Cada vez menor

Menor motor do mundo: rumo a novos tipos de motores

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/04/2016

Esquema e medições do motor, feito com um único átomo de cálcio. [Imagem: Johannes Robnagel et al. - 10.1126/science.aad6320]

Menor não dá

Este não é apenas o menor motor do mundo: segundo seus criadores, é o "menor motor que pode existir".

Quem garante é Johannes Robnagel e seus colegas da Universidade de Mainz, na Alemanha, que não apenas construíram o motor térmico usando um único átomo, mas também conseguiram medir com precisão sua produção de energia.

Motores de calor, que convertem energia térmica em trabalho mecânico, têm desempenhado um papel central na sociedade desde a revolução industrial - pense nos motores de automóveis e nos motores a jato, por exemplo.

Com a onda de miniaturização, os engenheiros têm testado os limites à construção desses dispositivos - Robnagel e seus colegas chegaram agora à escala de um único átomo, uma barreira que eles acreditam ser intransponível.

Motor de um único átomo

Para fabricar o motor monoatômico, os pesquisadores pegaram um íon de cálcio - um átomo de cálcio eletricamente carregado - e o submeteram a duas temperaturas diferentes durante um único ciclo.

O íon é resfriado por um feixe de laser, dirigido constantemente para ele, e é aquecido pela oscilação de um campo elétrico. Isto cria um movimento axial semelhante ao de um êmbolo de um motor a vapor.

 Aparelho no interior do qual está o menor motor do mundo. [Imagem: Johannes Robnagel]

As medições da produção de energia apontaram cerca de 3,4 × 10^-22 joules por segundo (J/s). Trazido para a macroescala, isso seria equivalente a 1,5 kilowatt por quilograma (kW/kg), mais ou menos a mesma eficiência de um motor de carro típico, escreve a equipe.

"Revertendo o ciclo, nós podemos até mesmo usar o dispositivo como um refrigerador de um único átomo e empregá-lo para resfriar nanossistemas que estejam acoplados a ele," disse Robnagel.

Termodinâmica quântica

O principal objetivo do trabalho é que a criação de um motor nessas dimensões fornece insights sobre a termodinâmica em nanoescala - no nível das partículas individuais -, que é atualmente um tema que tem atraído muita atenção dos físicos.

• Há várias Segundas Leis da Termodinâmica em nanoescala

Segundo a equipe, já estão em andamento planos para baixar a temperatura de funcionamento do nanomotor a fim de investigar os efeitos quânticos termodinâmicos.

Em teoria, é possível aumentar a potência de um motor de calor em nanoescala ligando-o a um banho de calor quântico, proporcionando assim uma ampla gama de possibilidades experimentais, que podem ampliar os limites aceitos pela termodinâmica clássica e, eventualmente, abrir o caminho para a construção de novos tipos de motores.

Bibliografia:

A single-atom heat engine
Johannes Robnagel, Samuel T. Dawkins, Karl N. Tolazzi, Obinna Abah, Eric Lutz, Ferdinand Schmidt-Kaler, Kilian Singer
Science
Vol.: 352 ISSUE 6283 - 325-329
DOI: 10.1126/science.aad6320