Construtor LEGO e zero absoluto

A véspera de Ano Novo está se aproximando. Para alguns, são dois dias na cozinha por dez minutos à mesa, para alguém é uma ótima ocasião para reunir todos os seus amigos e parentes, e para alguém são milagres, Papai Noel e, claro, presentes debaixo da árvore de Natal. De ano para ano, as crianças fazem uma lista de desejos para o onipotente mago de barba grisalha (estou falando do Papai Noel, não de Gandalf), e meus pais estão se esforçando ao máximo para implementar esses desejos. Os tempos estão mudando, os desejos estão mudando: antes de uma criança se alegrar com um cavalo de madeira, e agora dar um comprimido. Mas a LEGO sempre foi considerada um excelente presente universal para crianças (e para adultos, que pecado).

No entanto, esse construtor colorido pode ser não apenas um excelente entretenimento para todas as idades, mas também um componente extremamente útil do refrigerador de diluição, usado no desenvolvimento de computadores quânticos. Cientistas da Universidade de Lancaster (Reino Unido) decidiram realizar um experimento sobre o congelamento de blocos LEGO a uma temperatura próxima ao zero absoluto (-273,15 ° C). Esse experimento aparentemente estranho mostrou resultados muito interessantes, cujos detalhes aprenderemos com o relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Uma Breve História da LEGO

Dado que o personagem principal deste experimento é LEGO, seria indelicado não contar alguns fatos sobre esse construtor.

Quase todas as peças LEGO são feitas de plástico, em particular plástico ABS (acrilonitrila butadieno estireno ou (C8H8) _x · (C4H6) _y · (C3H3N) _z ). No entanto, nos primeiros anos de sua existência, de 1932 a 1949, a LEGO produziu brinquedos de madeira.


Ole Kirk Christiansen, 1957

A empresa foi fundada na Dinamarca por Ola Kirk Christiansen. O homem que mudou a maneira como os adultos pensam em brinquedos para crianças nasceu em 1891 em uma família de agricultores bastante pobre. A partir dos quatorze anos, Ole, sob a orientação de seu irmão, começou a aprender as habilidades de um carpinteiro, no qual se envolveu mais tarde, mas já fora da Dinamarca (de 1911 a 1916, ele trabalhou na Alemanha e na Noruega).

Voltando à sua terra natal em 1916, Ole, depois de gastar todas as suas economias, comprou uma oficina de carpintaria e um armazém de madeira, onde morava e, ao mesmo tempo, comercializava madeira e produtos de madeira.

Um negócio pequeno, mas lucrativo, permitiu, em 1930, estabelecer sua própria empresa para a produção de utensílios domésticos, grande parte dos quais eram escadas e tábuas de passar roupas. No entanto, a economia nos anos 30 não era a mais estável, muitas empresas foram fechadas ou sofreram enormes perdas. A companhia de Christiansen não foi exceção.

E aqui vale a pena fazer uma pequena digressão. Ole, em 1916, casou-se com uma garota da Noruega chamada Kirstina Serensen, que lhe deu quatro filhos. Infelizmente, Kirstina faleceu em 1932.


Um pequeno filme de animação, The LEGO Story, filmado em homenagem ao 80º aniversário da empresa (2012).

Vamos voltar aos assuntos comerciais. Por causa da crise, era necessário algo novo, popular e lucrativo. Ole e seu filho Gottfried começaram a fazer brinquedos de madeira. Então havia uma empresa LEGO, cujo nome em latim se traduz como "coletar". É engraçado que na empresa, agora famosa em todo o mundo, nos primeiros anos apenas 7 pessoas trabalhassem.

Desde 1947, a LEGO começou a produzir cubos não de madeira, mas de plástico, nos quais apareciam peças convexas especiais, que servem para conectar os cubos entre si.


Um dos primeiros sets que apareceram com meu irmão (eh, nostalgia).

Ole Christiansen literalmente revolucionou o mundo dos brinquedos. O principal "ingrediente" do LEGO é a imaginação, o pensamento e a criatividade. As crianças, brincando com o designer, podem criar mundos inteiros cheios de personagens incríveis, edifícios incríveis e histórias de partir o coração. As crianças não são estúpidas, vêem o mundo de maneira diferente, o exploram, desmontando-o em blocos componentes, como um construtor. Ole Christiansen tinha certeza disso e, como tio de duas meninas maravilhosas que adoram designers, posso dizer com confiança que ele estava certo.

Mas não brinquedos únicos, por assim dizer. Em nosso estudo de hoje, os blocos LEGO sobreviveram a um frio incrível. Por que os cientistas decidiram congelar o construtor? A resposta é banal o suficiente - para ver o que acontece. A curiosidade deles era mais do que justificada.

