Flexoeletricidade: cristal sintético é produzido para gerar energia

Flexibilidade incorporada
Alguns materiais produzem um campo elétrico quando você os dobra - um fenômeno chamado efeito flexoelétrico.
Mas esse efeito era pequeno demais para que se pensasse em aplicações tecnológicas para ele.
Agora, uma equipe coreana descobriu como gerar um grande efeito flexoelétrico a partir de uma fina película fabricada com uma "flexibilidade incorporada".
Eles também descobriram como variar o grau dessa capacidade de flexão e, portanto, a força do campo elétrico gerado.
O efeito pode ser surpreendentemente forte, o bastante para ser útil em sensores e atuadores em nanoescala, como os necessários para movimentar MEMS e micro e nano robôs.
Efeito piezoelétrico
O efeito flexoelétrico é o primo mais novo do já bem conhecido efeito piezoelétrico, em que determinados sólidos desenvolvem um campo elétrico interno quando são comprimidos ou esticados.
O fenômeno tem-se mostrado útil em inúmeros dispositivos, de microscópios eletrônicos de tunelamento e nanogeradores a isqueiros e acendedores de fogão.
Mas ele só ocorre em 20 das 32 classes de simetria de cristais que os cientistas usam para classificar os materiais sólidos.
Materiais que geram um campo elétrico ao serem dobrados, por outro lado, podem ter qualquer classe de simetria.
Efeito flexoelétrico
Flexionar um cristal estica cada uma das suas camadas atômicas em uma intensidade ligeiramente diferente, sendo a camada externa da superfície curvada a que mais se estica.
Esse "gradiente de tensão" pode movimentar alguns íons no cristal o suficiente para gerar um campo elétrico.
O efeito tem sido observado em materiais flexíveis, como os cristais líquidos, o grafeno e até mesmo no cabelo, mas nunca forte o suficiente em um sólido comum para ser útil.
Em vez de começar com um material flexível e dobrá-lo, Tae Won Noh e seus colegas da Universidade Nacional de Seul, na Coreia, construíram o gradiente de pressão diretamente em seu cristal.
A equipe cresceu filmes finos de óxido de manganês e hólmio (HoMnO3), um material que é ferroelétrico, o que significa que ele pode manter um campo elétrico permanente, assim como um material ferromagnético mantém um campo magnético.

Os átomos de cada camada sucessiva, que se condensaram a partir do vapor, ficaram ligeiramente mais próximos uns dos outros do que a camada abaixo. [Imagem: Lee et al./PRL]

Configurando o material
A forma padrão para construir um gradiente de tensão em um filme é fazê-lo crescer camada por camada sobre uma superfície, com os átomos espaçados de forma ligeiramente diferente do cristal "nativo", sobre o qual o material está sendo crescido.
A equipe usou uma superfície de safira, cujo espaçamento atômico é 3,5 por cento maior do que no HoMnO3. Os átomos de cada camada sucessiva, que se condensaram a partir do vapor, ficaram ligeiramente mais próximos uns dos outros do que a camada abaixo, mas esse "relaxamento" em relação ao espaçamento natural variou drasticamente, dependendo da quantidade de oxigênio presente na câmara.
Com baixo teor de oxigênio, o filme formou-se com muitos pontos sem esse elemento, o que reduziu sua capacidade de "apertar" seu espaçamento atômico com a crescente espessura do filme. Assim, o espaçamento da camada superior foi muito maior do que nos filmes gerados com alto teor de oxigênio.
Usando difração de raios X, a equipe detectou gradientes de tensão 10 milhões de vezes maiores do que já havia sido detectado em tiras macroscópicas de materiais semelhantes. Este gradiente de pressão gigantesco produziu um grande campo elétrico através do efeito flexoelétrico.
Normalmente, o campo elétrico dentro de um material ferroelétrico não é uniforme - o material se divide em zonas, cada uma com um campo em uma direção específica.
A equipe capturou imagens destes domínios, que mostraram que o efeito flexoelétrico era forte o suficiente em altas temperaturas, nas amostras com alto teor de oxigênio, para gerar um único domínio no filme.
Mas filmes cultivados em ambiente mais pobre de oxigênio - portanto, com menores gradientes de tensão - apresentaram um efeito menor sobre os domínios e outras propriedades ferroelétricas. Assim, controlar o nível de oxigênio, é a chave para "ajustar" as propriedades do material.
"Você pode usar este campo elétrico para controlar as propriedades físicas do seu sistema", diz Noh. "Ninguém tinha usado o efeito flexoelétrico para controlar esses tipos de propriedades."
Flexoeletricidade
Noh afirma que filmes tensionáveis já existem há décadas, mas ninguém havia prestado atenção no seu efeito flexoelétrico: "Nós estamos dizendo a quem trabalha na área: 'Olhe para eles. Prestem atenção nessas propriedades'."
O principal resultado é que as condições atmosféricas durante o crescimento dos filmes afetam sua flexoeletricidade, comenta Gustau Catalan, do Centro de Pesquisas em Nanociência e Nanotecnologia da Espanha.
"A flexoeletricidade pode, portanto, ser controlada por meio de uma escolha cuidadosa das condições de crescimento, permitindo o ajuste de uma propriedade física importante," diz ele.
Noh afirma que a expectativa é que a piezoeletricidade seja importante nos futuros motores em nanoescala e em memórias para computador. Igualmente, nas magnitudes agora alcançadas, os filmes flexoelétricos também poderão ser importante nesses dispositivos.

