Brasileira propõe nova teoria para primeiras estrelas do Universo

Maria Guimarães - Agência Fapesp - 28/04/2011

Astrônoma brasileira propõe que estrelas mais antigas do Universo giravam muito rapidamente.[Imagem: Stacy et al./Mon.Not.Astron.Soc.]

No início da formação do Universo, estrelas de vida curta e de grande massa (pelo menos dez vezes a massa do Sol) eram as principais fábricas de elementos químicos que entravam na composição de novas estrelas.

Além de grandes, esses corpos celestes giravam depressa, propõe um estudo liderado pela astrônoma brasileira Cristina Chiappini, que trabalha no Instituto Leibnitz para Astronomia de Potsdam, na Alemanha.

"A presença de alguns elementos em estrelas antigas só pode ser explicada se as estrelas massivas da época tivessem rotação rápida", disse Cristina.

Bário e lantânio

A ideia brotou do trabalho de Beatriz Barbuy, professora titular do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP), que em 2009 publicou um artigo no qual analisou estrelas muito velhas - por volta de 12 bilhões de anos - no centro da Via Láctea.

A pesquisadora examinou imagens captadas pelo Very Large Telescope (VLT), do Observatório Europeu do Sul (ESO), que registram os espectros de elementos que compõem a atmosfera dos corpos celestes.

Ela então notou uma abundância excessiva de bário e lantânio, elementos pesados que precisam de um processo lento para se formarem.

Só que essas estrelas nasceram no início da formação do Universo, quando ainda não tinha passado tempo suficiente para que esses elementos se formassem da forma tradicionalmente aceita. "Mas ninguém percebeu essa dica no meu trabalho, até que a Cristina o leu com atenção", disse Barbuy.

Estrelas de alta rotação

Cristina leu e logo percebeu a ligação com o trabalho do grupo do Observatório de Genebra, a que está associada, com modelos de alta rotação de estrelas.

A rotação poderia explicar a presença desses metais porque funciona como uma batedeira. A rotação da estrela mistura as camadas nas quais o ferro se formou com outras ricas em nêutrons, que são adicionadas ao ferro, dando origem a elementos mais pesados.

Cristina então entrou em contato com Barbuy e pediu que verificasse por meio dos espectros a quantidade de outros metais, como ítrio e estrôncio, nessas estrelas antigas.

A professora do IAG voltou às imagens e o que viu se encaixou exatamente no modelo de Cristina: só estrelas de grande massa em rotação vigorosa poderiam gerar aqueles elementos nas quantidades necessárias para compor as anciãs ainda vivas hoje.

Merecer para observar

Não é a única explicação possível, mas é a mais plausível. A conclusão é ainda mais forte porque dois pesquisadores do grupo de Genebra, proponentes de outro modelo para explicar a evolução química da galáxia, também assinam o artigo na Nature.

"O modelo deles explica a evolução de algumas estrelas nesse aglomerado, mas o nosso explica todas", disse Cristina. Para Barbuy, o trabalho quebra um paradigma aceito pela maior parte dos pesquisadores na área.

"Há 30 anos, um autor falou que as estrelas velhas são compostas por elementos formados por um processo rápido, e mostramos que não é assim", afirmou.

É um grande passo, mas as duas pesquisadoras brasileiras veem a publicação do artigo como um início de algo maior. Com a repercussão que o trabalho deve ter, elas esperam conseguir mais tempo de observação no VLT e no Hubble, telescópios disputados por pesquisadores do mundo todo e cujo uso é determinado por mérito.

"Precisamos melhorar os modelos. Mas incluir outros metais é um processo muito lento", disse Cristina.

Não é para menos. Os elementos que as estrelas criam - e lançam no gás do Universo quando morrem - não só formam outras estrelas como também o Sol, a Terra e os corpos de seus habitantes. Não é uma busca modesta.

