Hoje é comemorado os 380 anos de nascimento do matemático inglês Isaac Newton, inventor das leis da mecânica e descobridor da lei da gravitação universal, além de importantes estudos sobre a ótica.
domingo, 25 de dezembro de 2022
Parabéns, Newton!
terça-feira, 4 de outubro de 2022
Prêmio Nobel de Física 2022
A mecânica
quântica, quase 100 anos após a sua invenção por Schrödinger, Dirac e
Heisenberg, entre outros, continua a nos surpreender. Nos últimos anos os
chamados estados emaranhados se estabeleceram de forma definitiva no dia a dia
dos laboratórios e da pesquisa. Por conta disso, a Real Academia Sueca de
Ciências decidiu conceder o Prêmio Nobel de Física de 2022 a Alain Aspect, John
F. Clauser e Anton Zeilinger “por
experimentos com fótons emaranhados, estabelecendo a violação das desigualdades
de Bell e pioneira na ciência da informação quântica”.
Alain Aspect,
John Clauser e Anton Zeilinger conduziram experimentos inovadores usando
estados quânticos emaranhados, onde duas partículas se comportam como uma única
unidade, mesmo quando separadas. Seus resultados abriram caminho para novas
tecnologias baseadas em informações quânticas. Como consequência desses
estudos, existe agora um grande campo de pesquisa que inclui computadores
quânticos, redes quânticas e comunicação criptografada quântica segura.
Um fator-chave
nesse desenvolvimento é como a mecânica quântica permite que duas ou mais
partículas existam no que é chamado de estado emaranhado. O que acontece com
uma das partículas em um par emaranhado determina o que acontece com a outra
partícula, mesmo que estejam distantes.
Por muito tempo,
a questão era se a correlação era porque as partículas em um par emaranhado
continham variáveis ocultas, instruções que lhes diziam qual resultado
deveriam dar em um experimento. Na década de 1960, John Stewart Bell
desenvolveu a desigualdade matemática que leva seu nome. Segundo Bell, se
houver variáveis ocultas, a correlação entre os resultados de um grande
número de medições nunca excederá um determinado valor. No entanto, a mecânica
quântica prevê que um certo tipo de experimento violará a desigualdade de Bell,
resultando em uma correlação mais forte do que seria possível.
John Clauser
desenvolveu as ideias de John Bell, levando a um experimento prático. Quando
ele fez as medições, elas apoiaram a mecânica quântica violando claramente uma
desigualdade de Bell. Isso significa que a mecânica quântica não pode ser
substituída por uma teoria que usa variáveis ocultas. Algumas brechas
permaneceram após o experimento de John Clauser. Alain Aspect desenvolveu um experimento no
qual ele foi capaz de mudar as configurações de medição depois que um par
emaranhado deixou sua fonte, de modo que a configuração que existia quando eles
foram emitidos não poderia afetar o resultado. Usando ferramentas refinadas e
uma longa série de experimentos, Anton Zeilinger começou a usar estados
quânticos emaranhados. Entre outras coisas, seu grupo de pesquisa demonstrou um
fenômeno chamado teletransporte quântico, que possibilita mover um estado
quântico de uma partícula para outra à distância.
Tornou-se cada vez mais claro que um novo tipo de tecnologia quântica está surgindo. Podemos ver que o trabalho dos laureados com estados emaranhados é de grande importância, mesmo além das questões fundamentais sobre a interpretação da mecânica quântica", afirma Anders Irbäck, presidente do Comitê Nobel de Física.
Fonte: Página oficial do Facebook do Prêmio Nobel.
quarta-feira, 6 de julho de 2022
O espetacular eclipse de 06/07/1982
A Astronomia nos mostra nossa insignificância diante da imensidão do universo. Somos viajantes que chegaram há pouco tempo e em breve teremos que partir. Ou nas palavras de Shakespeare, somos como "um ator que treme e freme o seu papel no palco; as luzes serão apagadas, as cortinas cerradas e tudo estará em silêncio novamente." Nesse átimo de tempo, eventualmente, teremos a sorte de enxergar algumas das maravilhas da natureza. Os eclipses lunares, certamente, estão entre esses fatos espetaculares.
