Robótica

Pele eletrônica caseira feita com técnica de garagem

Redação do Site Inovação Tecnológica -  28/03/2016

Todos os materiais usados para fabricar a pele eletrônica são comuns e recicláveis. [Imagem: Joanna M. Nassar et al. - 10.1002/admt.201600004]

Pele eletrônica caseira

Pesquisadores sauditas fabricaram uma pele eletrônica feita apenas com materiais que você provavelmente encontrará em sua casa.

As peles inteligentes, circuitos eletrônicos flexíveis que podem ser colados sobre a pele e responder a estímulos externos, têm gerado importantes avanços no campo da medicina e da robótica.

Mas geralmente são circuitos sensíveis, feitos com as mais modernas técnicas da microeletrônica e da microfabricação.

Joanna Nassar fez sua "pele eletrônica caseira" usando uma folha de papel adesivado, do tipo usado para anotações, papel alumínio, papel-toalha e linhas traçadas ou recortadas a mão. Ela chama sua técnica de "técnica de fabricação de garagem".

Além do alumínio, os circuitos são estruturados ao redor de linhas traçadas com lápis e com uma caneta com tinta de prata que pode ser comprada no comércio.

O resultado é um material multissensorial capaz de medir pressão, temperatura, umidade, proximidade, pH e até fluxo de ar.

Múltiplas camadas criam uma pele capaz de detectar múltiplos sinais. [Imagem: Joanna M. Nassar et al. - 10.1002/admt.201600004]

Democratização da eletrônica

"A democratização da eletrônica será fundamental no futuro para seu crescimento contínuo. A este respeito, uma plataforma tipo pele sensorial feita com materiais recicláveis só demonstra o poder da imaginação humana.

"Esta é a primeira vez que uma plataforma única mostra funcionalidades multissensoriais próximas às da pele natural. Além disso [as informações] estão sendo lidas ou monitoradas simultaneamente com a nossa própria pele," disse o professor Muhammad Mustafa Hussain, coordenador da equipe na Universidade de Ciência e Tecnologia Rei Abdula.

Bibliografia:

Paper Skin Multisensory Platform for Simultaneous Environmental Monitoring
Joanna M. Nassar, Marlon D. Cordero, Arwa T. Kutbee, Muhammad A. Karimi, Galo A. Torres Sevilla, Aftab M. Hussain, Atif Shamim, Muhammad M. Hussain
Advanced Materials Technologies
Vol.: Article first published online
DOI: 10.1002/admt.201600004

Eletrônica

Chip poliglota traduz sinais de som, luz e ondas de rádio

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/03/2016

A miniaturização deste multitransdutor deverá ajudar muito na busca por novas formas de transferir e armazenar informações nos computadores e nas telecomunicações. [Imagem: K. Balram/K. Srinivasan/NIST]

Multitransdutor

Tecnicamente, o dispositivo acima é um circuito piezo-optomecânico dentro de um chip.

Na prática, é um componente inédito capaz de converter ondas de luz, acústicas e de rádio, transformando umas nas outras e vice-versa.

A miniaturização deste multitransdutor deverá ajudar muito na busca por novas formas de transferir e armazenar informações nos computadores e nas telecomunicações - transdutor é um dispositivo que converte um tipo de energia em outro, como os alto-falantes, que convertem eletricidade em ondas sonoras, e os microfones, que fazem o inverso.

Para superar as deficiências da eletrônica, os engenheiros estão cada vez mais explorando interfaces dos componentes eletrônicos com outros sistemas físicos que carregam informações. A luz, por exemplo, é muito rápida e não esquenta os circuitos, mais é difícil de armazenar. Já o som, que não é tão rápido, mas pode ser armazenado mais facilmente, já vem sendo utilizado em comunicações sem fios.

• Luz e som são armazenados juntos no interior de um nanocristal

O novo chip optomecânico piezoelétrico é capaz de converter qualquer um desses tipos de sinais - elétrons, fótons e fônons - intercambiavelmente uns nos outros, permitindo que cada um seja utilizado quando oferecer as maiores vantagens.

