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Químicos de Princeton lutam contra 'Karma'
Acontece que não existe tal coisa como um “karma” máquina, e vive no chão piso de Frick Laboratory.
Por Wendy Plump - 28/03/2021


A estudante de graduação Kelly Powderly e outros pesquisadores que trabalham com o químico de Princeton Robert Cava usam uma máquina “rara e maluca” conhecida como Karma que sujeita os materiais aos tipos de temperaturas e pressões intensas que ocorrem nas profundezas do subsolo, permitindo-lhes descobrir materiais e estruturas que não o fariam. de outra forma, não existem na superfície da Terra. foto: C. Todd Reichart, Departamento de Química

O forno de alta pressão e alta temperatura pesa 12.000 libras, exercendo tanta pressão em um canto do laboratório quanto três carros empilhados em seus narizes. Tem a mesma idade de alguns dos pesquisadores que trabalham com ele. Ocasionalmente, ele para de funcionar sem motivo aparente. E isso requer habilidades motoras finas e um excesso de bom humor para mantê-lo funcionando.

Por que Robert Cava e os químicos em seu laboratório  lutam com esse aparelho “raro e maluco”? Porque ajuda os químicos a descobrirem novos materiais, submetendo-os aos tipos de pressões intensas que ocorrem a 320 quilômetros da superfície do planeta. Ou 99.000 vezes a pressão que sentimos ao caminhar pelo campus de Princeton. Ou 90 vezes a pressão do fundo da Fossa das Marianas, o ponto mais profundo do oceano.

Essas pressões podem alterar os tamanhos relativos dos átomos. Na química do estado sólido, o tamanho tem muito a ver com a estabilidade de um composto.

Para Kelly Powderly, a estudante de graduação do quarto ano encarregada de administrar e manter “Karma”, o aparelho é uma maravilha, a personificação de uma força extrema - alta pressão - que há muito a fascina. ( Ouça Powderly descrever as capacidades do Karma.)

“Há muito trabalho de alta pressão nas comunidades de geofísica e geologia porque eles estão usando para entender o que está acontecendo sob a superfície da terra, conforme as temperaturas e a pressão aumentam”, disse Powderly, que trabalha com  Cava , o Russell Wellman Moore Professor de Química . “Mas ter uma impressora multi-bigorna em seu próprio laboratório, a cerca de 40 passos de sua mesa, não é uma coisa comum em um departamento de química.

“A maior parte da química de estado sólido ocorre em um laboratório à pressão atmosférica, e você varia a temperatura para obter materiais diferentes”, acrescentou ela. “Mas, neste caso, podemos realmente usar a pressão como outra variável para estabilizar novas estruturas que podem ser realmente interessantes ou para obter uma reação entre os elementos que você não obteria de outra forma.”

Cava e sua equipe de pesquisa fazem e caracterizam materiais com potencial para propriedades físicas e eletrônicas exóticas, como supercondutividade ou magnetismo, usando as variáveis ​​de alta pressão e alta temperatura para descobri-los. Com o Karma, o Powderly pode pressurizar materiais de até 10 gigapascais (GPa). A pressão atmosférica na superfície do planeta equivale a cerca de 101.000 pascais; Karma pode pressurizar materiais cerca de 99.000 vezes essa quantidade.

mãos enluvadas pretas e cubos de metal
Powderly demonstra como um octaedro de amostra é aninhado no lugar entre as
bigornas de carboneto de tungstênio, como seria para a configuração de pressão
mais alta (10 gigapascais). Usando Karma, Powderly ajudou outro estudante
de graduação, Danrui Ni, na criação de três novos compostos. Cada um fez várias execuções
de Karma para encontrar condições de sucesso para a síntese e otimizar a pureza da
amostra.  foto porC. Todd Reichart, Departamento de Química

Os experimentos resultaram em três artigos de periódicos diferentes, todos publicados em 2019: um em janeiro ,  um em maio e  o terceiro em dezembro .

“Karma foi uma das principais coisas que comprei quando vim para Princeton, no final da década de 1990”, disse Cava. “Alguns novos supercondutores de óxido de cobre foram fabricados sob pressão naquela época no Japão, e eu queria tentar a sorte nisso. Fazer a máquina funcionar resultou em algumas interações desafiadoras com a máquina e seu fabricante ao longo dos anos, mas tem valido a pena. Karma é tão legal que existe até mesmo um igual o nosso no Smithsonian. É uma forma incomum de fazer química, e sempre há a oportunidade de encontrar algo espetacular usando-a.

“Chegar para trabalhar em um sábado e encontrar Kelly no laboratório consertando a bomba hidráulica geradora de pressão do Karma foi um dos pontos altos da minha carreira acadêmica”, disse Cava. “Ela se preocupa muito em fazer esse tipo de pesquisa, que, na minha opinião, é o objetivo de uma pós-graduação.”

Karma opera aplicando força com múltiplas bigornas de carboneto de tungstênio com metade do tamanho de seu punho ao longo de todos os lados de uma pequena câmara contendo uma amostra de material. A câmara é um minúsculo cubo de cerâmica para a configuração de “baixa pressão”, até seis GPa, ou um octaedro ainda menor para a configuração de “alta pressão”, até 10 GPa.

O carma também pode gerar temperaturas de até 1.200 graus Celsius (2.200 graus Fahrenheit) - três vezes mais quente do que a superfície de Vênus. Juntas, essas variáveis ​​mudam a paisagem termodinâmica de materiais e compostos, influenciando sua estabilidade e revelando novas fases com propriedades interessantes que não existem sob a pressão ambiente.

A alta pressão tende a favorecer materiais mais densos e, portanto, pode estabilizar fases mais densas. Para alguns elementos e compostos, a alta pressão pode aumentar o ponto de fusão e o ponto de ebulição, permitindo reações entre os materiais de partida que, à pressão ambiente, derreteriam ou vaporizariam antes que houvesse energia suficiente para reagir.

“Com essas condições extremas, há momentos em que seu cubo de amostra ou alguns de seus componentes se quebram e, portanto, seu experimento simplesmente não funciona”, disse Powderly. “Mesmo se você fizer tudo certo, às vezes seu termopar ainda vai quebrar ou o cubo ainda vai rachar. Nunca é 100% garantido. Mas acho que a síntese de alta pressão é tão emocionante. Esse é o tipo de negócio em que estamos. ”

 

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