No dia 06 de julho de 1982, portanto há exatamente 40 anos, ocorria aquele que foi considerado como um dos mais belos eclipses do século XX. Como tive a sorte de observá-lo e de fazer alguns registros, reproduzo-os a seguir. A equipe era composta, além de mim, por Francisco Antônio Gomes, Hélio Freire e Silva e Helder Emanuel Freire. As observações foram realizadas com um telescópio Tasco 60 x 700 mm, com uma ocular de 20 mm. Para se conseguir algumas fotografias, como a que aparece na Figura 1, utilizou-se um adaptador no local da ocular, que acoplava-se a uma máquina fotográfica reflex Pentax. Como não sabíamos exatamente o tempo de exposição a ser utilizado nas fotos, elas foram tiradas com diferentes valores. Muitas delas ficaram superexpostas, mas isso só foi percebido no dia posterior quando as mesmas foram reveladas (nessa época não havia fotografia digital, ou pelo menos, elas não eram disponíveis comercialmente). O primeiro contato da sombra foi registrado às 5 h 31 min 30 s (TU), estando a visibilidade regular, com algumas nuvens esparsas. O segundo contato da sombra deu-se às 6 h 40 min 11 s, com a visibilidade já estando boa, sem nenhuma nuvem para atrapalhar a observação. Ao longo da madrugada foi possível registrar a entrada na sombra (primeiro e segundo contatos) das seguintes crateras: Riccioli, Grimaldi, Kepler, Aristarchus, Schickard, Copernicus, Eratostenes, Tycho, Plato, Proclus e Cleomedes. Na escala de Danjon encontramos para a coloração da Lua 2,5, visto que ela apresentava-se com uma cor entre o vermelho ferruginoso e um vermelho tijolo. As observações prosseguiram até às 08 h 20 min (TU), quando já não tínhamos mais horizonte para observação (essas informações foram publicadas no Boletim Zodíaco da Sociedade Brasileira dos Amigos da Astronomia, no número de Agosto de 1982).
sexta-feira, 22 de abril de 2022
Titan e sua atmosfera
Com exceção da Terra, Titan é o único corpo no sistema solar que possui uma atmosfera de nitrogênio metálico (N2) e apresenta líquidos sobre a sua superfície. A primeira sugestão de que Titan possuísse uma atmosfera foi feita por José Comas Solá, que num artigo intitulado “Observations des satellites principaux de Jupiter et de Titan”, de 1908, sugeriu que o escurecimento do limbo do satélite poderia ser um indicativo dessa existência. Posteriormente, em 1944, Gerard Kuiper descobriu a existência de metano (CH4) em torno do satélite de Saturno, indicando agora conclusivamente que o mesmo possuía atmosfera.
A química da atmosfera de Titan produz materiais que são depositados em sua superfície e posteriormente alterados pelas interações atmosfera-superfície através de processos eólicos e fluviais, dando origem a campos de dunas, lagos e mares. A existência de moléculas orgânicas e a sua interação com a água em um oceano subterrâneo e metano e etano nos lagos e mares, implica que Titan é um potencial laboratório para se verificar a química prebiótica [1, 2].
Observações realizadas da Terra por infravermelho indicaram que a existência de CH4 seria apenas marginal. As naves Voyager 1 e 2 quando se aproximaram de Titan no começo da década de 1980 mostraram que a sua atmosfera possuía uma pressão superficial de cerca de 1,5 vezes a da Terra e uma temperatura em sua superfície de 94 K. Além disso, os espectros de infravermelho revelaram a presença de várias moléculas orgânicas como metano (CH4), hidrogênio molecular (H2), etano (C2H6), acetileno (C2H2), etileno (C2H4), cianido de hidrogênio (HCN), metilacetileno (C3H4), propano (C3H8), diacetileno (C4H2), cianoacetileno (HC3N), cianogeno (C2N2), e dióxido de carbono (CO2), entre outros [2, 3].