Optomecânica

No coração deste circuito está uma cavidade optomecânica, formada por uma viga suspensa, em escala nanométrica. Dentro da viga há uma série de buracos que funcionam como uma espécie de sala de espelhos para a luz (fótons). Os fótons de uma cor muito específica - ou frequência - rebatem entre esses espelhos milhares de vezes antes de escapar.

Ao mesmo tempo, a viga confina os fônons, ou vibrações mecânicas, a uma frequência de bilhões de ciclos por segundo (GHz). Os fônons são gerados por pulsos elétricos atuando sobre um material piezoelétrico.

Como estão dentro da mesma estrutura, os fótons e fônons trocam energia, de modo que as vibrações da viga influenciam a acumulação de fótons no interior da cavidade, enquanto a acumulação de fótons dentro da cavidade influencia a amplitude das vibrações mecânicas - lembrando que tudo é controlado pelos pulsos elétricos.

A força dessa interação - o chamado acoplamento - é uma das maiores já relatadas para um sistema optomecânico.

"Os futuros sistemas de processamento de informação vão precisar incorporar outros portadores de dados, tais como fótons e fônons, a fim de realizar diferentes tarefas de uma forma otimizada. Este trabalho apresenta uma plataforma para a transdução de informações entre essas diferentes portadoras," disse Kartik Srinivasan, físico do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) dos EUA.

Bibliografia:

Coherent coupling between radio frequency, optical, and acoustic waves in piezo-optomechanical circuits
Krishna C. Balram, Marcelo Davanco, Jin Dong Song, Kartik Srinivasan
Nature Photonics
DOI: 10.1038/nphoton.2016

Materiais Avançados

Jato de tinta imprime colorido usando tinta incolor

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/03/2016

A tinta é incolor, não é tóxica, mas produz cores vívidas que não desbotam. [Imagem: Aleksandr V. Yakovlev et al. - 10.1021/acsnano.5b06074]

Cor física

Pesquisadores russos desenvolveram uma tecnologia que permite usar uma impressora jato de tinta comum para fazer impressões coloridas sem usar corantes.

A tinta é incolor, não é tóxica, mas produz cores vívidas que não desbotam.

O segredo está na chamada cor física.

Em vez de depender de corantes, a cor física é gerada pela forma como nanoestruturas superficiais refletem a luz. As asas de borboleta são o exemplo mais conhecido, mas a iridescência - a capacidade de alteração das cores dependendo do ângulo de reflexão da luz - está disseminada pela natureza.

Tinta coloidal

Tem havido muitas demonstrações práticas dessas cores por interferência da luz - como um papel superbranco inspirado em um besouro - mas a maioria exige técnicas de fixação de alta temperatura, o que é incompatível com a tecnologia jato de tinta e com os materiais mais comuns, como papel e plásticos.

Aleksandr Yakovlev, da Universidade Itmo, sintetizou uma tinta coloidal à base de dióxido de titânio que se mostrou muito promissora e versátil, dispensando a fixação de alta temperatura e podendo ser depositada sobre vários tipos de superfície.

Exemplos de objetos impressos - todos coloridos, mas sem usar tintas. [Imagem: Aleksandr V. Yakovlev et al. - 10.1021/acsnano.5b06074]

A cor produzida é controlada variando a espessura da camada de tinta depositada por uma impressora jato de tinta normal.

As cores verde e azul produzidas são vívidas e não desbotam. Mas a equipe ainda está trabalhando em um tom vermelho convincente.

