pião comum. O eixo é, em princípio, quase vertical, porém conforme a velocidade angular vai diminuindo, uma leve oscilação aparece nesse eixo. Com efeito, o princípio de funcionamento é similar ao de um pião comum (veja figura 2.10). É quase impossível que um pião comum, sem girar, fique equilibrado sobre sua ponta metálica e não caia. Entretanto, enquanto está girando, o equilíbrio se mantém. Ao diminuir a velocidade esse pião comum começa 'a balançar a cabeça' até que, finalmente, cai. Exatamente isso é o que ocorre com o Levitron. O aspecto da estabilidade é muito delicado no Levitron. Definitivamente, o sistema apenas funciona dentro de limitada faixa de alturas, algo entre 3 e 4 cm contados desde o centro da base. A altura final para o equilíbrio depende principalmente do peso do pião e das forças de campo devidas à base.

2.6 Levitação magnética em turbina eólica 

A energia eólica é vista de forma muito simpática por todos aqueles que se preocupam com o meio ambiente. Os especialistas em energia, contudo, afirmam que a eletricidade produzida pelo vento necessitará de mais tecnologia e menos custos se quiser entrar para valer como uma fonte de geração definitiva.

Figura 2.11 - Turbina eólica com levitação magnética.
Fonte: http://novaenergia.net/forum/viewtopic.php?f=27&t=5032&start=0.

A empresa MagLev apresentou na China aquela que poderá ser a solução tecnológica que faltava para a viabilização econômica da energia eólica (veja figura 2.11). Com um design totalmente diferente dos tradicionais cata-ventos, a turbina MagLev utiliza levitação magnética para oferecer um desempenho muito superior em relação às turbinas tradicionais. 

As pás verticais da turbina de vento são suspensas no ar acima da base do equipamento. Ao invés se sustentarem e de girarem sobre rolamentos, essas pás ficam suspensas (levitam magneticamente), sem contato com outras partes mecânicas - e, portanto, podem girar sem atrito, o que aumenta exponencialmente seu rendimento.

A turbina utiliza ímãs permanentes feitos de neodímio, e não eletroímãs, que poderiam diminuir seu rendimento líquido, já que uma parte da energia gerada seria gasta para manter esses eletroímãs em funcionamento.

Segundo a empresa, a turbina MagLev consegue gerar energia a partir de brisas de apenas 1,5 metros por segundo e consegue suportar até vendavais de até 40 metros por segundo - o equivalente a 144 km/h. 

As maiores turbinas eólicas atuais geram 5 MW de potência. Já uma única MagLev gigantesca poderia gerar 1 GW, suficiente para abastecer 750.000 residências. Isso acontece porque a nova turbina pode ser construída em dimensões muito grandes, o que não acontece com os tradicionais cata-ventos.

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3. LEVITAÇÃO ACÚSTICA

A levitação acústica (figura 3.1) se aproveita das propriedades de ondas sonoras para fazer com que sólidos, líquidos e gases pesados flutuem.

Figura 3.1 - A levitação acústica permite que pequenos objetos, como gotículas de líquido, flutuem.
Fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br/levitacao-acustica.htm

Um levitador acústico básico tem duas partes principais: um transdutor, que é uma superfície vibratória que cria sons, e um refletor. Normalmente, o transdutor e o refletor têm superfícies côncavas para ajudar a focalizar o som. O processo é muito simples: uma onda sonora viaja do transdutor e é rebatida pelo refletor. Três propriedades básicas dessa onda é que a auxiliam a suspender objetos no ar. 