Bibliografia:

Imprints of fast-rotating massive stars in the Galactic Bulge
Cristina Chiappini, Urs Frischknecht, Georges Meynet, Raphael Hirschi, Beatriz Barbuy, Marco Pignatari, Thibaut Decressin, André Maeder
Nature
27 April 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nature10000

Papel de grafeno é 10 vezes mais resistente do que o aço

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/04/2011

Comparado com o aço, o papel de grafeno é seis vezes mais leve, tem uma densidade de cinco a seis vezes menor, é duas vezes mais duro, tem 10 vezes mais resistência à tração e 13 vezes maior rigidez de flexão. [Imagem: Lisa Aloisio]

Cientistas australianos afirmam ter desenvolvido um material compósito baseado no grafite que é tão fino quanto papel, mas mais forte do que o aço.

O Dr. Guoxiu Wang e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Sidnei batizaram seu material de "papel de grafeno".

Papel de grafeno

O grafeno, um material bidimensional formado por uma única camada de átomos de carbono, vem impressionando os cientistas pela sua versatilidade e variedade de aplicações possíveis.

O papel de grafeno não foi construído empilhando-se monocamadas de carbono.

Em vez disso, os cientistas moeram o grafite e o submeteram a uma série de reações com compostos químicos para purificá-lo e forçar uma alteração na sua estrutura atômica.

Essas configurações nanoestruturadas foram então processadas para formar folhas finas como papel.

Ao analisar o material resultante, ficou patente que o compósito era resultado do empilhamento de monocamadas hexagonais de grafite - ou seja, folhas de grafeno -, dispostas em estruturas laminares perfeitamente ordenadas.

Usando um método de síntese e tratamento térmico, a equipe produziu então um material com propriedades mecânicas extraordinárias.

Comparação com o aço

Comparado com o aço, o papel de grafeno é seis vezes mais leve, tem uma densidade de cinco a seis vezes menor, é duas vezes mais duro, tem 10 vezes mais resistência à tração e 13 vezes maior rigidez de flexão.

"As propriedades mecânicas excepcionais do papel de grafeno que sintetizamos fazem dele um material promissor para aplicações comerciais e de engenharia," afirma Ali Reza Ranjbartoreh, que desenvolveu o processo de fabricação do novo compósito.

"Ele não apenas é leve, forte, duro e mais flexível do que o aço, como também é reciclável e pode ser fabricado de forma sustentável, sendo ambientalmente amigável e barato," diz o pesquisador.

Como os demais materiais à base de carbono - fibras e compósitos - o papel de grafeno deverá ter aplicações sobretudo na indústria automotiva e aeroespacial, permitindo o desenvolvimento de carros e aviões mais leves, mais seguros e mais econômicos.

Bibliografia:

Advanced mechanical properties of graphene paper
Ali R. Ranjbartoreh, Bei Wang, Xiaoping Shen, Guoxiu Wang
Journal of Applied Physics
Vol.: 109, 014306 (2011)
DOI: 10.1063/1.3528213

Vírus transformam roupas em baterias recarregáveis de última geração

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/08/2010

A base das baterias de vestir é o vírus bacteriófago M13, um vírus filamentoso, composto de 2.700 cópias de uma proteína externa (pVIII), que é muito fácil de ser modificado genética e quimicamente.[Imagem: Angela Belcher Group]

Baterias na roupa

Cientistas do MIT descobriram como usar um vírus comum para desenvolver materiais a serem utilizados em uma nova geração de baterias recarregáveis de íons de lítio de alto desempenho.

A principal vantagem dessa biotecnologia é que as baterias serão flexíveis o suficiente para serem incorporadas na roupa, alimentando equipamentos eletrônicos portáteis e "computadores de vestir".

Segundo Mark Allen, que apresentou o avanço nesta segunda-feira durante a reunião anual da American Chemical Society (ACS), essas "baterias confortáveis" poderão alimentar telefones celulares, tocadores de MP3, GPS e vários outros equipamentos de baixo consumo.

"Nós estamos falando sobre tecidos que também são baterias," disse Allen. "As baterias, uma vez tecidas nas roupas, poderão fornecer energia para uma vasta gama de dispositivos de alta tecnologia, incluindo rádios portáteis, aparelhos de GPS e assistentes pessoais digitais."

Baterias de vírus

As baterias produzem eletricidade convertendo energia química em energia elétrica através de dois eletrodos - um anodo e um catodo - separados por um eletrólito.

