Trabalho na Ideia #161

Um Filtro Atômico por Plano Inclinado

A ideia aqui é simples. Na parte de baixo, você tem uma mistura de gases, onde as moléculas têm, em termos simples, diferentes tamanhos. Você está interessado em obter as moléculas de um certo tamanho D1.

Existe uma série de placas que você preparou com furos, da melhor maneira que pode em termos da precisão da usinagem. Estas placas estão empilhadas, e de cada um dos seus lados tem uma placa formando um plano inclinado Ambos os pontos de fixação no topo dos planos inclinados, representados pelos pontos pretos, permitem que estas girem - estes são os pivôs. O plano inclinado a esquerda não pode mover horizontalmente neste pivot, enquanto que o plano da direita pode ajustar sua posição. Estes planos também podem se mover na direção horizontal na parte de baixo da máquina, logo acima do tanque inferior. Não é mostrado na Figura por clareza mas quando o plano inclinado está completamente na vertical ele ocupa parte do container abaixo (a ponta do plano inclinado na realidade faz um arco em direção a sua posição final). Existem muitos furos em cada placa mas apenas um é mostrado na Figura central.

Para manter as placas numa posição realmente firme eu adicionei um tanque d'agua a direita, que pressiona o plano inclinado da direita. Você controla o volume do tanque através de uma torneira e de uma válvula de escape na parte inferior, mas tudo o que é necessário é manter o nível alto o bastante para manter as placas no lugar.

Quando os furos estão alinhados, eles formam uma passagem livre entre o tanque de gas de baixo e o de cima. Quando os furos estão desalinhados, entretanto, os furos são parcialmente cobertos e um furo menor é formado, como uma fração do furo original. Parece simples o bastante. Você consegue um furo pequeno o bastante que isto irá filtrar grandes moléculas. Quando este filtro satura, quero dizer, quando os furos ficam cobertos com moléculas grandes, você reverte o fluxo por um tempo e limpa os furos. 

Mas será que funciona? Será que você consegue atingir realmente furos de dezenas de Angstroms (1A = 0,1nm = 1E-10m) com isto?

Surpreendentemente, os cálculos indicam que sim. Mas tudo depende de se você consegue produzir placas com alturas muito bem precisas e furos bem delimitados. Vou conduzi-lo aos cálculos.

Defina a altura de todas as placas como H, a altura de uma placa individual como h e o deslocamento do plano inclinado da posição vertical como Delta_x. As placas tem furos de tamanho b, e seus tamanhos serão reduzidos ao tamanho b_line. O quanto cada furo irá reduzir de tamanho é chamado de x. Usando simples similaridade de triângulos, podemos deduzir o tamanho final do furo com base nos parâmetros. Vamos considerar para isto apenas as duas placas de baixo, uma vez que para deduzir basta dois furos vizinhos verticalmente. . 

Após deduzir esta equação, fomos ao Excel para testar alguns valores e ganhar intuição sobre o problema. Após algumas rodadas brincando com valores, nos deparamos com os seguintes números:

• b = 0.01m

• Delta_x = 0.5m

• h = 0.01m

• H = 0.5m

Estes valores não são irrealistas. Uma máquina tão alta quanto meio metro, com placas de 1cm, totalizando 50 placas, com furos de 1cm. A máquina é deslocada de meio metro. Não ocupa nem tanto espaço assim. Com estes valores, b_line = 0 e o furo acabou de se fechar.

Agora vem o pulo do gato:

O que acontece se você fizer h = 0,009m?

Então b_line = 1E-3 = 1mm.

E se você ir um pouco além, e fazer h exatamente h = 0,0099m?

Agora, b_line = 1E-4 = 0,1mm.

E se formos além disto, e fizermos h = 0,00999m. E agora?

Agora, b_line = 1E-5 = 10um.