A primeira é que, como todos os sons, trata-se de uma onda de pressão longitudinal. Em uma onda longitudinal, o movimento dos pontos na onda é paralelo à direção de sua viagem, algo semelhante ao tipo de movimento que você veria se empurrasse e puxasse a extremidade de uma mola de brinquedo. A segunda propriedade é que a onda pode se refletir em superfícies, seguindo a Lei da reflexão, que afirma que o ângulo de incidência (o ângulo no qual algo atinge uma superfície) é igual ao ângulo de reflexão (o ângulo no qual ele deixa a superfície). E finalmente, quando uma onda sonora se reflete em uma superfície, a interação entre suas compressões e rarefações causa interferência. As compressões que encontram outras compressões se amplificam, e compressões que encontram rarefações acabam entrando em equilíbrio com elas. Algumas vezes, a reflexão e a interferência podem se combinar para criar uma onda estacionária. Essas ondas estacionárias parecem se deslocar para frente e para trás, ou vibrar em segmentos em vez de viajar de um lugar para outro. Essa ilusão de imobilidade é o que dá nome às ondas estacionárias. Ondas sonoras estacionárias possuem nós ou nodos definidos (áreas de pressão mínima) e antinodos ou ventres (áreas de pressão máxima) (veja figura 3.2). Os nós de uma onda estacionária são o "coração" da levitação acústica. Ao colocar um refletor à distância certaUm levitador acústico básico tem duas partes principais: um transdutor, que é uma superfície vibratória que cria sons, e um refletor. Normalmente, o transdutor e o refletor têm superfícies côncavas para ajudar a focalizar o som. O processo é muito simples: uma onda sonora viaja do transdutor e é rebatida pelo refletor. Três propriedades básicas dessa onda é que a auxiliam a suspender objetos no ar. 

A primeira é que, como todos os sons, trata-se de uma onda de pressão longitudinal. Em uma onda longitudinal, o movimento dos pontos na onda é paralelo à direção de sua viagem, algo semelhante ao tipo de movimento que você veria se empurrasse e puxasse a extremidade de uma mola de brinquedo. A segunda propriedade é que a onda pode se refletir em superfícies, seguindo a Lei da reflexão, que afirma que o ângulo de incidência (o ângulo no qual algo atinge uma superfície) é igual ao ângulo de reflexão (o ângulo no qual ele deixa a superfície). E finalmente, quando uma onda sonora se reflete em uma superfície, a interação entre suas compressões e rarefações causa interferência. As compressões que encontram outras compressões se amplificam, e compressões que encontram rarefações acabam entrando em equilíbrio com elas. Algumas vezes, a reflexão e a interferência podem se combinar para criar uma onda estacionária. Essas ondas estacionárias parecem se deslocar para frente e para trás, ou vibrar em segmentos em vez de viajar de um lugar para outro. Essa ilusão de imobilidade é o que dá nome às ondas estacionárias. Ondas sonoras estacionárias possuem nós ou nodos definidos (áreas de pressão mínima) e antinodos ou ventres (áreas de pressão máxima) (veja figura 3.2). Os nós de uma onda estacionária são o "coração" da levitação acústica. Ao colocar um refletor à distância certa de um transdutor, o levitador acústico cria uma onda estacionária. Quando a orientação da onda estiver paralela à força exercida pela gravidade, partes da onda estacionária irão possuir uma pressão constante para baixo e outras terão uma pressão constante para cima. Os nós, por sua vez, possuem pressão muito baixa. Os objetos se juntam logo abaixo dos nós, onde a pressão que uma onda sonora pode exercer sobre uma superfície, entra em equilíbrio com a força da gravidade.

de um transdutor, o levitador acústico cria uma onda estacionária. Quando a orientação da onda estiver paralela à força exercida pela gravidade, partes da onda estacionária irão possuir uma pressão constante para baixo e outras terão uma pressão constante para cima. Os nós, por sua vez, possuem pressão muito baixa. Os objetos se juntam logo abaixo dos nós, onde a pressão que uma onda sonora pode exercer sobre uma superfície, entra em equilíbrio com a força da gravidade.

Figura 3.2 - A levitação acústica utiliza a pressão do som para permitir que objetos flutuem.
Fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br/levitacao-acustica.htm

Pode parecer que é necessário muito trabalho para suspender pequenos objetos a apenas alguns centímetros de uma superfície. Levitar objetos pequenos, ou até animais pequenos, por distâncias curtas também pode parecer algo relativamente inútil. A levitação acústica, porém, possui várias utilizações, tanto no solo como no espaço, entre elas:

• A fabricação de equipamentos eletrônicos muito pequenos e de microchips costuma envolver o uso de robôs ou equipamentos complexos. Os levitadores acústicos podem realizar a mesma tarefa por meio da manipulação do som. Por exemplo, materiais fundidos levitados irão resfriar e endurecer gradativamente e, se estiverem em um campo sonoro ajustado corretamente, o objeto sólido resultante será uma esfera perfeita. De maneira semelhante, um campo com a forma correta pode forçar plásticos a se depositarem e endurecerem apenas nas áreas corretas de um microchip.
• Há ainda materiais que são corrosivos ou que reagem com recipientes comuns utilizados durante análises químicas. Os pesquisadores podem suspender esses materiais em um campo acústico para estudá-los sem o risco de os recipientes contaminarem a amostra ou serem destruídos. 
  