Durante as experiências, os blocos LEGO (a seguir denominados amostra) foram expostos a temperaturas variando de 70 mK (milikelvin, 1 mK = 10 ^-3 K) a 1,8 K. Como resultado, a lei de potência da condutividade térmica da amostra foi derivada:

κ = (8,7 ± 0,3) x 10 ^-5 T ^{1,75 ± 0,2} WK ^-1 m ^-1

Como se viu, os blocos LEGO podem ser excelentes isoladores de calor, devido à sua estrutura incomum. E materiais com baixa condutividade térmica são necessários para o isolamento térmico de componentes criogênicos. No momento, esses materiais são amplamente utilizados na criação de computadores quânticos que dependem de baixas temperaturas isoladas para operação normal. Agora já existe um polímero Vespel , que mostra um bom isolamento térmico, mas é muito caro de fabricar, o que não se pode dizer sobre os blocos LEGO feitos de plástico ABS generalizado.

Resultados da pesquisa

Imagem No. 1: configuração experimental.

Nos experimentos, foram utilizados 4 blocos conectados entre si. A amostra foi colocada em um refrigerador de dissolução * criado na Universidade de Lancaster * .

O refrigerador de dissolução * é uma unidade criogênica que usa dois isótopos de hélio: ³ He e ⁴ He. Quando a temperatura atinge 700 mK e menos, a mistura passa por uma separação espontânea de fases, formando uma nova: rico em ³ He e rico em ⁴ He.

A conexão entre os blocos foi realizada utilizando a geometria dos próprios blocos, ou seja, sem o uso de materiais adesivos. A altura total da amostra foi de 40,2 mm, a área foi de 502 mm ² e o peso foi de 9,28 g Na parte superior e inferior da amostra havia placas de cobre (contatos), fixadas com graxa a vácuo para melhorar o contato térmico.

A placa de cobre inferior foi conectada termicamente à câmara de mistura do refrigerador. Um aquecedor de manganina com fio de 3 ((uma liga de cobre, manganês e níquel) e um termômetro de resistência foram conectados à platina superior. Antes das experiências, a temperatura da placa inferior foi mantida em T _baixa ± 4,5 mK por 9 dias. Para medir a condutividade térmica, um nível constante de calor Q foi aplicado à placa superior e, após estabilização da temperatura da placa superior (T _alta ), foram feitas medições diretas. Foi detectado um vazamento de calor do próprio material da amostra, que permaneceu no mesmo nível durante todo o experimento: Q ₀ = 3,2 x ^10-10 W (3,4 x ^10-11 Wg ^-1 ).

Como os próprios pesquisadores dizem, para a condutividade térmica de isoladores a temperaturas bem abaixo da temperatura de Debye, a expressão κ = λT ⁿ pode ser usada, onde k é o coeficiente de condutividade térmica.

As constantes λ e n podem ser determinadas ajustando os dados experimentais à expressão:

λ = Q (n +1) Δx / a (T _alto ^{n + 1} - T _baixo ^{n + 1} )

onde T _alta e T _baixa - temperatura alta e baixa em toda a estrutura da amostra.


Imagem No. 2

O gráfico acima mostra os resultados Q medidos em comparação com T _alto para uma estrutura modular de ABS.

A condutividade térmica em materiais plásticos a temperaturas muito baixas demonstra as dependências de ^Tn at n na faixa de 1,7 a 2,46. Verificou-se também que a condutividade térmica da estrutura anisotrópica modular do ABS dependerá fortemente do eixo de medição.

Além disso, ficou claro que a estrutura ABS da LEGO tem condutividade térmica muito menor do que um dos melhores isoladores de calor volumétricos do mercado ( Macor * ). Um alto grau de isolamento térmico é provavelmente fornecido pela resistência de contato nas juntas dos blocos LEGO.

Macor * é uma cerâmica de vidro com um alto grau de isolamento térmico, mantendo a estabilidade a 1000 ° C. Macor consiste em: 46% de dióxido de silício (SiO ₂ ), 17% de óxido de magnésio (MgO), 16% de óxido de alumínio (Al ₂ O ₃ ), 10% de óxido de potássio (K ₂ O), 7% de trióxido de boro (B ₂ O ₃ ), 4% de flúor (F).

Quando uma potência de ~ 400 nW é aplicada à placa superior, a temperatura da placa superior aumenta 1 K, mas a temperatura da placa inferior permanece inalterada. Para comparação: uma estrutura Vespel-SP22 com as mesmas dimensões da estrutura LEGO ABS deve ter uma espessura de parede inferior a 300 mícrons para obter o mesmo grau de isolamento.