Bibliografia:

Inkjet Color Printing by Interference Nanostructures
Aleksandr V. Yakovlev, Valentin A. Milichko, Vladimir V. Vinogradov, Alexandr V. Vinogradov
ACS Nano
Vol.: Article ASAP
DOI: 10.1021/acsnano.5b06074

Robótica

Prótese biônica passa com sucesso pelos primeiros testes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/03/2016

Manus Niska foi o primeiro paciente a receber a prótese biônica, voltando a trabalhar normalmente como operador de máquinas pesadas.[Imagem: Chalmers University]

Osseointegração

A equipe do professor Max Ortiz Catalan, da Universidade Tecnológica de Chalmers, na Suécia, implantou com sucesso a primeira prótese biônica conectada diretamente aos ossos, músculos e nervos.

Com isso, segundo Catalan, a prótese "torna-se uma extensão do corpo humano por meio da osseointegração".

E, por meio da conexão aos músculos e nervos, a prótese ganha uma capacidade de controle sem precedentes.

O elemento-chave da inovação é um conjunto de eletrodos construídos pelo pesquisador que mantém um nível estável dos sinais captados dos músculos e nervos, permitindo um controle preciso dos movimentos.

Dos testes para o mercado

O dispositivo consiste em duas partes, um implante e a prótese propriamente dita. A primeira parte exige uma cirurgia, durante a qual uma peça de titânio é colocada no osso, juntamente com um sistema de controle que conecta eletrodos para os músculos e nervos.

A segunda parte consiste de uma prótese removível, mantendo uma ligação mecânica com o osso e uma ligação elétrica com os eletrodos implantados por meio de um soquete. Este componente robótico pode ser retirado, por exemplo, quando o paciente for tomar banho.

O protótipo da prótese com controle neuromuscular foi apresentado inicialmente em 2012, sendo implantado no primeiro paciente em 2014, no qual se baseiam os resultados anunciados agora.

Um segundo paciente já recebeu o dispositivo, e outros 10 deverão receber a prótese biônica neste ano ainda em estágio de testes, para que então o produto possa ser definitivamente lançado no mercado. Os equipamentos estão sendo fabricados pela empresa sueca Integrum.

Energia

Bateria térmica e atóxica recarregada com combustível

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/03/2016

A bateria gera eletricidade aquecendo cabos de nanotubos de carbono. [Imagem: Strano Lab/MIT]

Termobateria

Em 2010, a equipe do professor Michael Strano, do MIT, anunciou a descoberta de uma nova forma de armazenar energia usando uma bateria feita com nanotubos de carbono.

Trata-se de uma termobateria, formada por fibras de nanotubos de carbono, que produzem uma corrente elétrica quando são progressivamente aquecidas de uma ponta a outra.

A grande vantagem desse novo conceito é que as bateria não utilizam nenhum composto tóxico, eliminando o problema do manuseio e reciclagem das baterias usadas.

Agora, a equipe conseguiu aumentar a eficiência da termobateria em 10.000 vezes em relação aos protótipos originais, que geravam uma corrente pequena demais para se vislumbrar usos práticos.

O ganho de eficiência, segundo Strano, "traz [a tecnologia] de uma curiosidade de laboratório para se colocar a pouca distância de outras tecnologias de energia portáteis," como as baterias de lítio ou as células de combustível.

Elétrons que surfam

O maior desafio da equipe foi entender o que acontece no interior da termobateria, uma vez que ela se baseia em um fenômeno até então desconhecido. Basicamente, o efeito surge conforme o pulso de calor empurra elétrons através do feixe de nanotubos de carbono como se eles fossem surfistas sobre uma onda.

Ocorre que o pulso de calor algumas vezes gera uma onda única de elétrons - uma única tensão - e, outras vezes, gera duas tensões, que podem se reforçar ou se anular.

Embora não tenham estabelecido uma teoria definitiva sobre como e por que isso ocorre, a equipe foi capaz de controlar os efeitos para produzir uma tensão controlada com uma potência maior.