O que os pesquisadores fizeram foi desenvolver novos catodos feitos de fluoreto de ferro, um material que poderá em breve permitir a fabricação de baterias leves e flexíveis.

Teoricamente, essas baterias terão perda mínima de potência quando sem uso e suportarão um número de ciclos de carga e descarga muito superior às atuais.

Allen está prosseguindo o trabalho da sua orientadora, Angela Belcher, cujo grupo foi o primeiro a projetar um vírus que serve como uma espécie de molde biológico para a criação dos anodos e catodos para baterias de lítio - vejaBaterias feitas com vírus estão a um passo de chegar ao mercado.

O vírus, chamado bacteriófago M13, é um vírus filamentoso, composto de 2.700 cópias de uma proteína externa (pVIII), que é muito fácil de ser modificado genética e quimicamente. O M13 infecta bactérias mas é inofensivo para os seres humanos.

Baterias verdes

"Usar o bacteriófago M13 como um molde é um exemplo de química verde, um método de fabricar baterias que respeita o meio ambiente," disse Allen. "[A técnica] permite o processamento de todos os materiais à temperatura ambiente e na água."

E esses materiais, segundo ele, seriam menos perigosos do que aqueles usados nas atuais baterias de íons de lítio porque eles produzem menos calor, o que reduz os riscos de que peguem fogo - uma boa notícia, uma vez que a ideia é que as pessoas vistam essas baterias.

Segundo Allen, o grupo está nos estágios iniciais dos testes e da fabricação em maior escala das baterias feitas com vírus, incluindo experimentos para a alimentação de aviões robóticos não-tripulados para operações de vigilância.

Vírus aumenta eficiência de célula solar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/04/2011

Neste diagrama, o vírus M13 consiste em uma fita de DNA (o formato de 8 à direita) acoplado a um conjunto de proteínas chamadas peptídeos - o vírus recobre as proteínas (em forma de saca-rolhas, no centro), que se ligam aos nanotubos de carbono (cilindros cinza), mantendo-os no lugar. Um revestimento de dióxido de titânio (esferas amarelas) ligado às moléculas de corante (esferas rosa) envolve o conjunto.[Imagem: Matt Klug/Biomolecular Materials Group]

Contaminação benéfica

Cientistas conseguiram uma melhoria significativa na eficiência das células solares com a ajuda de um personagem inusitado: um vírus.

Os pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, estavam explorando o fato já conhecido de que osnanotubos de carbono podem melhorar a eficiência das células solares na conversão da luz em energia elétrica.

Embora demonstrado em escala de laboratório, o uso dos nanotubos de carbono é dificultado por dois problemas.

O primeiro é que o processo de fabricação dos nanotubos gera uma mistura de dois tipos deles, alguns que funcionam como semicondutores - ora deixam passar a corrente, ora não - e alguns que funcionam como metais - que sempre permitem a passagem da corrente elétrica.

A nova pesquisa demonstrou pela primeira vez que os efeitos dos dois tipos de nanotubos tendem a ser diferentes, com os nanotubos semicondutores melhorando o desempenho das células solares e os nanotubos metálicos apresentando o efeito oposto.

Vírus M13

O segundo problema é que os nanotubos tendem a se aglomerar assim que se formam, o que reduz sua eficiência - o processo de fabricação tende a formar algo mais parecido com uma moita de bambus do que bambus individuais.

É aí que entrou o vírus, resolvendo o problema da aglomeração dos nanotubos.

Xiangnan Dang e seus colegas descobriram que uma versão geneticamente modificada de um vírus conhecido como M13, que geralmente infecta bactérias, pode ser usada para controlar o arranjo dos nanotubos em uma superfície, mantendo-os isolados.

Com isto, os nanotubos não grudam uns nos outros e não causam curtos-circuitos dentro da célula solar.

Ganho de eficiência

Nos testes, a estrutura de nanotubos otimizada pelo vírus aumentou a eficiência da célula solar de 8% para 10,6% - um aumento de quase um terço.

O conjunto de nanotubos e vírus representou um acréscimo de peso da célula solar de aproximadamente 0,1%.

