Carbono torcido miniaturiza bobinas, solenoides e motores

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/01/2016

As estruturas criam-se naturalmente conforme as folhas de carbono ajustam-se aos seus próprios defeitos.
[Imagem: Yakobson Research Group/Rice Universit]

Deslocamentos em parafuso

Um solenoide - basicamente um fio enrolado em espiral, ao redor de um núcleo metálico ou não - é um componente eletromecânico fundamental, por exemplo, transformando a eletricidade em movimento mecânico - é difícil pensar em equipamentos nos quais essas bobinas não estejam presentes.

Solenoides, bobinas, eletroímãs e motores têm suas diferenças, mas são componentes estreitamente associados quanto à exploração dos fenômenos eletromagnéticos. Mas, assim como miniaturizar motores é um problema, os solenoides vinham resistindo a todas as tentativas de redução de seu tamanho.

Fangbo Xu, da Universidade Rice, nos EUA, descobriu agora que a solução para miniaturizar esses componentes pode ser encontrada na própria natureza.

Ocorre que compostos de carbono, como o grafite e o carvão, geram naturalmente estruturas em espiral conforme se cristalizam - são os chamados deslocamentos, ou deslocações, em parafuso.

Parafuso de Arquimedes

Pelos cálculos da equipe, quando uma tensão é aplicada à estrutura, a corrente elétrica irá fluir ao redor do parafuso, gerando um campo magnético, exatamente como ocorre nos solenoides e nas bobinas.

"Pode-se comparar a estrutura a um prédio de estacionamento para elétrons - mas sem as vagas de estacionamento, de forma que os elétrons vão simplesmente continuar subindo," explicou o professor Boris Yakobson, cuja equipe já previra a existência do carbino e do diamano, também materiais à base de carbono.

"Ou você pode dizer que eles lembram o parafuso de Arquimedes, que gira a fim de bombear coisas para cima - só que [neste caso] cheio de eletricidade," adicionou Yakobson.

Em um dos exemplos analisados, uma bobina teve seu desempenho alcançado por um componente 10 milhões de vezes menor.
[Imagem: Xu et al. - 10.1021/acs.nanolett.5b02430]

O pesquisador acredita também que pode ser possível inverter o processo. Se uma corrente elétrica for bombeada pela estrutura, ela pode simplesmente começar a girar, criando um micromotor - ou uma microturbina.

Se puderem ser fabricados de forma prática, esses nanossolenoides permitirão uma grande onda de miniaturização dos dispositivos eletromecânicos, incluindo robôs, MEMS e NEMS, além de todas as placas de circuito impresso onde se podem ver bobinas, que têm dimensões descomunais em comparação, por exemplo, com os transistores.

Superfície de Riemann

Os modelos em computador desenvolvidos pela equipe mostraram nanossolenoides capazes de gerar campos magnéticos de cerca de 1 Tesla, a mesma magnitude do campo gerado por alto falantes.

Em um dos exemplos analisados, uma bobina de 205 micrômetros de diâmetro teve seu desempenho alcançado por um nanossolenoide de 70 nanômetros de diâmetro - cerca de 10.000.000 vezes menor.

Os pesquisadores explicam que a forma em espiral é um "truque topológico" das folhas de grafeno que formam o grafite e o carvão.

Como o grafeno é formado por arranjos hexagonais de átomos de carbono, hexágonos defeituosos forçam o grafeno e se torcer, formando o que os físicos chamam de uma "superfície de Riemann".

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