Ao mesmo tempo, o bloco “3001” (número do item do bloco) LEGO tem uma espessura de parede de aproximadamente 1,2 mm. Fazer um bloco com essas paredes é muito mais fácil. Porém, 1,2 mm ainda é uma espessura bastante pequena; no entanto, a unidade LEGO é capaz de suportar uma carga de 300 kg em uma prensa hidráulica. Esse teste de resistência demonstra que a estrutura do bloco, apesar da presença de vazios no interior, possui um grau razoavelmente alto de estabilidade mecânica. Portanto, do ponto de vista mecânico, a unidade LEGO pode suportar qualquer experimento criogênico razoável.

A compressão térmica da estrutura do ABS após o resfriamento da temperatura ambiente para 4,2 K foi de 1,5% (Vespel 0,6%), o que também é um indicador importante.


Neste vídeo, os autores do estudo falam sobre seu trabalho e demonstram resultados do ego.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas .

Epílogo

Neste experimento, foi possível descobrir que o bloco de designer LEGO usual tem propriedades incríveis, especialmente considerando que este é um plástico ABS comum, e não um supermaterial.

Em um experimento com blocos LEGO cobrindo uma área de 502 mm ² , foram necessários apenas 400 nW de energia para atingir uma faixa de temperatura de 100 mK a 1 K. Além disso, as mudanças na temperatura da placa superior não afetaram a temperatura da placa inferior, o que indica um alto grau de isolamento térmico.



Do ponto de vista material, a unidade LEGO não é de forma alguma melhor do que isoladores como Vespel ou Macor. No entanto, sua superioridade sobre os concorrentes não reside no material, mas na geometria da estrutura: a presença de vazios dentro de cada bloco e a estreita conexão entre os blocos (diagrama acima).

Os resultados de experimentos com blocos LEGO sugerem que estruturas semelhantes feitas de material amplamente disponível (plástico ABS) podem ser recriadas em uma impressora 3D.

Combinando as capacidades de impressão 3D e o conhecimento obtido com este estudo, é possível criar novas estruturas cujas propriedades de isolamento, mecânicas e até elétricas serão modeladas previamente para tarefas específicas. Não se esqueça do custo de produção. Portanto, uma folha Vespel com uma área de 100 cm ² custa cerca de toda a instalação de uma impressora 3D, necessária para imprimir estruturas ABS. Um fato importante do ponto de vista ambiental é o fato de o ABS poder ser reutilizado, diferentemente do mesmo Vespel.

Às vezes, as coisas mais simples à primeira vista têm propriedades ocultas incríveis que não foram originalmente estabelecidas pelos criadores nelas. Para encontrá-los, você precisa olhar para esses objetos de um novo ângulo e fazer a si mesmo perguntas que os outros considerariam estúpidas, como “o que acontece se o LEGO for empurrado para uma instalação criogênica e congelado a zero absoluto?”.

Algumas descobertas viram a luz através de cálculos longos, meticulosos e extremamente complexos, pesquisa teórica e ponderação de cada resultado provável. Outros se tornaram uma ideia do acaso ou da simples curiosidade científica, que qualquer cientista deveria possuir. Pois, se um cientista não quiser saber mais sobre o mundo ao nosso redor, ele pode ficar preso nas descobertas que foram feitas antes dele.

Off-top de Ano Novo

2019 chegará inevitavelmente à sua conclusão lógica. Durante este ano, muitos eventos ocorreram no mundo, inspiradores e tristes. Mas, independentemente das dificuldades no caminho da humanidade, a comunidade científica continua trabalhando para o bem. Na ciência moderna, não deve haver países, bandeiras, cores e idiomas; na ciência moderna, deve haver um zelo geral em tornar o mundo inteiro um lugar melhor, sem dividi-lo por fronteiras geopolíticas ou étnicas.

Estamos longe da utopia, longe de um futuro futurista brilhante, que os escritores de ficção científica descrevem tão apaixonadamente. Mas isso não significa que devemos ficar parados ou, pior, recuar.

Devemos lembrar que não é necessário ser um cientista para amar e se interessar pela ciência. As crianças são um excelente exemplo. Minhas sobrinhas não têm doutorado, não se formaram na universidade e não escreveram uma dissertação, ainda estão longe da escola, mas, aos seus olhos, vejo um desejo ardente de entender esse mundo imenso que os cerca.

Costumo ouvir e ver as palavras "permanecem crianças". Eles são falados no contexto da alma, emoções, visões do mundo e muito mais. Quanto a mim, esta frase é ótima para o mundo da ciência. Permanecem crianças cuja curiosidade e desejo de entender não têm limites, pois não existem limites para a ciência.

Feliz Ano Novo, queridos amigos, e que seja cheio de novas perguntas e respostas, brigas e brigas, brigas e reconciliações, despedidas e reuniões, pois essa é a nossa vida - difícil, às vezes imprevisível, mas incrivelmente interessante. Feliz feriado! :)

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