O grupo usou um tipo de célula solar de baixo custo, conhecida como DSC ("Dye-sensitized Solar Cells" - células solares sensibilizadas por corante).

Nesta célula solar, a camada ativa, que converte a luz em eletricidade, é composta por dióxido de titânio, e não silício, como nas células solares cristalinas tradicionais.

Mas os cientistas afirmam que a técnica poderá ser aplicada em outros tipos de células solares, incluindo as cristalinas, feitas de silício, as orgânicas e até ascélulas solares feitas de pontos quânticos.

Papel do vírus

Os vírus realizam duas funções diferentes no sistema.

Primeiramente, eles fazem com que pequenas proteínas (peptídeos) se unam fortemente aos nanotubos, mantendo-os separados uns dos outros e fixando-os na superfície da célula solar.

Cada vírus é capaz de segurar de cinco a dez nanotubos, cada um dos quais é mantido no lugar por cerca de 300 peptídeos de cada M13.

Em segundo lugar, os vírus foram induzidos geneticamente a produzir um filme de dióxido de titânio, o ingrediente fundamental das células solares utilizadas na pesquisa, sobre cada um dos nanotubos de carbono.

Isso aproxima o dióxido de titânio dos nanotubos, que funcionam como fios para transportar os elétrons, facilitando o transporte das cargas geradas.

As duas funções são desempenhadas pelos mesmos vírus, em processos sucessivos, o que é alcançado alterando-se a a acidez do meio. Esta possibilidade de "chaveamento" das funções do vírus é uma ferramenta importante, tendo sido agora demonstrada pela primeira vez.

Papel dos nanotubos de carbono

Os nanotubos de carbono, por sua vez, otimizam um passo específico do processo de conversão da luz em eletricidade.

Em uma célula solar, o primeiro passo consiste em aproveitar a energia dos fótons para arrancar elétrons do material da célula - normalmente é usado o silício; no caso da célula utilizada neste experimento, este material é o dióxido de titânio.

Então, esses elétrons devem ser direcionados para um coletor, a partir do qual eles formam uma corrente elétrica, que flui para uma bateria ou diretamente para alimentar um equipamento.

Depois disso, eles retornam para o material por meio do outro eletrodo, e o ciclo se reinicia.

Os nanotubos revestidos com dióxido de titânio otimizam sobretudo este segundo passo, ajudando os elétrons a encontrar seu caminho para fora da célula solar.

Energia, vírus e DNA

Há cerca de dois meses, outro grupo de pesquisadores descobriu uma forma de usar moléculas de DNA para fazer com que células solares orgânicas, também utilizando nanotubos de carbono, se regenerem e não percam eficiência ao longo de sua vida útil:

• Célula solar usa moléculas de DNA para se regenerar

Os vírus M13 geneticamente modificados também já foram usados em outros experimentos na área de energia e fotossíntese artificial:

• Vírus transformam roupas em baterias recarregáveis de última geração
• Fotossíntese artificial: vírus é usado para quebrar molécula de água

Bibliografia:

Virus-templated self-assembled single-walled carbon nanotubes for highly efficient electron collection in photovoltaic devices
Xiangnan Dang, Hyunjung Yi, Moon-Ho Ham, Jifa Qi, Dong Soo Yun, Rebecca Ladewski, Michael S. Strano, Paula T. Hammond, Angela M. Belcher
Nature Nanotechnology
24 April 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2011.50

Energia solar pode ser possível sem células solares

Universidade de Michigan - 26/04/2011

Cientistas descobriram que o magnetismo da luz pode ser milhões de vezes mais forte do que o previsto pela teoria atual.[Imagem: L.Kuipers & Tremani/Science]

Bateria óptica

Um dramático e surpreendente efeito magnético da luz pode gerarenergia solar sem as tradicionais células solares fotovoltaicas.

Os pesquisadores descobriram uma maneira de construir uma "bateria óptica".

"Você pode olhar para as equações de movimento durante todo o dia e você não vai ver essa possibilidade. Todos aprendemos na escola que isso não acontece," conta Stephen Rand, da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos.

"É uma interação muito estranha. É por isso que ela passou batida por mais de 100 anos," diz ele.

