Radiação de calor em nanoescala desafia Lei de Planck

Radiação de calor em nanoescala desafia Lei de Planck

Onda de calor A Física está decididamente sendo invadida por uma "onda de calor" - mais especificamente, sobre mudanças radicais na forma como a ciência compreende e interpreta o calor. Depois de uma proposta inusitada para marcar o tempo pelo calor, demonstrou-se que o calor pode ser manipulado como se fosse luz, usando lentes e espelhos. Mas as duas novidades mais radicais vieram com a demonstração, feita por equipes separadas, de que a energia pode ser transportada diretamente do frio para o calor e que, em escala atômica, o calor se concentra e não aquece todos os lugares. Agora, Christian Wuttke e Arno Rauschenbeutel, da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, fizeram uma descoberta ainda mais surpreendente, que mexe com um dos pilares da física, a chamada Lei de Planck, ou "lei da radiação dos corpos negros". Lei de Planck Em 1900, o físico Max Planck estruturou uma fórmula que descreve a radiação de calor dos corpos como uma função da sua temperatura, estabelecendo as bases para a física quântica. Sua teoria descreve a radiação de uma ampla variedade de objetos, da luz emitida pelas estrelas até a cor de uma bijuteria brilhante, passando pela invisível radiação de calor, que pode ser registrada com câmeras de infravermelho. Mas, embora a teoria possa ser aplicada a muitos sistemas diferentes, o próprio Planck já sabia que ela não era universal e teria que ser substituída por uma teoria mais geral quando objetos muito pequenos fossem envolvidos. Esses objetos muito pequenos começaram a ser envolvidos de fato nas pesquisas com o desenvolvimento das nanociências e com a criação das ferramentas para a nanotecnologia. Em 2009, por exemplo, Sheng Shen e seus colegas do MIT demonstraram que, quando dois objetos muito pequenos ficam próximos o suficiente, abre-se um buraco na Lei de Planck, um fenômeno com possibilidades de aplicação em discos rígidos e na geração de energia termovoltaica: Na distância certa, nanotecnologia fica fora da lei Lei geral da radiação termal Agora, a dupla austríaca trabalhou não com distâncias, mas especificamente com a dimensão das partículas, conforme previsto por Planck. E descobriram que, quando os objetos são menores do que o comprimento de onda da radiação termal, o calor não se irradia da "forma eficiente" verificada nos corpos maiores. Ao verificar isto experimentalmente, os dois cientistas desenvolveram uma teoria mais genérica da radiação termal. E não se trata apenas de uma teoria, a descoberta é importante para o gerenciamento do calor em nanodispositivos - nas dimensões que os processadores de computador estão chegando - e para a ciência dos aerossóis, micropartículas que ficam dispersas na atmosfera e que influenciam o clima. "A radiação térmica de um pedaço de carvão pode ser descrita perfeitamente pela lei de Planck, mas o comportamento das partículas de fuligem na atmosfera só podem ser descritas por uma teoria mais geral, que pudemos agora confirmar em nosso experimento," disse Rauschenbeutel. Impacto dos aerossóis sobre o clima ainda é pouco conhecido Fibras ópticas ultrafinas O experimento consistiu em enviar luz através de fibras ópticas ultrafinas, com um diâmetro de apenas 500 nanômetros. Os pesquisadores então mediram a quantidade de energia óptica que foi convertida em calor e, a seguir, irradiada para o ambiente. "Pudemos mostrar que as fibras levam muito mais tempo para alcançar a temperatura de equilíbrio do que uma simples aplicação da lei de Planck poderia sugerir," disse Rauschenbeutel. "Entretanto, nossos achados estão em perfeito acordo com a teoria mais geral da eletrodinâmica flutuacional, que permite levar a geometria e a dimensão do corpo em consideração," completou o pesquisador. O grupo trabalha com fibras ópticas ultrafinas para transportar informações quânticas. Para isso, é muito importante entender bem o comportamento termal dessas fibras porque qualquer variação no transporte efetivo do calor cria um risco real de que as fibras derretam-se quando os dados são transmitidos. Fonte:Site Inovação Tecnológica

