A FÍSICA DA COVID-19

AULA 4 - MEDINDO POR DIFRAÇÃO

Nas aulas anteriores vimos que o vírus SARS-CoV-2 causador da COVID-19 é muito pequeno, da ordem de 100 nanometros (nm).

Medir e caracterizar algo tão pequeno assim não é fácil.

Para medida de coisas muito pequenas, como os vírus por exemplo, usa-se a técnica de medida por difração.

A difração é um fenêmoeno ondulatório, como estudamos na aula passada.

No caso específico do vírus, que como vimos é mais de mil vezes menor que uma célula, usa-se a técnica de Difração de Raios-X que permite conhecer seu tamanho e sua estrutura, além de suas características químicas e físicas.

Mas como se faz medidas usando ondas?

Assista ao vídeo abaixo:

Na aula passada vimos que ao encontrar um obstáculo, a onda difrata, ou seja, ela procura "contornar" esse obstáculo. Porém a difração, é mais intensa quando o comprimento de onda tem valor próximo das dimensões dos objetos utilizados para a observação.

Ao difratar a onda se espalha como se fenda entre os obstáculos fosse uma nova fonte de onda. Observe a figura a seguir:

Perceba que quando a onda contorna o obstáculo (difração), formam-se como se fossem duas novas ondas do outro lado. Estas duas novas ondas interferem entre si.

As partes mais brilhantes são interferencias contrutivas e as partes mais escuras são interferências destrutivas (lembram da interferência que estudamos na aula passada ?)

Isso vale para qualquer onda. Porém, a difração só será relevante se o comprimento de onda tiver tamanho próximo das dimensões do obstáculo que ele está contornando.

Na imagem abaixo vemos esse mesmo fenômeno acontecendoquando uma onda passa por duas fendas (o espaço entre estas duas fendas é exatamente a mesma coisa que um obstáculo).

Conseguimos ver claramente os padrões de interferência construtiva e destrutiva nesta figura. Logo depois que a onda passa pelo obstáculo.

Se colocarmos uma parede na frente desta onda, depois que ela passou pelo obstáculo, veremos que ela atingirá esta parede com mais intensidade nos pontos onde há interferencia construtiva e nenhuma intensidade nos pontos onde há interferência destrutiva, formando um padrã como o da figura abaixo:

As regiões mais claras são interferências construtivas, ou seja, as regiões da parede onde a onda atingiu com maior intensidade. As regiões escuras são interferências destrutivas, onde a onda se anulou.

COMO REALIZAR MEDIDAS USANDO ESSA TÉCNICA ?

Geometricamente é possível estabelecer uma relação entre o tamanho do obstáculo e as distâncias entre estas regiões de interferência.

Se quisermos medir algo muito pequeno, como a espessura de um fio de cabelo, por exemplo, jogamos uma onda (com um comprimento de onda compatível, neste caso usa-de a luz visível na frequencia do vermelho) contra um fio de cabelo. Ao atingir o fio, a onda irá contorná-lo através do fenômeno de difração. Se colocarmos um anteparo qualquer, um papel por exempli, na frente desta onda depois que ela passar pelo fio de cabelo veremos que se formará um padrão de interferência muito parecido com o que mostramos na figura acima.

A figura abaixo mostra como isso ocorre:

Conhecendo o comprimento de onda, distância L e as distâncias entre os padrões de interferência (Δx), somos capazes de calcular exatamente o tamanho do obstáculo, neste caso, o fio de cabelo.

É assim que medimos coisas muito pequenas.

Porém, um fio de cabelo tem espessura na ordem de 0,01 cm (cinco centésimo de centímetro), o que equivale a 100 mil nanômetros. Ou seja, mil vezes maior que o vírus.

A onda usada para fazer essa medida (luz vermelha) tem comprimento de onda muito grande para o vírus. Se usarmos essa luz vermelha, não ocorrerá a difração de forma adequada, a onda irá "passar direto". Por isso para medirmos o vírus precisamos usar uma onda com um comprimento de onda muito menor.

A luz visível, está numa faixa de comprimento de onda de 400 nm (violeta) até 700 nm (vermelho) o que torna esse tipo de onda muito grande para sofrer refração por um vírus. Os raios-X , descobertos em 1895 por Roentgen também são ondas eletromagnéticas, porém com maior frequencia, portanto menor comprimento de onda.As ondas de raio X tem comprimento de da ordem de 0,05 nm a 25 nm desta forma se tornam muito úteis no estudo da estrutura cristalina através do fenômeno da difração. Com este comprimento de ondas, os Raios-X difratam em estruturas muito pequenas, até menores que um átomo. ( a ordem de grandeza de um átomo é de 0,1 nm).

PROJETO SÍRIUS

O Sirius é o mais novo projeto brasileiro, localizado em Campinas, executado pelo Laboratório Nacional de Luz Síncrotron que tem como objetivo investigar a composição de diversos materiais.

O projeto Sirius é a mais nova fonte de luz síncrotron a ser desenvolvida em território brasileiro. As fontes de luz síncrotron são máquinas extremamente sofisticadas que produzem radiação eletromagnética de amplo espectro e alto brilho, compreendendo o infravermelho, ultravioleta e os raios X.

Sirius e o combate ao coronavírus

Motivada pelo avanço da pandemia causada pelo novo coronavírus, grande parte da equipe do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) tem trabalhado em conjunto para entregar duas linhas de luz do laboratório Sirius – cateretê e manacá –, capazes de realizar análises microscópicas usando feixes de raios X.

Linhas de luz são as estações de pesquisa onde são realizados experimentos para produzir imagens detalhadas de estruturas tão pequenas quanto as do vírus causador da covid-19.

A instalação precoce das novas linhas de luz do Sirius permitirá que pesquisadores do mundo todo entendam como se dá a evolução do vírus no interior das células. Além disso, diferentemente de outros laboratórios de luz síncrotron, os experimentos realizados no Sirius possibilitarão uma visão geral e detalhada de todos os processos bioquímicos que possibilitam a replicação do vírus.

Curiosidades sobre o Sirius

• Serão usados mais de 700 quilômetros de fios, 900 fontes e 1350 magnetos em um complexo de 68.000 m²;

• A proteção radiológica em torno do anel principal de Sirius será feita com 1 quilômetro de concreto, de espessura variável entre 0,8 m e 1,5 m;

• Os elétrons deverão dar cerca de 600.000 voltas no anel principal de Sirius a cada segundo sem oscilar mais que 150 nm (150.10^-9 m, ou 0,00000015 m) do centro de sua trajetória;

• Um vácuo parcial será formado no anel principal de Sirius. Seu interior terá uma pressão cerca de um trilhão de vezes menor (10^-7 Pascal) que a pressão atmosférica.

AGORA É COM VOCÊ.

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REFERENCIAS:

https://sites.ifi.unicamp.br/lfmoderna/conteudos/difracao-de-raio-x/

http://34.196.161.148/acessa_fisica/subsites/286/src/pdfs/guia_professor_experimento_difracao_v1.pdf

https://brasilescola.uol.com.br/fisica/projeto-sirius.htm