O protótipo atual é 10.000 vezes mais eficiente do que a termobateria original. [Imagem: Sayalee Mahajan et al. - 10.1039/C5EE03651H]

No novo protótipo, a termobateria é capaz de converter pouco mais de 1% da energia térmica em energia elétrica. "Levou 25 anos para a tecnologia de íons de lítio chegar onde nós estamos em termos de eficiência," disse Strano, destacando que eles descobriram o fenômeno há cerca de cinco anos.

Bateria quente

Para gerar o pulso de calor foi usada sucrose, um tipo de açúcar, mas a equipe acredita que outros materiais poderão gerar eficiências mais elevadas.

Esta é outra das vantagens da termobateria em relação às baterias tradicionais: seu recarregamento será uma questão de acrescentar mais combustível, como acontece com as células de combustível.

De qualquer forma, vários anos de pesquisas ainda deverão ser necessários para que a termobateria saia definitivamente do laboratório, uma vez que os protótipos ainda envolvem fios individuais de nanotubos, e não uma bateria propriamente dita, que ainda deverá lidar com o problema da combustão de forma segura e controlada.

Bibliografia:

Sustainable power sources based on high efficiency thermopower wave devices
Sayalee G. Mahajan, Albert Tianxiang Liu, Anton L. Cottrill, Yuichiro Kunai, David Bender, Javier Castillo Jr, Stephen L. Gibbs, Michael S. Strano
Energy & Environmental Science
Vol.: Advance Article
DOI: 10.1039/C5EE03651H

Eletrônica

Interruptor atômico liga a luz das telecomunicações

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/03/2016

O interruptor atômico é baseado no deslocamento induzido eletricamente de um ou mais átomos de prata no estreito intervalo entre os contatos de prata e platina.[Imagem: Alexandros Emboras/ETH Zurich]

Interruptor atômico

Interruptores não são exatamente exemplos de alta tecnologia, ainda que a tecnologia não funcione sem eles.

Já um interruptor feito com um único átomo impressiona mais. Sobretudo porque ele pode ajudar a aumentar muito a largura de banda na transmissão de sinais.

Alexandros Emboras, do Instituto ETH de Zurique, na Suíça, criou o menor interruptor do mundo - eventualmente o menor interruptor que se pode fabricar, já que ele é feito com um único átomo.

Ele não será útil para ligar e desligar lâmpadas, mas para converter sinais que trafegam como correntes elétricas dentro dos chips em sinais ópticos, prontos para trafegar pelas fibras ópticas.

Interruptor plasmônico

Mas como pode um interruptor do tamanho de um átomo interferir com a luz cujo comprimento de onda é milhares de vezes maior? A resposta está nosplásmons de superfície, a base de uma tecnologia emergente chamadaplasmônica.

A luz que vem pela fibra óptica entra por um guia de ondas até chegar a um dos contatos do interruptor, feito de platina, onde os fótons geram uma onda de plásmons de superfície, que se dirigem para uma abertura de poucos nanômetros, responsável pelo estado aberto - ou desligado - do interruptor.

Quando uma tensão é aplicada ao outro contato, feito de prata, basta que um único átomo de prata se mova para fechar o contato, ligando o interruptor. Assim que a tensão é desligada, o átomo volta à sua posição original e o interruptor é desligado novamente.

Verdadeiramente digital

Como os plásmons de superfície não têm outro caminho para passar a não ser através da abertura, esse mecanismo gera um sinal verdadeiramente digital, que só pode estar em um estado ligado (1) ou desligado (0), sem nenhuma subida de tensão intermediária. Ou seja, o funcionamento desta chave é em tudo similar a um transístor.

O interruptor atômico funciona a temperatura ambiente, mas ele não se mostrou veloz o suficiente ainda para aplicações práticas, operando apenas na faixa dos megahertz. A equipe agora pretende melhorá-lo para chegar à faixa dos gigahertz e até terahertz.