A superfície do satélite saturniano não foi enxergada pelas Voyagers mas esse problema foi superado com a chegada da sonda orbital Cassini e a sonda Huygens em 2004. As descobertas realizadas pelo sistema Cassini-Huygens incluem a forte conexão entre a atmosfera e a superfície de Titan. O material orgânico existente sobre a superfície do satélite foi formado por processos químicos e físicos ocorridos em sua atmosfera.
Os estudos realizados (i) a partir de observações da Terra, (ii) do sensoriamento remoto de sondas orbitais, (iii) de sondas na superfície, (iv) de experimentos em laboratório e (v) de modelos teóricos, permitiram que se conseguisse uma boa compreensão da atmosfera de Titan. Sabe-se que os principais constituintes são o N2 e o metano (CH4), que é o alcano mais simples. Por receber apenas 1% da energia solar que chega à Terra, Titan tem uma temperatura de 94 K em sua superfície, como comentado acima. Aliado ao fato de que a pressão é de aproximadamente 1,5 bar, isso significa que na superfície as condições são tais que o ambiente está pouco acima do ponto triplo do metano, permitindo a existência de gás na atmosfera e líquido na superfície. Em outras palavras, existe um ciclo "metanológico" em Titan, similar ao ciclo hidrológico na Terra [2].
Devido à menor gravidade de Titan, comparada à do nosso planeta, a atmosfera do satélite se estende por uma maior altura [2]. Para facilitar o entendimento, a atmosfera de Titan é separada em quatro principais extratos, assim como a da Terra: troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera. Não foi observada nenhuma correlação entre temperatura e latitude,indicando que a influência da energia solar é pequena para definir esse parâmetro no satélite de Saturno. Por outro lado, quando Titan encontra-se dentro da magnetosfera de Saturno, suas temperaturas são maiores, e menores quando encontra-se fora.
A radiação ultravioleta do Sol é responsável pela dissociação e ionização do N2 e do CH4, dando origem a reações químicas que resultam na destruição irreversível do CH4, levando à formação do H2 e outras moléculas orgânicas como os hidrocarbonetos e nitrilos:
CH4 + h𝜈 → CH3 + H; CH4 + h𝜈 → CH2 + H2; CH4 + h𝜈 → CH + H2 + H.
A agregação dessas moléculas e a produção de aerosóis fornece a cor laranja característica da atmosfera de Titan. Na verdade, existem várias fontes de ionização e dissociação nessa atmosfera; além da radiação ultravioleta e ultravioleta extremo (EUV), também estão disponíveis elétrons da magnetosfera de Saturno, fotoelétrons (oriundos de elétrons de fótons EUV e de raios-X solares), íons energéticos (prótons, oxigênio), íons metálicos e raios cósmicos galácticos [2]. A radiação solar é a energia dominante para levar a cabo as reações químicas na atmosfera de Titan, p.ex., sendo responsável por cerca de 90% da destruição do N2. A molécula de C2H2 é particularmente importante porque absorve acima de 5,17 ev (240 nm), que é uma região com um bom fluxo de energia. O C2H2 e C4H2 absorvem fótons com energias mais baixas do que CH4 e dissociam formando C2H ou C4H, que então reagem com o metano para produzir radicais metil (CH3) e C2H2 e C4H2, que funcionam como substâncias catlíticas para a destruição do metano, utilizando fótons que o metano não absorve:
C2H2 + h𝜈 → C2H + H
C2H + CH4 → CH3 + C2H2.
Muitos modelos fotoquímicos têm sido utilizados para tentar reproduzir a abundância das menores moléculas (tipicamente < 100 Da) na atmosfera de Titan. A Fig. 1 apresenta um resumo com as 10 moléculas mais abundantes geradas fotoquimicamente na estratosfra de Titan.