Magnetismo da luz

A luz tem componentes elétricos e magnéticos. Até agora, os cientistas acreditavam que os efeitos do campo magnético da luz eram tão fracos que eles poderiam ser ignorados.

• Magnetismo da luz é medido diretamente pela primeira vez

O que Rand e seus colegas descobriram é que, na intensidade certa, quando a luz viaja através de um material que não conduz eletricidade, o campo de luz pode gerar efeitos magnéticos que são 100 milhões de vezes mais fortes do que o anteriormente esperado.

Nestas circunstâncias, os efeitos magnéticos da luz apresentam uma intensidade equivalente à de um forte efeito elétrico.

"Isso pode permitir a construção de um novo tipo de célula solar sem semicondutores e sem absorção para produzir a separação de cargas," afirma Rand. "Nas células solares, a luz entra em um material, é absorvida e gera calor."

"Aqui, esperamos ter uma carga térmica muito baixa. Em vez de a luz ser absorvida, a energia é armazenada como um momento magnético. A magnetização intensa pode ser induzida por luz intensa e, em seguida, é possível fornecer uma fonte de energia capacitiva," explica o pesquisador.

Retificação óptica

O que torna isto possível é uma espécie de "retificação óptica" que nunca havia sido detectada, afirma William Fisher, coautor da pesquisa.

Na retificação óptica tradicional, o campo elétrico da luz provoca uma separação de cargas, distanciando as cargas positivas das negativas no interior de um material. Isto cria uma tensão elétrica, semelhante à de uma bateria.

Este efeito elétrico só havia sido detectado em materiais cristalinos, cuja estrutura atômica apresenta uma certa simetria.

Rand e Fisher descobriram que, sob certas circunstâncias, o campo magnético da luz também pode criar retificação óptica em outros tipos de material.

Bateria solar

"Acontece que o campo magnético começa desviando os elétrons, forçando-os a assumir uma rota em formato de C, e fazendo-os avançar aos poucos," disse Fisher. "Esse movimento das cargas em formato de C gera tanto um dipolo elétrico quanto um dipolo magnético."

"Se pudermos configurar vários desses elementos em linha ao longo de uma fibra poderemos gerar uma tensão enorme; extraindo essa tensão, podemos usar a fibra como uma fonte de energia," explica ele.

Para isso, a luz deve ser dirigida através de um material que não conduz eletricidade, como o vidro. E ela deve ser focalizada a uma intensidade de 10 milhões de watts por centímetro quadrado.

A luz do Sol sozinha não é tão intensa, mas o cientista afirma que seu grupo está procurando materiais que trabalhem com intensidades mais baixas. Por outro lado, concentradores solares de alta eficiência já conseguem aumentar a concentração da luz em quase 2.000 vezes.

"Em nosso trabalho mais recente, mostramos que uma luz incoerente como a luz solar é teoricamente quase tão eficiente em produzir a separação de cargas quanto a luz de um laser," disse Fisher.

Do laser ao Sol

Segundo os pesquisadores, esta nova técnica poderia tornar a energia solar mais barata.

Eles preveem que, com materiais melhores, será possível alcançar uma eficiência de 10 por cento na conversão da energia solar em energia utilizável. Isso é praticamente equivalente à eficiência das células solares vendidas no comércio hoje, embora já existam células solares muito mais eficientes em escala de laboratório.

"Para fabricar as células solares modernas, você precisa de um enorme processamento dos semicondutores", defende Fisher. "Tudo o que nós precisamos são lentes para focar a luz e uma fibra para guiá-la. O vidro é suficiente para essas duas tarefas. Cerâmicas transparentes poderiam ser ainda melhores."

A seguir, os pesquisadores vão trabalhar na transformação da luz em eletricidade usando uma fonte de raios laser. A seguir eles trabalharão com a luz solar.

Recentemente, outro grupo de cientistas construiu um metamaterial capaz de interagir com o campo magnético da luz.

Bibliografia:

Optically-induced charge separation and terahertz emission in unbiased dielectrics
William M. Fisher, Stephen C. Rand
Journal of Applied Physics
Vol.: 109, 064903 (2011)
DOI: 10.1063/1.3561505