Mecânica

Motor browniano funciona um século depois de idealizado

Motor browniano funciona um século depois de idealizado
Em 1912, o físico polonês Marian Smoluchowski teve a ideia de construir um motor para converter o movimento browniano em trabalho. Agora seu motor foi demonstrado na prática pela primeira vez, em escala macro.[Imagem: Peter Eshuis]

Motor browniano

Partículas suspensas em um fluido apresentam uma contínua movimentação aleatória - é o chamado movimento browniano, causado pelos choques entre as moléculas que compõem o fluido.

Em 1912, o físico polonês Marian Smoluchowski teve uma ideia inusitada: construir um motor em nanoescala para converter o movimento browniano em trabalho.

Na época, o experimento era absolutamente irrealizável, por falta de tecnologia. Isso colocou a ideia de Smoluchowski na categoria daquilo que os físicos chamam de "experimento conceitual", ou "experimento de pensamento."

Mas um grupo de físicos holandeses e gregos decidiu testar pela primeira vez a ideia, mas com um dispositivo em escala macro. Usando um "gás granular" para simular o movimento browniano, eles comprovaram que ideia não apenas funciona, mas funciona muito bem.

Motores moleculares

Motores moleculares são comuns na natureza. São motores assim que tensionam e relaxam nossos músculos. Mas eles se movimentam de forma totalmente diferente dos motores que estamos acostumados em escala macro.

Em vez de girarem, eles se movem para frente e para trás. E esse movimento acontece em meio a um bombardeamento contínuo de moléculas que se movimentam aleatoriamente ao seu redor, devido ao movimento browniano.

Se esses motores moleculares se movimentam acionados pelo movimento browniano, ou se são fortes o suficiente para vencer a força nada desprezível da agitação das moléculas, ainda é uma questão controversa.

Motor de Smoluchowski

A ideia de Smoluchowski era construir uma série de palhetas, montadas sobre um eixo, que seriam postas em movimento pela agitação das moléculas ao seu redor.

Como o movimento ocorreria igualmente em ambas as direções de rotação, Smoluchowski concebeu um segundo elemento, um dente de engrenagem assimétrico. Isto garantiria que o eixo só rodaria em uma única direção e, portanto, poderia executar o trabalho, por exemplo, puxando um pequeno peso para cima.

No entanto, em 1963, Richard Feynman demonstrou que a segunda lei da termodinâmica impediria que o dispositivo funcionasse em um sistema que estivesse em um estado de equilíbrio térmico - o que parecia ter condenado a ideia de Smoluchowski ao esquecimento.

Gás granular

Ocorre que a objeção de Feynman não se aplica a um sistema longe do equilíbrio térmico - um gás granular, por exemplo.

Se um recipiente cheio de esferas for sacudido vigorosamente, as esferas vão começar a se mover tão rapidamente que formarão um estado gasoso artificial, imitando o que acontece quando as moléculas de um gás se agitam.

A grande diferença deste análogo com um gás molecular real é que, assim que a agitação for interrompida, as esferas vão perder energia em um espaço muito curto de tempo, voltando a ficar imóveis no fundo do recipiente.

Isso acontece porque uma parte da energia das sacudidelas é perdida em cada colisão entre as esferas, tornando necessária a manutenção de uma fonte externa constante de energia para manter o estado gasoso granular - logo, um sistema longe do equilíbrio térmico, viabilizando a realização do motor browniano de Smoluchowski.

Retroalimentação por convexão

Usando seu gás granular, Peter Eshuis e seus colegas demonstraram com sucesso que o experimento de pensamento de Smoluchowski não apenas funciona nesse ambiente, como funciona soberbamente.

Os cientistas verificaram que ocorre uma troca inesperada entre as palhetas do motor e o gás granular: assim que as hélices começam a girar, acionadas pelas partículas granulares, elas retroalimentam o movimento de rotação no gás - um fenômeno conhecido como rolo de convecção.

Isso reforça o movimento do motor, permitindo uma rotação quase contínua.

Bibliografia:

Experimental Realization of a Rotational Ratchet in a Granular Gas
Peter Eshuis, Ko van der Weele, Detlef Lohse, Devaraj van der Meer
Physical Review Letters
June 2010
Vol.: 104, 248001
DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.248001




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