Imagens e medidas de polarização obtidas pelas sondas Pioneer 11 e Voyager 1 e 2, juntamente com modelos teóricos sugeriram que os aerosóis da atmosfera de Titan seriam compostos por matéria orgânica com agregados fractais [4]. É interessante que foi observada uma assimetria norte-sul nas hazes (haze significando partículas não voláteis geradas fotoquimicamente). Atualmente, sabe-se que as partículas haze estão presentes desde a superfície de Titan até a ionosfera. Os hazes são as fontes dominantes para a opacidade de radiação com comprimentos de onda menores do que 5 micras, acreditando-se que ele contribua para esfriar a superfície e aquecer a estratosfera [2]. Resultados obtidos por ocultação de estrelas observadas por luz ultravioleta através do Cassini Ultra-violet Imaging Spectrograph (UVIS) mostraram a existência de partículas em até incríveis 1000 km de altura e aerosóis em até 850 km [5]. Por sua vez, medidas realizadas através do Cassini Visible and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) indicaram a presença de CH4, C2H6, CH3CN, C5H12, C6H12 e C6H14 como seus possíveis constituintes entre 60 e 500 km.
As observações apontam para a existência de íons pesados e partículas na termosfera/ionosfera de Titan, ou seja, numa região da atmosfera localizda tipicamente entre 1000 e 1400 km de altura. Acredita-se que moléculas de HCN, C2H2 e C2H4, entre outras, são produzidas principalmente na ionosfera, em vez de serem produzidas na estratosfera (~ 200 km). Acredita-se também que na ionosfera são formadas partículas nanoscópicas a partir de uma dimensão de 0,35 nm de raio. À medida que a densidade da atmosfera aumenta, principalmente entre 500 e 650 km, os aerosóis crescem por agregação. Já entre 500 e 400 km, os aerosóis reagem diretamente com a fase gasosa de alguns radicais como o HCCN, que desempenha um papel importante em várias reações químicas [2].
Referências:
[1] V.A. Krasnopolsky, Icarus 201, 226 - 256 (2009).
[2] S.M. Hörst, J. Geophys. Res.: Planets 122, 432 - 482 (2017).
[3] R. Hanel et al., Science 212, 192 (1981).
[4] R.A. Wste, P.H. Smith, Icarus 90, 330 - 333 (1991).
[5] T.T. Kosninem et al., Icarus 216, 507 - 534 (2011).
sexta-feira, 18 de março de 2022
Limpando o ambiente com rejeitos
Resíduos de
mineração são um dos maiores contaminantes do meio ambiente. Eles podem se
constituir em (i) lama, resíduos químicos e material arenoso gerados durante a
concentração do minério são armazenados principalmente em barragens de rejeitos
e em (ii) resíduos de terra (rochas, solo e/ou sedimentos) removidos durante o
processo de escavação para acessar o minério, que se acumulam em pontas de
entulho (ou pilhas de despejo). Na região amazônica a extração da bauxita é um
problema particularmente sério. Assim, a possibilidade de conseguir alguma
aplicação para os rejeitos da bauxita possui um importante apelo.
A bauxita é
composta por alguns óxidos de alumínio, gibbsita Al(OH)3, boehmite
γ-AlOOH e o diásporo α-AlO(OH), misturado com os óxidos de ferro goethita e
hematita, além de caulinita, argila mineral e pequenas quantidades de anatase,
que é o óxido de titânio. No trabalho de Ref. [1] apresenta-se um estudo
no qual os resíduos de lavagem de bauxita - que constituem-se em rejeitos de
mineração - da região amazônica brasileira foram explorados como precursores de
baixo custo para a preparação de hidróxidos duplos do tipo piroaurita (Mg
- Fe - Al - NO3) para ser utilizado como nanoadsorbente. O material
obtido, após uma série de caracterização de suas propriedades físico-químicas,
foi testado quanto à remoção de eritrosina B de soluções aquosas.