• O estudo da física das espumas possui um grande obstáculo: a gravidade. A gravidade puxa o líquido da espuma, fazendo que ela seque e se destrua. Com os campos acústicos, os pesquisadores podem conter a espuma no espaço, sem que haja interferência da gravidade, o que levaria a uma melhor compreensão de como a espuma desempenha certas tarefas, como a limpeza da água do oceano.

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4. LEVITAÇÃO QUÂNTICA

É difícil levitar objetos a alturas nanométricas de uma superfície?

Três pesquisadores nos Estados Unidos conseguiram obter, pela primeira vez, uma força quântica repulsiva. A descoberta poderá ser empregada em um grande número de aplicações nanotecnológicas. O feito dos pesquisadores foi demonstrar que um inusitado efeito quântico, conhecido como força (ou efeito) de Casimir, pode se manifestar não apenas de forma atrativa, mas também repulsiva, o que traz importantes implicações para a física. Em 1948, o físico holandês Hendrik Casimir (1909-2000) previu que duas placas condutoras perfeitas não carregadas eletricamente atrairiam uma a outra no vácuo, por conta das flutuações quânticas no campo eletromagnético no vácuo entre as placas(veja figura 4.1). Desde então, a previsão foi verificada diversas vezes, mas sempre de forma atrativa. Essa força se torna significativa quando o espaço entre duas superfícies metálicas, como o de dois espelhos um de frente para o outro, é menor do que 100 nanômetros. "Nesse caso, quando duas superfícies do mesmo material, como o ouro, são separadas por vácuo, ar ou um fluido, a força resultante é sempre de atração".

Figura 4.1 - Ilustração do efeito de Casimir. A Força de Casimir é a responsável pela incrível capacidade que lagartixas e moscas têm de se fixar nas paredes e no teto. 

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010165070813

A força atrativa de Casimir tem sido medida com grande precisão e tem sido aplicada no desenho de dispositivos mecânicos em escala nanométrica. Mas, muitas vezes, a natureza da força, ou seja, sua atração tem levado a mais problemas do que soluções. "Um dos problemas é que os componentes em um dispositivo nanométrico podem acabar grudados de modo irreversível. A necessidade de uma força de Casimir repulsiva deriva do potencial de resolver esse problema e também para fazer com que objetos levitem em fluidos, o que pode encontrar aplicações na nanotecnologia."

Força quântica repulsiva: Propostas para o desenho de metamateriais capazes de produzir tal força repulsiva têm sido feitas, mas sem sucesso". No entanto, os pesquisadores substituíram uma das superfícies metálicas imersas em um fluido por uma de sílica (dióxido de silício) e verificaram que a força entre elas mudou de atração para repulsão. "Forças de Casimir repulsivas são de grande interesse, uma vez que podem ser usadas em sensores de força ou de torque ultrassensíveis para levitar um objeto imerso em um fluido em distâncias nanométricas da superfície. Dessa forma, esses objetos se tornam livres para realizar movimentos de rotação ou de translação em relação a outros com o mínimo de fricção estática, pois suas superfícies nunca entram em contato direto". As forças de Casimir atrativas limitam a miniaturização de dispositivos conhecidos como MEMS (Micro Electromechanical Systems), usados nas mais diversas aplicações, como no acionamento de airbags em automóveis. O motivo é que a atração faz com que as partes de um mecanismo se grudem umas nas outras, tornando-as inoperantes. Com a repulsão, o mesmo não ocorreria. Os autores do novo estudo apontam entre as aplicações potenciais da descoberta, o desenvolvimento de peças nanométricas baseadas na levitação quântica para situações em que é necessária a fricção estática ultrabaixa entre peças mecânicas micro ou nanométricas. Especificamente, os pesquisadores destacam a fabricação de novos tipos de bússolas, acelerômetros e giroscópios, todos em escala nanométrica.

Sensor quântico detecta assinatura magnética do coração humano

Sensor quântico detecta assinatura magnética do coração humano: O avanço da tecnologia dos sensores, agora capazes de detectar os campos magnéticos do corpo, pela primeira vez abre a área do chamado magnetismo humano à pesquisa científica rigorosa.

