Representação artística de uma partícula quântica. Foto: Shutterstock
Experimentos em escala nano revelam que efeitos quânticos podem transmitir calor entre objetos separados por um espaço vazio, sem a necessidade de radiação
Logo no início da vida, as crianças aprendem que tocar um fogão quente ou mesmo chegar perto do fogo pode queimá-las. Sejam transmitidas por contato direto ou por raios de luz que viajam pelo espaço, as dolorosas lições sobre a transferência de calor são tão intuitivas quanto inesquecíveis. Agora, no entanto, os cientistas descobriram uma nova maneira inusitada que o calor pode usar para ir de um ponto A ao B. Através das propriedades bizarras da mecânica quântica do espaço vazio, o calor pode viajar de um lugar para outro sem a ajuda de nenhuma luz.
De modo geral, o calor é a energia que surge dos movimentos das partículas — quanto mais rápido elas se movem, mais quentes são. Nas escalas cósmicas, a maioria das transferências de calor ocorre no vácuo por meio fótons, as partículas de luz emitidas pelas estrelas — é assim que o Sol aquece nosso planeta, mesmo estando a cerca de 150 milhões de quilômetros de distância. Aqui na Terra, o fluxo de calor é geralmente mais íntimo, ocorrendo através do contato direto entre materiais e auxiliado pela vibração coletiva de átomos conhecidos como fônons.
Por muito tempo pensou-se que os fônons não conseguiam transferir energia térmica através do espaço vazio; eles exigem que dois objetos toquem ou, pelo menos, entrem em contato mútuo com um meio adequado, como o ar. Esse princípio explica como as garrafas térmicas mantêm seu conteúdo quente ou frio: elas usam uma parede com um vácuo para isolar a câmara interna. No entanto, cientistas especulam há anos sobre a possibilidade de os fônons transmitirem calor através do vácuo, com base no fato de que a mecânica quântica dita que um espaço nunca pode estar verdadeiramente vazio.
A mecânica quântica sugere que o Universo é inerentemente confuso — por exemplo, por mais que se tente, nunca é possível determinar o momento e a posição de uma partícula subatômica ao mesmo tempo. Uma consequência dessa incerteza é que o vácuo nunca está completamente vazio, mas está sempre vibrando com flutuações quânticas — as chamadas partículas virtuais que constantemente surgem e desaparecem da existência. “O vácuo nunca é totalmente vazio”, diz Xiang Zhang, físico da Universidade da Califórnia em Berkeley, e autor sênior do novo estudo sobre transferência de calor por fônon, publicado na revista Nature em 11 de dezembro.
Décadas atrás, os cientistas descobriram que as partículas virtuais não eram apenas possibilidades teóricas, mas que podiam sim gerar forças detectáveis. O efeito Casimir, por exemplo, é uma força de atração observada entre certos objetos próximos, como dois espelhos colocados juntos no vácuo. Essas superfícies se movem devido à força gerada pelos fótons virtuais que alternam entre a existência e a inexistência.
Se essas flutuações quânticas efêmeras pudessem dar origem a forças reais, ponderaram os teóricos, talvez elas também pudessem fazer outras coisas — como transferir calor sem radiação térmica. Para visualizar como o aquecimento por flutuações quânticas pode funcionar, imagine dois objetos com temperaturas diferentes, separados um do outro por um vácuo. Os fônons no objeto mais quente poderiam transmitir energia térmica aos fótons virtuais no vácuo, que poderiam então transferir essa energia para o objeto mais frio. Se ambos os objetos são, essencialmente, grandes quantidades de átomos agitados, as partículas virtuais podem agir como molas para ajudar a transportar vibrações de um para o outro.
A dúvida sobre se as flutuações quânticas poderiam realmente ajudar os fônons a transferir calor através do vácuo “havia sido discutida pelos teóricos por mais ou menos uma década, às vezes com estimativas muito diferentes para a força do efeito — os cálculos são bastante complicados”, diz o físico John Pendry, do Imperial College London, que não participou do novo estudo. Em geral, trabalhos anteriores previram que os pesquisadores só podiam observar o efeito entre objetos separados por alguns nanômetros (bilionésimos de metro) ou menos, explica ele. Em distâncias tão pequenas, interações elétricas ou outros fenômenos em nanoescala entre objetos podem facilmente obscurecer esse efeito fônon, diz Pendry — o que dificulta o experimento.