Os efeitos nocivos causados pelos
rejeitos de mineração vão desde metais ressuspensos no ar, como poeira de
produtos químicos do processamento do minério, até a contaminação do solo por
metais pesados e a eventual ruptura de barragens de rejeitos, como em Mariana e
Brumadinho. Portanto, a reutilização ou reconversão de rejeitos de mineração em
materiais de alto valor agregado têm sido buscado nos últimos tempos. Entre os inúmeros
tipos de rejeitos de mineração gerados a cada ano, os resíduos da lavagem da
bauxita foram considerados, juntamente com a lama vermelha proveniente do
processamento de bauxita em alumina usando o processo Bayer, como potenciais
candidatos para reutilização em larga escala devido ao enorme impacto ambiental
causado pela extensa mineração em todo o mundo. Os resíduos da lavagem da
bauxita são subprodutos do refino do mineral de alumínio decorrente da
desagregação de materiais secundários (por exemplo, argila) e separação
granulométrica durante o processo de beneficiamento mineral. O alto teor de Fe,
Al, sílica e, em menor grau, o Ti, permite que materiais como a lama vermelha
possuam propriedades únicas (superfície de alta especificidade, porosidade,
etc.) a serem sintetizados a partir de tais rejeitos.
No trabalho da Ref. [1] estudou-se a
adsorção da eritrosina B (EB) por resíduos da bauxita. Este composto foi
escolhido entre diferentes corantes para ser adsorvido por várias
razões. Primeiramente, o EB é empregado para colorir uma ampla gama de produtos
como tecidos (lã, seda e nylon), farmacêuticos, cosméticos, alimentos, etc.
Apesar de seu uso quase onipresente, são conhecidos diversos efeitos
prejudiciais da EB na saúde humana (suspeita de carcinogenicidade, liberação de
iodo afetando a atividade da tireóide,
reação alérgica nos olhos, etc). Em segundo lugar, o EB pertence a uma classe
de corantes (os corantes xantenos) que são notoriamente recalcitrantes (principalmente devido à sua alta solubilidade
em água) para tratamentos convencionais de águas residuais (por exemplo, lodo
ativado biológico). Assim, a investigação da adsorção da EB com material
nanoestruturado oriundo do resíduo da bauxita pode ser uma interessante
alternativa para limpeza do ambiente contaminado com esse tipo de corante.
[1] From mining waste to environmetal remediation: a nanoadsorbent from Amazon bauxite tailings for the removal of erythrosine B dye, R.S. Nascimento, J.A.M. Corrêa, B.A.M. Figueira, P.A. Pinheiro, J.H. Silva, P.T.C. Freire, S. Quaranta, Applied Clay Science 222, 106482 (2022).
quarta-feira, 23 de fevereiro de 2022
Estudando fósseis com raios-X
Os fósseis são objetos de grande interesse geológico e biológico devido ao fato de fornecerem informações sobre como era a vida no nosso planeta há milhões de anos. Existem diversas maneiras de se estudar esse tipo de material. Entre as várias metodologias há a possibilidade de se estudar essas amostras utilizando técnicas de caracterização físico-químicas (uma postagem que já discutiu os fósseis nesse blog foi publicada em 11/10/2016). Aqui, em particular, relembramos um trabalho apresentado há 15 anos por um grupo de pesquisadores do Ceará, do Maranhão e de São Paulo, no qual se mostrou que é possível investigar algumas características dos fósseis através de técnicas experimentais de absorção no infra-vermelho e difração de raios-X. Reproduzimos abaixo uma figura de um fóssil da Bacia do Araripe (período Cretáceo) e o resumo da comunicação científica apresentada no LASMAC2007, 1o. Simpósio Latino Americano sobre Métodos Físicos e Químicos em Arqueologia, Arte e Conservação de Patrimônio Cultural, que ocorreu em São Paulo, SP, Brasil, 11 a 16 de julho de 2007, no MASP – Museu de Arte de São Paulo “Assis Chateaubriand”.