Bibliografia:

Atomic Scale Plasmonic Switch
Alexandros Emboras, Jens Niegemann, Ping Ma, Christian Haffner, Andreas Pedersen, Mathieu Luisier, Christian Hafner, Thomas Schimmel, Juerg Leuthold
Nano Letters
Vol.: 16 (1), pp 709-714
DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04537

Energia

Supercondutor de carbono é criado com laser

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/03/2016

Fulerenos, ou carbono C-60, são normalmente isolantes, mas tornaram-se supercondutores com uma pitada de potássio (K₃C₆₀) e a energia de um laser. [Imagem: J.M. Harms/MPI]

A frieza dos supercondutores

Supercondutores são materiais que conduzem eletricidade sem perda de energia, o que permite produzir campos magnéticos muito fortes.

Por isso eles são usados em equipamentos médicos, circuitos eletrônicos ultrarrápidos e em trens de levitação magnética, que usam ímãs supercondutores para fazer o trem flutuar acima dos trilhos, eliminando o atrito.

Esses materiais só não revolucionam quase toda a base industrial, sobretudo no setor de energia, porque eles só funcionam em temperaturas muito baixas, o que exige nitrogênio ou hélio líquidos para mantê-los na temperatura ideal, sem a qual eles perdem a supercondutividade.

Supercondutor feito com laser

Agora, pesquisadores descobriram uma maneira de fazer com que materiais se tornem supercondutores em temperaturas mais altas.

Além do fato de serem materiais muito mais baratos do que as complexas cerâmicas que formam os supercondutores atuais, o que chama a atenção é a técnica usada para transformar um material que é normalmente isolante em um material que conduz eletricidade sem qualquer resistência.

Matteo Mitrano, do Instituto Max Planck, na Alemanha, simplesmente disparou um laser em um arranjo de fulerenos C-60 - também conhecidos comobuckyballs - "dopados" com átomos de potássio.

O material que se formou torna-se supercondutor a -170º C, o que é bem quente para supercondutores. E a equipe está de olho na temperatura ambiente.

Supercondutores a temperatura ambiente

A descoberta é um desdobramento de um efeito identificado pela mesma equipe em 2013, mas trabalhando com laser disparado sobre cupratos, cerâmicas tipicamente complexas - os fulerenos são muito mais simples, o que eventualmente poderá ajudar a compor uma teoria melhor para a supercondutividade, que anda carente de explicações.

"Nossa pesquisa mostrou que podemos usar lasers para tornar um material supercondutor a temperaturas muito mais elevadas do que ele seria naturalmente. Tendo dado este primeiro passo, meus colegas e eu vamos tentar encontrar outros supercondutores que possam ser forçados a funcionar a temperaturas ainda mais elevadas, possivelmente até mesmo à temperatura ambiente.

• A supercondutividade que quer sair do frio

"Embora seja um pequeno pedaço de um grande quebra-cabeça, nossos resultados fornecem uma nova rota para a fabricar e controlar asupercondutividade que pode ajudar a estimular futuras inovações," disse o professor Stephen Clark, da Universidade de Bath, membro da equipe.

Bibliografia:

Possible light-induced superconductivity in K3C60 at high temperature
Matteo Mitrano, A. Cantaluppi, D. Nicoletti, S. Kaiser, A. Perucchi, S. Lupi, P. Di Pietro, D. Pontiroli, M. Riccò, S. R. Clark, D. Jaksch, A. Cavalleri
Nature Physics
Vol.: 530, 461-464
DOI: 10.1038/nature16522

Informática

Primeiro cérebro eletrônico neuromórfico está online

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/03/2016

O neurocomputador é formado por uma série de chips híbridos - analógico-digitais - chamados Spikey.[Imagem: Pfeil et al.]

Neurocomputador

Pesquisadores da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, vão disponibilizar o acesso via internet ao seu neurocomputadorBrainScales.

Construído pela equipe do professor Karlheinz Meier para auxiliar na execução do Projeto Cérebro Humano, o BrainScales foi o primeiro a comprovar que osprocessadores neuromórficos podem superar os processadores digitais.

Neuroprocessadores, ouprocessadores neuromórficos, são aqueles que tentam imitar o funcionamento do cérebro humano.