Acho que você entendeu. Cada vez que você aumenta a precisão outro 9 depois da casa decimal de h, reduz-se o tamanho do furo por 10. Você pode escolher mudar Delta_X, ou fixar Delta_X e mudar h, mas note que mover precisamente o plano inclinado inteiro é muito mais difícil do que produzir placas com melhores tolerâncias de h. 

De início, não parece um resultado muito surpreendente. Você melhora sua capacidade de usinagem, e como recompensa ganha furos menores. Alguém pode ficar tentado a pensar, "Por que não fazer o furo de uma vez se você tem tal capacidade de fabricação nestas tolerâncias?". Mas a verdade é que fazer pequenos furos pode ser bem difícil. Nossa melhor tentativa usando métodos convencionais de furação parecem estar limitados a escala de micrômetros. Apesar de existirem equipamentos capazes de produzir detalhes de superfície na escala nanométrica, eles são altamente sofisticados, exigindo procedimentos caros e pessoal altamente qualificado [1].

Mas da maneira como vejo, estamos muito mais avançados agora na tarefa de produzir filmes finos, e o que esta ideia realmente faz é trocar o problema de fazer furos pelo problema de fazer placas de filme fino. Você amarra precisão do furo a precisão da altura da placa.  

Existe um porém neste plano: os furos devem ser praticamente perfeitos. Imperfeições nas bordas dos furos podem tornar um furo nanométrico em um micrométrico muito facilmente. Não sou a pessoa mais indicada para responder se temos um método, no momento, capaz de usinar um arranjo de furos grandes (1cm) a perfeição nanométrica, mas acredito que pelo menos os blocos-padrão são usinados a precisão micrométrica, o que me leva acreditar que temos a tecnologia, agora, para tolerâncias da ordem de 1E-6 = 1um.

There is a caveat in this plan: the holes must also be near perfect. Imperfections in the borders of a hole could turn a nanometric hole into a micrometric one very easily. I'm not the best person to answer if we have a method, right now, capable of machining an array of large (1cm) holes to nanometric perfection, but I do now that at the very least gauge blocks are machined to the micron precision, what leads me to believe that we have the technology, right now, for tolerances up to 1E-6m = 1um. 

Talvez possamos, com grande custo, produzir as placas do material certo usando uma das técnicas avançadas da nanotecnologia que temos hoje e conseguir um filtro bom o bastante para muitas utilizações. Isto está além da minha capacidade, razão pela qual compartilho esta ideia simplista. 

O princípio do filtro não deve ser limitado apenas para átomos gasosos. Suponho que possamos usar também um meio líquido, para propósitos de dessalinização, tratamento de água, filtrar bactérias, separar proteínas, apenas algumas ideias. 

A propósito, a separação ou filtragem é conseguida da seguinte maneira:

Você constrói três máquinas, sintonizadas a três tamanhos de furos D1, D2 e D3. 

Você começa com uma amostra gasosa com moléculas de três diâmetros D3 > D2 > D1.

Primeiro, você passa a amostra gasosa na máquina D3, e ela filtra todas as moléculas com diâmetro D3. Apenas moléculas com diâmetro D2 e D1 passam. O seu resultado é uma mistura de moléculas de diâmetros D2 e D1. 

Em seguida, você passa a amostra de moléculas de diâmetro D2 e D1 na máquina D2, filtrando as moléculas D2. Seu resultado são as moléculas gasosas com diâmetro D1. 

Ao fazer isto, você efetivamente separou os gases D1, D2 and D3. 

Será um dia possível apenas retirar, sem muito esforço, os gases nobres da atmosfera e lucrar?

REFERENCES

[1] Albrecht, T. R., Dovek, M. M., Kirk, M. D., Lang, C. A., Quate, C. F., & Smith, D. P. E. (1989). Nanometer‐scale hole formation on graphite using a scanning tunneling microscope. Applied Physics Letters, 55(17), 1727-1729.  

BANNER IMAGE CREDITS: ESA/Hubble & NASA, A. Filippenko, R. Jansen 

Want to know more about this image? Follow this external link.