Pesquisadores norte-americanos e alemães construíram um sensor capaz de registrar a assinatura magnética do coração humano.
Apesar de vários exames médicos de ponta conterem o termo "magnético" em seu nome, isto se refere principalmente à própria tecnologia usada para criar imagens do corpo humano, e não a uma "leitura" do magnetismo gerado pelo corpo humano.
Este foi o primeiro o estudo a ser realizada em condições semelhantes a um estudo clínico usando minissensores magnéticos de última geração, cuja utilização até agora tem-se restringido aos laboratórios de física.
Os cientistas do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) e do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha acabam de divulgar os resultados do estudo na revista científica Applied Physics Letters.
Magnetismo do coração
Nos experimentos, o sensor foi colocado cinco milímetros acima do lado esquerdo do peito de uma pessoa deitada de barriga para cima sobre uma cama.
O sensor conseguiu detectar o tênue, mas regular, padrão magnético gerado pelo bater do coração.
A comparação dos sinais captados com o monitoramento feito simultaneamente pelos exames tradicionais confirmou que o minissensor não apenas mede corretamente os batimentos cardíacos, como também identifica outras características do sinal, fornecendo um resultado mais rico.
Os cientistas afirmam que os resultados comprovam que os minissensores podem ser usados para fazer magnetocardiogramas, um novo tipo de exame que poderá complementar ou se tornar uma alternativa aos eletrocardiogramas.
O estudo também demonstrou pela primeira vez que os sensores magnéticos possuem a estabilidade necessária para a realização da magnetorelaxometria (MRX), uma técnica emergente que mede o decaimento da magnetização de nanopartículas magnéticas.
A MRX está sendo utilizada inicialmente para localizar, quantificar e fotografar nanopartículas magnéticas inseridas no tecido biológico para aplicações médicas, as chamadas drogas inteligentes, que se dirigem a um alvo específico dentro do organismo - para matar células tumorais sem afetar as células sadias, por exemplo.
Sensor magnético
Os novos experimentos foram realizados em um laboratório na Alemanha que possui a melhor blindagem magnética do mundo, necessária para bloquear o campo magnético da Terra e outras fontes externas, que podem interferir com as medições de alta precisão.
Isto foi necessário porque, para checar o funcionamento preciso do minissensor, os cientistas usaram um sensor quântico, o detector de magnetismo mais preciso do mundo, chamado SQUID (Superconducting Quantum Interference Device).
O SQUID, contudo, exige um enorme aparato de laboratório, e ele só funciona em temperaturas criogênicas, de -269 graus Celsius.
Já o novo microssensor magnético agora testado funciona em temperatura ambiente.
O microssensor também se enquadra na categoria de sensor magnético atômico. Em seu interior há um pequeno recipiente contendo cerca de 100 bilhões de átomos do elemento químico rubídio, na forma de gás.
Um laser de baixa potência avalia continuamente as variações nessa nuvem atômica geradas pelo campo magnético que está sendo medido, neste caso, o campo magnético do coração batendo.
Sua precisão está na faixa dos picoteslas - 1 picotesla equivale a 1 bilionésimos de um Tesla. Tesla é a unidade que define a intensidade de um campo magnético. Para comparação, o campo magnético da Terra, que permite do funcionamento das bússolas, é 1 milhão de vezes mais forte do que o campo magnético gerado pelo bater do coração humano.
Magnetismo humano
O experimento é um marco significativo porque, embora os cientistas saibam há muito tempo que o corpo humano gera seus próprios campos magnéticos, o chamado magnetismo humano, ou magnetismo animal, tem-se restringido a formulações esotéricas, nas quais o desejo de crer de alguns se alia à vontade de fazer seguidores de outros, resultando em práticas sem fundamentação, de cunho religioso.
O avanço da tecnologia dos sensores, que agora estão se tornando capazes de detectar os campos magnéticos do corpo humano com precisão suficiente, pela primeira vez abrem o campo à pesquisa científica rigorosa.
Da mesma forma que os sensores baseados em eletricidade estão permitindo o desenvolvimento de interfaces neurais, capazes de controlar o movimento atuando diretamente sobre o cérebro, controlando convulsões epilépticas, por exemplo, espera-se que, ao dominar as técnicas de medição e interferência com os campos magnéticos humanos, os cientistas criem campos totalmente novos, não apenas de exames clínicos, mas também de tratamentos terapêuticos.
Recentemente, pesquisadores demonstraram que um campo magnético no cérebro muda o julgamento moral das pessoas. Outro estudo usou omagnetismo para diagnosticar o estresse pós-traumático.