Para enfrentar esse desafio, Zhang e seus colegas passaram por quatro anos de meticulosas tentativas e erros na tentativa de elaborar e aperfeiçoar experimentos que conseguisssem obter transferência de calor por fônons em distâncias maiores no vácuo, na escala de centenas de nanômetros. Por exemplo, os experimentos envolveram duas membranas de nitreto de silício, cada uma com aproximadamente 100 nanômetros de espessura. A natureza extraordinariamente fina e leve dessas placas facilita a visualização de quando a energia de uma afeta os movimentos da outra. Átomos vibrantes fazem com que cada membrana se flexione para frente e para trás em frequências que dependem de sua temperatura.
A equipe percebeu que se as placas tivessem o mesmo tamanho, mas temperaturas diferentes, elas vibrariam em diferentes frequências. Com todos esses detalhes em mente, os cientistas adaptaram os tamanhos das membranas para que, apesar de começarem a temperaturas diferentes (13,85 e 39,35 graus Celsius, respectivamente), ambas vibrassem cerca de 191,600 vezes por segundo. Dois objetos que ressoam na mesma frequência tendem a trocar energia com eficiência — um exemplo bem conhecido de ressonância pode ser visto quando um cantor de ópera emite a nota exata para fazer com que uma taça de champanhe ressoe e se quebre.
Além disso, os pesquisadores se certificaram de que as membranas estavam a alguns nanômetros de estar perfeitamente paralelas entre si, tudo para ajudar a medir com precisão as forças que uma poderia exercer sobre a outra. Eles também trabalharam para que as membranas fossem extremamente lisas, com variações de superfície de tamanho não superior a 1,5 nanômetros. Presas a uma superfície em uma câmara de vácuo, uma membrana foi acoplada a um aquecedor, enquanto a outra foi conectada a um resfriador. Ambas foram revestidas com uma fina camada de ouro para adquirir refletividade e banhadas em fracos raios laser para detectar suas oscilações — e, portanto, suas temperaturas. Teste após teste, os cientistas checavam o sistema para garantir que as membranas não trocassem calor através da superfície em que estavam fixadas ou através de qualquer emissão de luz visível ou outra radiação eletromagnética no vácuo.
“Este experimento exigiu um controle muito sensível da temperatura, distância e alinhamento”, diz Zhang. “Certa vez, tivemos problemas para executar o experimento no verão por causa do calor do aquecimento do laboratório. Além disso, a medição em si leva um tempo muito longo para eliminar o ruído — cada ponto de dados levou quatro horas para ser obtido.”
Eventualmente, Zhang e seus colegas descobriram que quando as membranas estavam separadas por menos de 600 nanômetros, elas começaram a exibir mudanças inexplicáveis de temperatura. Abaixo de 400 nanômetros, a taxa de troca de calor era suficiente para as membranas terem uma temperatura quase idêntica, demonstrando a eficiência do efeito (ou a falta dele). Com resultados bem-sucedidos em mãos, os pesquisadores conseguiram calcular a taxa máxima de energia que viram transferida pelos fônons no vácuo: cerca de 6,5 × 10–21 joules por segundo. Nesse ritmo, levaria cerca de 50 segundos para transferir a quantidade de energia em um fóton de luz visível. Esse número pode parecer insignificante, mas Zhang observa que ele ainda representa “um novo mecanismo de como o calor é transferido entre os objetos”.
“É bom ver alguns dados experimentais que confirmam que os fônons podem superar essa lacuna”, diz Pendry. “Este é um ótimo experimento — um pioneiro, acredito eu.”
Em princípio, as estrelas podem até aquecer seus planetas através desse novo mecanismo. Dadas as distâncias envolvidas, no entanto, a magnitude desse efeito seria “extremamente pequena”, a ponto de uma insignificância absoluta, diz Zhang.
Já aqui na Terra, a medida que a eletrônica de smartphones, laptops e outros fica cada vez menor, essas descobertas podem permitir que os engenheiros gerenciem melhor o calor nas tecnologias em escala nano. “Por exemplo, em discos rígidos, a cabeça magnética de leitura/gravação se move acima da superfície do disco com uma separação de apenas três nanômetros”, diz Zhang. “A uma distância tão curta, espera-se que o novo efeito de transferência de calor tenha um papel significativo e, portanto, deve ser considerado no design de dispositivos de gravação magnética”.
Zhang observa que as flutuações quânticas não incluem apenas fótons virtuais. Existem muitos outros tipos de partículas virtuais, incluindo grávitons virtuais ou pacotes de energia gravitacional. “Saber as flutuações quânticas dos campos gravitacionais podem dar origem a um mecanismo de transferência de calor que desempenha um papel em escalas cosmológicas é uma questão ainda em aberto e muito interessante”, diz Zhang.
Charles Q. Choi
FONTE: Scientific American Brasil
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