"O sistema BrainScales vai além dos paradigmas de uma máquina de Turing e da arquitetura von Neumann, ambos projetados durante meados do século 20 pelos pioneiros da computação Alan Turing e John von Neumann. Ele nem executa uma sequência de instruções, nem é construído como um sistema de unidades fisicamente separadas de processamento e memória.

"Ele é mais uma imagem direta, feita sobre silício, das redes neuronais encontradas na natureza, imitando células, conexões e comunicações intercelulares por meio da mais moderna microeletrônica analógica e digital," explicou o professor Meier.

O protótipo mais recente do neurocomputador é composto por 20 chips chamados Spikey, com um total de 4 milhões de neurônios e 1 bilhão de sinapses.

• Darwin, um processador neuromórfico com plasticidade cerebral

Compressão do tempo

Esta é a estrutura completa do BrainScales, que foi colocado online. [Imagem: Universidade de Heidelberg]

Segundo a equipe, processos de aprendizado e técnicas evolucionárias podem ser emuladas no neurocomputador com uma aceleração de 1.000 vezes em relação aos mecanismos naturais, "de forma que um dia biológico pode ser comprimido para 100 segundos na máquina".

O equipamento está sendo disponibilizado para uso pela rede de pesquisas do Projeto Cérebro Humano, mas outras instituições e até mesmo empresas foram convidadas a se juntar ao esforço e descobrir novos usos para os neuroprocessadores.

Além das pesquisas básicas em inteligência artificial e auto-organização de redes neurais, o professor Meier afirma que o equipamento será útil para equipes trabalhando com aprendizado profundo, uma técnica que empresas como Google e Facebook vêm utilizando para analisar grandes volumes de dados e qualquer grande simulação de eventos naturais.

Durante o evento no qual foi anunciada a conexão do BrainScales à internet, a equipe da Universidade de Manchester, no Reino Unido, responsável pelo desenvolvimento do "cérebro eletrônico SpiNNaker" anunciou que seu neuroprocessador também está entrando em operação, mas local, com uma capacidade de processamento comparável à do BrainScales.

• Como os computadores pretendem imitar o cérebro

Eletrônica

Brasileiros criam biossensor flexível para aplicações médicas

Com informações da Agência Fapesp -  17/03/2016

A inovação mereceu a capa da revista Advanced Functional Materials. [Imagem: Wiley-VCH/Divulgação]

Biossensor

A fabricação de um biossensor flexível por meio de impressão a jato de tinta, com a participação de dois pesquisadores brasileiros, mereceu a capa da revistaAdvanced Functional Materials.

Felippe José Pavinatto, da USP (Universidade de São Paulo) desenvolveu o material em colaboração com a equipe da professora Ana Cláudia Arias, da Universidade da Califórnia em Berkeley.

"Os eletrodos são úteis para a confecção de dispositivos de medição em tomografia por bioimpedância, eletrocardiografia, eletroencefalografia e eletromiografia.

"Podemos considerar, inclusive, a possibilidade de imprimir os eletrodos em fitas adesivas, como aquelas utilizadas em curativos", explicou Felippe.

Flexível e inerte

As grandes virtudes do dispositivo decorrem do fato de ele ser flexível e quimicamente inerte. A flexibilidade possibilita um ótimo contato com a pele e os tecidos. E a inatividade química impede que o eletrodo reaja com fluidos biológicos e células vivas.

O processo de fabricação dos biossensores é muito semelhante à impressão convencional por jato de tinta. A principal diferença é que a tinta colocada no cartucho é constituída por nanopartículas de ouro.

"A sinterização ocorre em temperatura relativamente baixa, da ordem de 200 graus Celsius. E as velocidades de sinterização das diferentes linhas do eletrodo dependem de suas larguras. A técnica possibilita um grande controle do processo e muita versatilidade para modificar o leiaute durante a execução, se necessário," explicou Felippe.

