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O sapo vivo que flutuou dentro de um ímã de 16 teslas
Em Nijmegen, Andre Geim mostrou que a água de um corpo vivo foge do campo magnético com força para vencer a gravidade.
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Sapo suspenso no ar dentro do ímã
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Em abril de 1997, o físico Andre Geim, da Universidade Católica de Nijmegen, na Holanda, colocou um sapo vivo dentro de um ímã de 16 teslas. O sapo subiu e ficou parado no ar, sem fio, sem suporte e sem encostar em nada.
Para ter escala: o tesla é a unidade que mede a força de um campo magnético. Um ímã de geladeira tem perto de um centésimo de tesla. A máquina de ressonância de um hospital trabalha com 1,5 ou 3 teslas. O ímã de Nijmegen tinha cinco vezes a força de uma ressonância comum.
O aparelho ficava no Laboratório de Campos Magnéticos Altos da universidade. Era uma bobina de cobre resfriada a água, com um furo vertical no centro de cerca de 3 centímetros de largura. Dentro desse tubo estreito, o campo ficava mais intenso.
A bobina consumia alguns megawatts de eletricidade e fazia barulho de turbina. Os pesquisadores a usavam para estudar metais e semicondutores, nunca bichos.
Geim tinha um hábito que ele chamava de experimentos de sexta à noite: testes sem plano, fora da pesquisa oficial, só para ver o que acontecia. Numa dessas noites, despejou água dentro do ímã ligado.
A água não escorreu pelo tubo. Ficou presa lá dentro, em bolhas que pairavam no meio do furo.
Se a água flutuava, qualquer corpo feito sobretudo de água podia flutuar também. Geim testou avelãs, um morango, uma gota maior, um gafanhoto e um peixinho. Depois chegou ao sapo, um filhote pequeno o bastante para caber no furo.
O animal girava devagar no ar, mexia as patas e não dava sinal de sofrimento. Saiu do ímã inteiro e voltou ao viveiro.
Ninguém tinha colado um ímã no sapo. Nenhum pedaço de ferro estava escondido no corpo dele. A força vinha de cada molécula de água do bicho, uma propriedade que quase todo mundo ignora porque, num ímã comum, ela é fraca demais para notar.
A seção a seguir mostra por que a água, que parece indiferente a qualquer ímã, empurra o campo para longe.
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I O Mecanismo
A água que foge do ímã
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O nome técnico da força é diamagnetismo (a tendência de um material a ser repelido por um campo magnético). Michael Faraday batizou o efeito em 1845, em Londres, ao ver um pedaço de bismuto fugir dos polos de um ímã forte.
O mecanismo mora nos elétrons. Quando um campo magnético atravessa uma molécula, ele altera levemente o movimento dos elétrons em volta dos núcleos. Esses elétrons respondem criando um campo minúsculo, apontado contra o campo de fora.
Todo material reage assim. No ferro, o efeito some debaixo de outro bem mais forte, o ferromagnetismo (a atração intensa que gruda o ímã na geladeira). Na água, na madeira, no plástico e na carne, a repulsão diamagnética é a única resposta ao campo.
E ela é fraquíssima. A susceptibilidade magnética da água (o valor que mede quanto um material reage ao ímã) fica em torno de menos 9 milionésimos. O sinal negativo indica repulsão; o tamanho indica que, num ímã comum, ninguém sente nada.
Um sapo é quase todo água, e cada molécula dessa água empurra o campo magnético para longe com a mesma força fraca. |
Para vencer a gravidade, a força fraca precisa de um campo enorme e, sobretudo, de um campo que muda rápido de intensidade ao longo do tubo. A repulsão depende do produto entre a força do campo e o gradiente (a taxa com que o campo cai de um ponto a outro).
Michael Berry e Andre Geim fizeram a conta no artigo de 1997 no European Journal of Physics: para a água flutuar, esse produto precisa chegar a cerca de 1.400 teslas ao quadrado por metro. O ímã de Nijmegen alcançava o valor numa região logo acima do centro da bobina, e ali o sapo ficava.
Falta explicar por que o sapo não escorregava para a parede. Em 1842, o matemático inglês Samuel Earnshaw provou o teorema de Earnshaw (a regra de que nenhum arranjo de ímãs fixos segura outro ímã parado no ar): sempre existe uma direção por onde ele escapa.
Os materiais diamagnéticos ficam fora dessa proibição. Como fogem do campo forte, eles se acomodam no ponto onde o campo em volta é mais fraco, como uma bola no fundo de uma tigela. Se o sapo deriva para a parede do tubo, encontra campo mais forte e é empurrado de volta ao centro.
O sangue, os ossos e os nervos do animal também sentiam o campo. Como os tecidos são diamagnéticos em grau parecido, o corpo inteiro era erguido de forma quase uniforme, e o sapo experimentava algo próximo da falta de peso de um astronauta em órbita.
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II Por que Importa
Gravidade zero sem foguete
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A primeira consequência foi prática. Se um campo magnético cancela o peso de um ser vivo, ele simula a microgravidade (a quase ausência de peso que os astronautas sentem em órbita) dentro de um laboratório em terra firme.
Em 2009, uma equipe do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, liderada por Yuanming Liu, fez flutuar camundongos jovens num ímã supercondutor de 17 teslas. Os animais ficaram agitados no começo e, ao longo de algumas horas, se acalmaram dentro do campo.
Ossos e músculos encolhem em órbita, e os biólogos querem entender o motivo sem pagar um voo espacial. A levitação magnética virou uma das ferramentas para cultivar células, sementes e pequenos animais sob peso quase nulo.
O método tem limite. O campo não cancela o peso de forma idêntica em todos os tecidos: partes com mais gordura ou com mais sal respondem um pouco diferente, e um campo tão forte também interfere no funcionamento das células. Por essa razão, os resultados de levitação são conferidos contra experimentos feitos em órbita.
Nenhum material é indiferente ao ímã: todos respondem, só que quase sempre fraco demais para medir. |
A segunda consequência foi no ensino. Até 1997, os livros apresentavam o diamagnetismo como curiosidade de laboratório, medida em balanças finas. O sapo transformou a força magnética mais fraca da natureza numa imagem que qualquer estudante entende.
Geim levou o argumento adiante. Em 1998, publicou na revista Physics Today o artigo “Everyone's Magnetism” (o magnetismo de todo mundo), defendendo que um ser humano também flutuaria num ímã com furo largo e campo forte o bastante.
Nenhum ímã desse porte existe com furo do tamanho de uma pessoa. Bobinas tão grandes consumiriam energia demais, e o custo não se justifica para um teste.
A terceira consequência foi na carreira de Geim. Em 2000, ele e Michael Berry receberam o Ig Nobel de Física, prêmio satírico entregue em Harvard pela revista Annals of Improbable Research a pesquisas que primeiro fazem rir e depois fazem pensar.
Em 2010, Geim ganhou o Nobel de Física com Konstantin Novoselov pelo grafeno (uma folha de carbono com a espessura de um átomo), isolado em 2004 na Universidade de Manchester com fita adesiva. Ele segue como o único cientista com os dois prêmios.
O grafeno nasceu dos mesmos experimentos de sexta à noite: testar uma ideia barata sem saber se daria em algo, a rotina que já tinha posto um sapo para flutuar.
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