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Supermateriais: física quântica diante dos seus olhos

Líquidos desafiam a gravidade e sobem por paredes, discos de metal flutuam diante de seus olhos. Esses são alguns dos efeitos macroscópicos criados pela física quântica.



A física quântica contém mistérios capazes de surpreender até mesmo as mentes mais criativas. Imagine você um líquido capaz de desafiar a gravidade e subir pelas laterais do recipiente que o contém, escapando logo em seguida. Ou então um disco de metal que simplesmente fica parado no ar, no eixo que você escolher.

Está duvidando? Pois então, assista ao vídeo acima. Podemos esperar dois minutos antes de encher a sua cabeça com a explicação de fenômenos incríveis, que parecem ter saído de mundos inventados por escritores doidões e pintores surrealistas.

Supercondutores: solução para a crise de energia?

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Ao serem resfriados a uma temperatura perto de zero absoluto (-273,15 ºC), muitos metais perdem sua resistência à eletricidade de maneira drástica, transformando-se em supercondutores. Cabos comuns, responsáveis por conduzir a eletricidade dos geradores até as nossas casas, acabam perdendo cerca de 10 por cento da energia em forma de calor, por causa de sua resistência. Já os supercondutores não perdem energia alguma.

Como se não bastasse, esses materiais geram um campo magnético muito forte e, não por acaso, são usados na construção do Grande Colisor de Hádrons (LHC) para conduzir as partículas por um caminho específico e, também, auxiliar na detecção de eventos causados por uma colisão.

Além disso, há também a possibilidade de supercondutores armazenarem grandes quantidades de energia. Isso poderia ser usado, por exemplo, em conjunto com recursos renováveis. Como a produção de energia eólica, solar e hidráulica é um bocado imprevisível, esses supercondutores poderiam guardar a quantidade extra produzida quando a demanda fosse baixa. Assim, o problema de energia do mundo poderia ser resolvido.

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Descobertos em 1911, esses metais gelados também possuem outra característica impressionante: o efeito de flutuação demonstrado no vídeo acima. Basta soltar um supercondutor sobre um ímã para que ele fique parado no ar. Isso acontece porque o campo magnético do ímã acaba fazendo com que o supercondutor também crie o seu próprio campo. A repulsão mútua entre eles faz, então, com que o supercondutor paire sobre o ímã.

Isso poderia ser usado, por exemplo, em sistemas de transporte: um trem flutuando sobre os trilhos não teria atrito e, portanto, se deslocaria a uma velocidade muito alta. Já existem trens experimentais no Japão e na China que se beneficiam dessa tecnologia. Entretanto, os tais maglev, como são conhecidos os trens, não usam metal como supercondutor, já que o custo para mantê-lo resfriado seria muito alto. Em vez disso, é empregada uma cerâmica que pode superconduzir a temperaturas bem mais altas, sendo refrigerada com nitrogênio líquido e tornando o processo mais barato.

Neste ponto, é provável que o leitor mais atento esteja se perguntando: se os trens precisam de uma refrigeração especial para continuar a levitar, como pode os supercondutores funcionarem tão bem no LHC? A resposta, é claro, está em outro material fantástico.

Superfluido: o primo líquido do supercondutor



Ao esfriar o hélio líquido a uma temperatura abaixo de -271 ºC, o elemento também ganha supercapacidades. Para começar, ele perde toda a sua viscosidade, ou seja, o seu atrito interno, chegando a possuir menos resistência do que qualquer gás. Dessa forma, ao ser armazenado com equipamentos comuns, o superfluido pode escapar pelos minúsculos poros de uma vasilha e até mesmo escalar suas laterais para escapar da “prisão”, já que de tão fluído o líquido não possui sequer tensão superficial.

Apesar de bacanas de serem observados (assista ao vídeo acima), esses fenômenos não possuem muita aplicação prática. Em compensação, não podemos dizer o mesmo das capacidades térmicas do superfluido. Se retirarmos um líquido comum da geladeira, por exemplo, ele esquentará à medida em que o tempo for passando. O mesmo ocorre se o fluido for agitado depois de sair da refrigeração.

Mas com o superfluido, isso não acontece. Ele é capaz de manter a temperatura absurdamente baixa por um longo período de tempo, sendo empregado, inclusive, para resfriar os supercondutores espalhados ao longo dos 27 quilômetros de circunferência que compõem o LHC. Para se ter uma ideia, a temperatura do “super-hélio” aumenta em menos de 0,10 ºC a cada quilômetro percorrido. Sem o superfluido, seria impossível a construção dessa máquina.

Por que isso tudo acontece?

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Basicamente, esses fenômenos são resultados do mundo quântico, ou seja, de ações que acontecem dentro dos átomos de um elemento. A temperatura próxima ao zero absoluto faz com que as partículas subatômicas (bósons) de um elemento se comportem de maneira que chega a alterar o estado da matéria, transformando-se no que os físicos chamam de condensado de Bose-Einstein.

No caso do superfluido, a temperatura baixíssima faz com que os átomos de hélio acabem se comportando como se fossem um único átomo gigante, com o menor nível de energia possível. Suas características estranhas surgem a partir desse momento.

A viscosidade de um líquido é a dissipação de energia por meio da fricção interna de suas partículas, mas como o condensado já possui o menor nível de energia possível, ele não tem como dissipá-la ainda mais, perdendo assim essa característica.

Além disso, se você suspender uma porção desse superátomo, ele acaba adquirindo mais energia potencial gravitacional, criando uma situação de desequilíbrio para o superfluido. Assim, o líquido acaba “escalando” as laterais de um recipiente como forma de voltar ao equilíbrio original.

Os supercondutores também são um condensado de Bose-Einstein, mas por razões diferentes das do superfluido. Grosso modo, sob o frio congelante de quase zero absoluto, os pares de elétrons também perdem a capacidade de dissipar energia e passam a se comportar do modo estranho que vimos neste artigo.

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E, de acordo com a revista New Scientist, isso não é tudo: há estados ainda mais estranhos da matéria. O hélio, por exemplo, pode ser manipulado até se tornar sólido. Para isso, é necessária uma temperatura ainda mais baixa (-272 ºC) e uma pressão atmosférica 25 vezes maior do que a da Terra. Nesse estado, o hélio bagunça completamente a nossa noção de solidez, permitindo que , sob condições especiais, esse sólido possa atravessar por dentro de outro, como se fosse um fantasma passando por uma parede.

Esse fenômeno ainda mais esquisito foi observado, pela primeira vez, em 2004, por pesquisadores de uma universidade na Pensilvânia. Na ocasião, eles observaram que uma frequência ressonante na vasilha que agitava um pouco de hélio sólido se comportava como se houvessem dois “objetos” lá dentro, que atravessavam um o outro.

Depois disso tudo, esperamos que você consiga dormir novamente. Aqui, na redação do Tecmundo, ainda estamos passando algumas noites em claro, pensando em quão esquisito é o mundo quântico e torcendo, ansiosamente, para que a ciência faça descobertas ainda mais intrigantes.


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