Física: como construir moléculas de Casimir?

Esfera de Casimir. Crédito: Umar Mohideen/Universidade da Califórnia, Riverside

Esfera de Casimir. Crédito: Umar Mohideen/Universidade da Califórnia, Riverside

O Efeito Casimir é uma fonte constante de fascinação para os físicos. O efeito existe devido à natureza quântica do vazio que está repleto de ondas eletromagnéticas que aparecem e desaparecem em uma curta existência.

De fato, coloque duas placas condutoras paralelas juntas no vácuo e ondas de maior amplitude  não se encaixarão entre elas. Assim, as ondas exteriores empurram as placas para se juntarem. Esta é a famosa Força de Casimir, que foi medida pela primeira vez com precisão em 1997.



O efeito Casimir e a energia escura?

Na imagem acima esta pequena bola fornece evidências que o Universo irá expandir-se para sempre. Medindo pouco mais de um décimo de milímetro (100 µm), esta bola se move na direção de uma placa em resposta às flutuações de energia do vácuo do espaço vazio. Esta força de atração é conhecida como o efeito Casimir, fenômeno nomeado em honra do seu descobridor, Hendrik Casimir, o qual, 50 anos atrás, tentou entender a razão pelas quais há fluidos como a maionese que se movem tão lentamente. Agora, evidências estão se acumulando apontando que a maior parte da densidade de energia do Universo está sob uma forma misteriosa de energia escura. A forma e a gênese da energia escura é quase completamente desconhecida, mas os cientistas postularam que está relacionada como as flutuações do vácuo similares ao efeito Casimir porém geradas de alguma maneira pelo espaço em si. Esta vasta e misteriosa energia escura parece repelir toda a matéria e fará como que o Universo se expanda para sempre. Assim, a compreensão das flutuações do vácuo está nas pesquisas avançadas da ciência não só para atingir um melhor entendimento do nosso Universo, mas também para conseguir impedir que as partes micro mecânicas de nano máquinas tenham a tendência de se juntar indesejavelmente.

Diagrama do efeito Casimir: flutuações no vácuo (vacuum fluctuations) e as forças que atuam sobre as placas de Casimir (Casimir plates)

Diagrama do efeito Casimir: flutuações no vácuo (vacuum fluctuations) e as forças que atuam sobre as placas de Casimir (Casimir plates)

Afinal, como construir as moléculas de Casimir?

Nos últimos anos, os físicos têm calculado que a combinação de vários materiais diferentes sob distintas formas deveriam gerar forças repulsivas (embora esta força ainda esteja para ser medida).

Agora, Alejandro Rodríguez e seus colegas do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) em Cambridge disseram que selecionando cuidadosamente nanopartículas de diferentes materiais e tamanhos, a força atrativa e repulsiva de Casimir deveria levar a uma configuração estável, a uma molécula de Casimir, poderíamos chamar.

Em uma impressionante análise, Rodríguez e seus colegas calcularam as forças de Casimir para combinações de blocos (lajes) infinitos feitos de dióxido de silício e silício alternativamente, para nanopartículas e alternando-se lajes e esferas.

Alejandro et al analisaram o comportamento das nano esferas de teflon e silício imersas em etanol. Elegendo cuidadosamente os raios destas esferas podem ficar suspensas contra a força da gravidade sobre uma laje infinita. O resultado é que as forças entre as partículas são repulsivas a uma separação menor de 100 nanômetros, mas se torna atrativa conforme a distância é incrementada.

Alejandro et al. analisaram o comportamento das nano esferas de teflon e silício imersas em etanol.

Mas sua análise mais interessante está nas forças entre as nano esferas de teflon e silício imersas em etanol. Elegendo cuidadosamente os raios destas esferas podem ficar suspensas contra a força da gravidade sobre uma laje infinita. O resultado é que as forças entre as partículas são repulsivas a uma separação menor de 100 nanômetros, mas se torna atrativa conforme a distância é incrementada.

Claramente esta é uma situação fascinante na qual as esferas deveriam formar um “dipolo” estável sem se tocar. E mais ainda, este é um experimento que poderia ser realizado de forma relativamente fácil atualmente, se o tamanho das nanopartículas for controlado com a precisão adequada.

Este é um tema interessante, mas estes experimentos estão sempre plenos de dificuldades. A equipe do MIT reconhece que até o cálculo do sinal da Força de Casimir em geometrias complexas é tremendamente complicado.

Isto é em parte devido ao facto das Forças de Casimir não serem aditivas como as forças convencionais. Assim, quando se tem em conta mais de uma força, a complexidade dos cálculos aumenta consideravelmente (neste caso, há forças repulsivas e atrativas entre as esferas assim como a força de suspensão sobre a laje infinita).

Por esta razão não é possível de se generalizar facilmente o efeito ainda mais, talvez para criar toda uma lâmina de nanopartículas estáveis. Se este tipo de cristais de Casimir em duas dimensões (2D) é também viável, ainda é desconhecido.

Mas a equipe do MIT disse que a configuração de nanopartículas de teflon-silício deveria ser um bom ponto de partida para a investigação experimental. Que tenham boa sorte!

Uma pergunta que a equipe não aborda no artigo é sobre a utilidade possível ou o uso prático que teríamos com as moléculas e cristais de Casimir. Qualquer sugestão será bem recebida.

Fontes

Focus: the force of empty space

ArXiv.org: “Non-touching Nanoparticle Diclusters Bound By Repulsive and Attractive Casimir Forces

Technology Review: How to Build Casimir Molecules

APOD:

._._.

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