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Cientistas criam o menor motor do mundo, constituído de apenas 16 átomos


Em um estudo publicado no periódico Proceedings of the National Academy of Sciences (1), pesquisadores reportaram a criação do menor motor do mundo: um motor molecular com menos de 1 nanômetro - ou seja, cerca de 100 mil vezes menor do que o diâmetro de um fio de cabelo - constituído de apenas 16 átomos. O motor é movido a energia elétrica ou térmica, e consegue operar de forma unidirecional quase 100% do tempo, mesmo sem energia para tal!

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Assim como um motor de macro-escala (clássico), o novo motor molecular consiste de um estator e de um rotor (uma parte fixa e uma parte móvel). O rotor rotaciona sobre a superfície do estator, e pode assumir seis diferentes posições. E como um motor em macro-escala, o motor molecular converte energia em um movimento direcionado. Essa energia pode pode vir de uma direção aleatória, e o motor em si precisa determinar a direção da rotação usando um esquema de roquete - uma roda dentada acoplada a uma lingueta que permite o movimento em apenas uma direção. No entanto, o motor molecular criado opera de forma oposta ao que acontece no mundo macroscópico com sua roda assimetricamente dentada: o movimento flui na direção de "bloqueio da lingueta" devido à menor energia envolvida, tornando o movimento na direção "livre" menos provável.

Os pesquisadores conseguiram implementar esse princípio "inverso" de roquete em uma variante mínima ao usar um estator com uma estrutura basicamente triangular consistindo de seis átomos de paládio e seis átomos de gálio. A estrutura, nesse sentido, se torna rotacionalmente simétrica, mas não espelho-simétrica. Como resultado, o rotor (uma molécula simétrica de acetileno, C2H2) consistindo de quatro átomos pode rotacionar continuamente, apesar das rotações no sentido horário e no sentido anti-horário precisarem ser diferentes. No final, o rotor acaba tendo uma estabilidade direcional de 99%, o que o torna bem distinto de outros motores moleculares.



O minúsculo motor pode ser alimentado tanto por energia térmica quanto por energia elétrica. Energia térmica faz com que o movimento rotatório direcional do motor mude para rotações em direções aleatórias - a temperatura ambiente, por exemplo, o rotor rotaciona para frente e para trás de forma completamente aleatória a vários milhões de revoluções por segundo. Em contraste, energia elétrica gerada por um microscópio de escaneamento eletrônico, da ponta do qual uma pequena corrente flui para o motor, pode causar rotações direcionais. A energia de um único elétron é suficiente para fazer os rotores continuarem a rotacionar por apenas um sexto de uma revolução. Quanto maior a quantidade de energia fornecida, maior a frequência do movimento - mas, ao mesmo tempo, mais provável fica o rotor de se mover em uma direção aleatória, já que muita energia pode "atropelar" o linguete/rotor e levar a um movimento na direção "errada".

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Outra característica interessante do motor molecular é a não necessidade de uma energia mínima para funcionar. As leis da física para um motor clássico só permitem que o rotor entre em movimento contra a resistência do linguete caso uma energia mínima seja fornecida, ou, caso contrário, o rotor para. Os pesquisadores encontraram que para o novo motor molecular, é possível observar uma rotação de frequência constante em uma única direção mesmo abaixo do limite energético mínimo: a temperaturas abaixo de 14 Kelvin (-256°C) ou sob uma tensão aplicada inferior a 30 milivolts. Essa façanha aparentemente impossível se torna comum no nível atômico. Via tunelamento, existe sempre a probabilidade da barreira energética ser ultrapassada, mesmo sem energia para tal no sistema (I).

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(I) Leitura recomendada: O que é o Demônio de Maxwell?

Esse efeito quântico de tunelamento também acaba gerando uma aparente quebra da 2° Lei da Termodinâmica observadas durante o funcionamento do motor em termos de entropia. É geralmente assumido que fricção não é gerada durante o tunelamento, mas, ao mesmo tempo, nenhuma energia mínima está sendo fornecida ao sistema (no caso do motor funcionar sem energia mínima). O movimento, então, deveria ter a mesma chance de ocorrer para ambas as direções (horário e anti-horário) - desordenado -, porém, o movimento continua sempre na mesma direção - ordenado. Para explicar isso, é provável que existe alguma perda de energia durante o tunelamento ainda não esclarecida - ou talvez nem prevista pela teoria quântica padrão.

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OBSERVAÇÃO: Motores moleculares também existem na natureza. Um exemplo bem conhecido são as miosinas, motores proteicos que atuam de forma crucial nos organismos vivos na contração de músculos e no transporte de outras moléculas entre células. Aliás, a conversão de energia não-direcionada em movimento direcionado em escalas moleculares é a base para movimentos controlados em organismos vivos.
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(1) Publicação do estudo: PNAS

Cientistas criam o menor motor do mundo, constituído de apenas 16 átomos Cientistas criam o menor motor do mundo, constituído de apenas 16 átomos Reviewed by Saber Atualizado on junho 20, 2020 Rating: 5

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