Laser insere gene em células individuais

Transfecção Você certamente já ouviu falar de terapia genética, engenharia genética, animais e plantas geneticamente modificados e etc. Mas você já parou para pensar como é que os pesquisadores manipulam os genes? O termo técnico para a inserção de um gene exógeno em uma célula é transfecção. Há muitos métodos para realizar a transfecção, mas todos tendem a ser complicados e destrutivos, não permitindo um controle preciso sobre a inserção do DNA, obrigando os pesquisadores a destruir um grande número das células até finalmente acertar em uma. Na prática, o que eles fazem é trabalhar com aglomerados de células, selecionando estatisticamente aquelas que devem ter recebido o gene. Transfecção óptica Agora, Muhammad Waleed e seus colegas do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, na Coreia do Sul, usaram luz para criar a técnica mais precisa para inserir DNA nas células disponível até agora. A técnica consiste em usar um laser pulsado para criar nanofuros muito precisos na superfície de uma célula, e, em seguida, enfiar suavemente um pedaço de DNA através do furo usando "pinças ópticas", manipuladores de luz gerados pelo campo eletromagnético de outro laser. A partícula de DNA é colocada sobre a célula, funcionando como guia para o disparo do primeiro laser, que faz o furo bem ao seu lado. A seguir, as pinças ópticas capturam a partícula e enfiam-no pelo furo. "O que é mais fantástico é que tudo isso acontece em uma única célula," comenta o professor Yong-Gu Lee, orientador do estudo. "Até hoje, a transfecção de genes vem sendo realizada em uma grande quantidade de aglomerados de células, e o resultado é calculado como uma média estatística, sem observações em células individuais." Segundo o pesquisador, com a técnica de transfecção óptica, "você pode colocar um gene em uma célula, outro gene numa outra célula, e nenhum gene em uma terceira. Então você pode estudar exatamente como [esse gene] Fonte:http://www.inovacaotecnologica.com.br

Grafeno emite pulsos de laser terahertz

Radiação terahertz

Se o grafeno não tivesse nenhuma outra utilidade e nenhuma outra propriedade interessante, esta seria suficiente para colocá-lo em lugar de destaque. O material é capaz de emitir pulsos de raios laser com comprimentos de onda muito longos, na frequência dos terahertz. A emissão direta de radiação terahertz terá amplo uso na ciência e na tecnologia, mas até hoje ninguém conseguiu construir um laser capaz de fazer isso. Isabella Gierz e seus colegas do Instituto Max Planck, na Alemanha, demonstraram que isso pode ser feito com o grafeno. Funcionamento do laser Um laser amplifica a luz gerando várias cópias idênticas dos fótons - clonando os fótons, por assim dizer. O processo de clonagem dos fótons é chamado de emissão estimulada de radiação - LASER é uma sigla para o termo em inglês para Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação. Um fóton faz com que elétrons no material do laser (um gás ou um sólido) passe de um estado de energia mais alto para um estado de energia mais baixo, emitindo um segundo fóton completamente idêntico. Este novo fóton pode, por sua vez, gerar fótons idênticos - o resultado é uma avalanche de fótons clonados. Uma condição para isso é ter mais elétrons no estado de energia mais elevado do que no estado de energia mais baixo - em princípio, todos os semicondutores podem satisfazer este critério. Isabella Gierz descobriu que o mesmo é verdade para o grafeno. Semicondutor sem bandgap A descoberta é surpreendente porque o grafeno não tem uma propriedade semicondutora clássica, chamada bandgap. A bandgap é uma região de estados de energia "proibidos", que separam o estado fundamental dos elétrons de um estado excitado, de maior energia. Sem excesso de energia, o estado excitado acima da bandgap será quase vazio, e o estado fundamental abaixo da bandgap quase completamente preenchido. O efeito avalanche necessário para fazer o laser é conseguido pela chamada "inversão da população", adicionando energia para que os elétrons saltem por essa barreira. No entanto, a banda proibida no grafeno é infinitesimal. "No entanto, os elétrons no grafeno se comportam de forma semelhante às de um semicondutor clássico," ressalta Gierz. Embora pareça um contrassenso, isso significa que o grafeno poderia ser descrito como um "semicondutor de bandgap zero". Devido à ausência de bandgap, a inversão de população no grafeno só dura cerca de 100 femtossegundos - menos de um trilionésimo de segundo. E é justamente aí que está a vantagem. "É por isso que o grafeno não pode ser usado para lasers contínuos, mas potencialmente pode gerar pulsos ultracurtos de laser," esclarece Gierz. O grafeno pode então ser utilizado para amplificar a luz laser com comprimentos de onda muito longos - a radiação terahertz. Largura de banda Até hoje, a radiação terahertz tem sido produzida usando os chamados processos ópticos não lineares, relativamente ineficientes. Além disso, a gama de comprimentos de onda disponível é muitas vezes limitada pelo material não-linear utilizado. O grafeno, por sua vez, pode ser usado para a amplificação de banda larga de comprimentos de onda arbitrariamente longos. Fonte:http://www.inovacaotecnologica.com.br