Mecânica

Motor magnético sem partes móveis é acionado por calor

Motor magnético sem partes móveis é acionado por calor
Esquema do enigmático motor magnético. [Imagem: Sebastian Gliga et al. - 10.1038/nmat5007]

Motor magnético de estado sólido

Magnetismo e movimento estão intimamente relacionados, como demonstrado em todos os motores elétricos. Mas que tal um motor cujo movimento é induzido pelo magnetismo sem partes móveis e sem um motivo óbvio para que a magnetização dos ímãs se ponha em movimento giratório?

Essa nova forma de motor magnônico, que funciona em nanoescala, tem possibilidade de uso como nanomotor mesmo, para movimentar equipamentos ultraminiaturizados, como MEMS e NEMS, mas também para armazenamento de dados, sensores e outras aplicações no campo da eletrônica.

O nanomotor foi feito com uma liga magnética de níquel e ferro, formada por nanoímãs de 470 nanômetros de comprimento e 170 nanômetros de largura, cada um com apenas um domínio magnético, ou seja, a magnetização de cada um deles pode apontar para uma única de duas direções possíveis, ao longo do eixo do ímã.

Depois de usar um campo magnético externo para definir a magnetização em uma determinada direção, os pesquisadores observaram que a magnetização gira em apenas uma das duas direções possíveis, gerando um movimento típico de um motor, embora sem uma razão óbvia porque um caminho deveria ser preferido em relação ao outro.

Com a entrada de calor no sistema - que pode ser o calor ambiente - esse ordenamento magnético é afetado e o mecanismo é posto em movimento.

"Ficamos surpresos ao ver que a geometria das interações pode ser ajustada para se obter um material ativo, que exibe uma quiralidade dinâmica e, desta forma, funciona como uma catraca," disse Sebastian Gliga, da Universidade de Glasgow, no Reino Unido.

A quiralidade significa que um objeto não se sobrepõe à sua imagem no espelho, como nossas mãos esquerda e direita. A quiralidade também pode ocorrer em movimento: o exemplo mais conhecido é o anagiro, ou pião celta, um tipo de pião em forma de barco que prefere girar em uma única direção.

Motor enigmático

A dinâmica desse motor ainda é um tanto enigmática, e a equipe usou diversos tipos de análises de raios X para tentar interpretá-la. A conclusão é que o material magnético é um "gelo de spin", um material artificial, ou metamaterial, formado pela malha de nanoímãs organizados em um padrão geométrico específico - uma rede dipolar - que os faz interagirem uns com os outros.

Mas parece que o segredo da transformação do calor em movimento linear por meio do rearranjo magnético está nas bordas desse gelo de spin.

"Nós tentamos por um bocado de tempo compreender como o sistema funciona, até que percebemos que as bordas criam um potencial de energia assimétrico," contou o professor Gino Hrkac, da Universidade de Exeter e membro da equipe. Essa assimetria se reflete na distribuição do campo magnético nas bordas da matriz de nanomagnetos e faz com que a magnetização gire em uma direção preferencial, gerando o movimento.

"O gelo de spin artificial tem sido usado principalmente para responder questões científicas, por exemplo, em relação à física da frustração magnética. Esta é uma ótima demonstração de como o gelo artificial pode ser um material funcional e fornece um passo em direção às suas aplicações práticas," disse a professora Laura Heyderman, do Instituto Paul Scherrer.

Bibliografia:

Emergent dynamic chirality in a thermally driven artificial spin ratchet
Sebastian Gliga, Gino Hrkac, Claire Donnelly, Jonathan Büchi, Armin Kleibert, Jizhai Cui, Alan Farhan, Eugenie Kirk, Rajesh V. Chopdekar, Yusuke Masaki, Nicholas S. Bingham, Andreas Scholl, Robert L. Stamps, Laura J. Heyderman
Nature Materials
Vol.: 16, 1106-1111
DOI: 10.1038/nmat5007




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