Bibliografia:

Giant Flexoelectric Effect in Ferroelectric Epitaxial Thin Films
D. Lee, A. Yoon, S. Y. Jang, J.-G. Yoon, J.-S. Chung, M. Kim, J. F. Scott, T. W. Noh
Physical Review Letters
29 July 2011
Vol.: 107, 057602
DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.057602

Neutrinos supera velocidade da luz

Neutrinos superluminais
Quando, há poucos mais de um ano, cientistas do experimento Opera detectaram neutrinos transmutando-se de um tipo em outro, eles logo falaram da descoberta de uma "nova física".
E eles aparentemente já tinham nas mãos outros resultados ainda mais surpreendentes.
Depois de dois anos de medições, e inúmeras revisões e checagens, eles finalmente resolveram compartilhar sua possível descoberta com outros pesquisadores.
Segundo Antonio Ereditato, da Universidade de Berna, na Suíça, a equipe aparentemente detectou neutrinos viajando mais rápido do que a velocidade da luz.
Quebra da relatividade?
Se neutrinos podem viajar mais rápido do que a velocidade da luz, então o preceito fundamental de que as leis da física são as mesmas para todos os observadores cai por terra.
A ideia de que nada pode viajar mais rapidamente do que a luz é um pilar da teoria da relatividade especial, formulada por Einstein. E esta teoria está na base de toda a física moderna.
Isto sim, pode apontar para uma "nova física" - desde que os outros pesquisadores não encontrem erros no experimento e nas análises.
"Nós tentamos por todos os meios descobrir um erro - erros triviais, erros mais complicados, efeitos impensáveis - mas não conseguimos encontrar nenhum," disse Ereditato.
Depois de tantos cuidados, ele e sua equipe afirmam ter alcançado um nível seis sigma, que indicaria uma descoberta científica realmente válida.
Tudo vai depender do escrutínio que será feito nos dados por equipes de físicos do mundo todo.
"Dadas as potenciais consequências de longo alcance desse resultado, medições independentes serão necessárias antes que o efeito seja refutado ou firmemente estabelecido," disse o CERN em nota.

O feixe de neutrinos percorre 730 km desde o CERN até o laboratório INFN, onde as medições são realizadas. [Imagem: CNRS]

Nano-incerteza
O experimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) está localizado a 1.400 metros de profundidade, no Laboratório Gran Sasso, na Itália.
Um detector ultra-sensível recebe um feixe de neutrinos disparado do laboratório CERN, na Suíça - onde está o LHC - que está localizado a mais de 730 quilômetros de distância.
O que os pesquisadores concluíram é que os neutrinos estão chegando 60 nanossegundos antes do que deveriam.
E isso só pode ser possível se eles estiverem viajando a uma velocidade maior do que 299.792.458 metros por segundo, que é a velocidade exata da luz.
Para checar seus resultados, os cientistas usaram relógios atômicos e avançados sistemas de GPS, conseguindo com isso reduzir a incerteza da distância percorrida pelos neutrinos para 20 centímetros - em relação aos 730 km do feixe.
O tempo de chegada dos neutrinos foi medido com uma incerteza de 10 nanossegundos.
Atalhos em outras dimensões
O físico italiano Antonino Zichichi, falando à revista Nature, levantou a hipótese de que - se os resultados se confirmarem e a física como a conhecemos estiver mesmo desmoronando - então os neutrinos superluminais podem estar pegando atalhos por dimensões extras do espaço, algo que é previsto pela Teoria das Cordas.
Mas tanto Ereditato quanto o CERN são bem mais comedidos.
"As medições do OPERA estão em desacordo com leis da natureza bem estabelecidas, embora a ciência muitas vezes progrida derrubando os paradigmas estabelecidos," diz a nota do CERN.
De fato, não têm faltado medições e estudos em busca de "desvios" da teoria da relatividade de Einstein - até hoje sem sucesso.
"As fortes restrições decorrentes dessas observações tornam improvável uma interpretação da medição do OPERA em termos da modificação da teoria de Einstein, o que nos dá motivos ainda mais fortes para buscar novas medições independentes," conclui a equipe do laboratório.

• Luz supera velocidade máxima da luz - duas vezes

Bibliografia:

Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam
OPERA Colaboration
arXiv
22 Sep 2011
Vol.: arXiv:1109.4897v1
http://arxiv.org/abs/1109.4897