Grafite revela suas faces supercondutora e ferromagnética

Alguns elementos químicos, como o mercúrio, o chumbo e as ligas à base de nióbio, são capazes de conduzir corrente elétrica sem resistência nem perdas quando submetidos a baixíssimas temperaturas - na ordem de menos 270 graus Celsius.

São os chamados supercondutores.

Tal propriedade permitiu odesenvolvimento de poderosos eletroímãs usados, por exemplo, em máquinas de ressonância magnética, espectrômetros de massa, aceleradores de partículas, trens de levitação magnética e redes inteligentes capazes de transportar energia elétrica com maior eficiência.

A aplicação dessa tecnologia, no entanto, é limitada pela dificuldade e pelo custo do resfriamento extremo, geralmente feito com hélio ou nitrogênio líquido.

A busca de materiais capazes de se comportar como supercondutores em temperatura ambiente, portanto, tem mobilizado cientistas de todo o mundo, entre eles Yakov Kopelevich, professor da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

"O máximo que já se conseguiu no meio acadêmico foi fazer um supercondutor funcionar em torno de menos 100 graus Celsius. Se realmente encontrarmos um supercondutor que funcione em temperatura ambiente, o mundo vai mudar," profetizou Kopelevich.

Grafite suas faces supercondutora e ferromagnética

Devido aos custos de instalação e manutenção, o maior cabo supercondutor do mundo, instalado na Alemanha, tem pouco mais de 1 km de extensão. [Imagem: Nexans]

Grafite supercondutor

Em 1999, Kopelevich observou evidências de supercondutividade no grafite - mineral composto por átomos de carbono - em uma faixa de temperatura que vai de menos 271 até 27 graus Celsius positivos.

"A grande dificuldade é que, embora existam características supercondutoras no grafite, elas se encontram somente em alguns locais do material. Precisamos achar meios de extrair esses elementos e potencializar o fenômeno. Não é uma tarefa simples, mas já encontramos um caminho para realizá-la," disse Kopelevich.

O pesquisador vem trabalhando com um método conhecido como dopagem eletrostática, que consiste em aplicar um campo elétrico sobre o material para forçar a redistribuição da carga elétrica na superfície.

"A ideia é trazer mais elétrons, que são os portadores de eletricidade, para a superfície do grafite. Aumentando a densidade de elétrons na superfície do material é possível induzir a supercondutividade", explicou.

Segundo Kopelevich, o Brasil possui uma das maiores e melhores reservas mundiais de grafite no Estado de Minas Gerais. "Se alcançarmos nosso objetivo, o Brasil será o melhor lugar para produzir supercondutores de grafite", afirmou.

Grafite revela suas faces supercondutora e ferromagnética

O magnetismo inesperado do grafite entusiasmou pesquisadores da área da spintrônica. [Imagem: Kees Flipse]

Ferromagnetismo no grafite

Embora sua principal linha de pesquisa seja no campo da supercondutividade, Kopelevich também se dedica a buscar meios de potencializar outra propriedade observada no grafite: o ferromagnetismo.

Nesse caso, o fenômeno também está concentrado em algumas partes do material, mas a oxidação do mineral amplia o efeito. "Para isso, basta transformar o grafite em pó e expor ao oxigênio," disse.

O ferromagnetismo é importante para a produção de ímãs de diversos tipos - desde aqueles usados em geladeiras, como também os de motores, equipamentos eletrônicos, peças de computador, geradores e transformadores de energia.

Há seis elementos naturais com propriedades ferromagnéticas e somente três que funcionam em temperatura ambiente: ferro, cobalto e níquel, explicou Kopelevich.

"Acreditava-se que esse fenômeno só era possível em elementos pesados, mas o carbono é um elemento leve. Se conseguirmos potencializar sua propriedade ferromagnética, isso terá implicações enormes, por exemplo, na área de aviação e de exploração espacial," afirmou.

Kopelevich realiza as pesquisas com uma forma ultrapura do material, chamado grafite pirolítico altamente orientado (HOPG), mas acredita que a supercondutividade também pode ser induzida na forma desordenada ou amorfa, significativamente mais barata.

"Com o método da dopagem eletrostática qualquer grafite pode apresentar essa propriedade", disse.

o grafite é uma das três formas alotrópicas do carbono. As outras são o diamante e o fulereno. O mineral é composto por múltiplas camadas de átomos de carbono - cada um desses planos é conhecido como grafeno.

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