Os biossensores são impressos por uma técnica similar à jato de tinta. [Imagem: Yasser Khan et al. - 10.1002/adfm.201503316]

Pele e órgãos internos

O dispositivo registra diferenças de potencial com grande resolução, da ordem de poucos milivolts (10^-3 V).

Assim, ele poderá ser utilizado para medir qualquer processo biológico associado a variações de potencial, como frequência cardíaca, taxa de açúcar no sangue ou dano celular que possa resultar em futuras ulcerações da pele (por exemplo, em pacientes acamados por longo tempo), entre outros.

"Como as nanopartículas de ouro e o plástico utilizado como suporte são biocompatíveis, o eletrodo pode, em princípio, ser instalado não apenas sobre a pele, mas também internamente, por meio de implante. Essa possibilidade está sendo avaliada", informou Felippe.

Bibliografia:

Inkjet-Printed Flexible Gold Electrode Arrays for Bioelectronic Interfaces
Yasser Khan, Felippe J. Pavinatto, Monica C. Lin, Amy Liao, Sarah L. Swisher, Kaylee Mann, Vivek Subramanian, Michel M. Maharbiz, Ana C. Arias
Advanced Functional Materials
Vol.: 26, Issue 7 - Pages 1004-1013
DOI: 10.1002/adfm.201503316

Impedance sensing device enables early detection of pressure ulcers in vivo
Sarah L. Swisher, Monica C. Lin, Amy Liao, Elisabeth J. Leeflang, Yasser Khan, Felippe J. Pavinatto, Kaylee Mann, Agne Naujokas, David Young, Shuvo Roy, Michael R. Harrison, Ana Claudia Arias, Vivek Subramanian, Michel M. Maharbiz
Nature Communications
Vol.: 6, Article number: 6575
DOI: 10.1038/ncomms7575

Energia

Laser torcido irá revolucionar telecomunicações e raios tratores

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/03/2016

O laser torcido poderá ser usado na construção de raios tratores para uso em nanotecnologia ou no espaço.[Imagem: Marko Mandusic]

Laser com luz torcida

A luz torcida já foi utilizada para transmitir dados pelo ar sem perdas, mas suas promessas incluem alcançar velocidades na transmissão de dados na faixa dos terabits no ar e no espaço.

Conforme a técnica da luz torcidaseja aprimorada, ela deverá ser útil nas comunicações ópticas via satélite, a exemplo de testes recentes com ondas de rádio torcidas, que já rivalizam com as fibras ópticas, mas em transmissões ao ar livre.

Agora, um novo impulso para a área veio com o primeiro "laser torcido" - um laser que emite um vórtice controlado de luz.

Explorando o uso de uma fase geométrica dentro dos lasers pela primeira vez, o trabalho abre o caminho para novos lasers não apenas para comunicações ópticas, mas também para uso na indústria e na medicina.

O feixe gerado tem a estrutura parecida com a de uma mola. Feixes desse tipo têm sido usados também na construção de raios tratores ópticos capazes de capturar micropartículas - e agora um único laser poderá criar esses feixes conforme a necessidade.

Momento angular orbital da luz

Gerar laser com uma rotação controlada é algo conhecido há algum tempo. Contudo, até agora era impossível dizer se o laser estava girando no sentido horário ou no sentido anti-horário, o que na prática impedia o uso do momento angular orbital da luz.

"Nossa inovação foi perceber que, usando fases ópticas geométricas ajustadas para mapear a polarização em momento angular orbital, o laser poderia ser projetado para saber a diferença entre a luz [girando no sentido] horário e anti-horário," explicou o professor Andrew Forbes, da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, que liderou a equipe internacional que produziu o laser torcido.

O controle foi obtido simplesmente rotacionando um único elemento óptico dentro do laser, sem qualquer necessidade de realinhamento.

O momento angular orbital da luz funciona como um grau de liberdade adicional. Como ele é teoricamente ilimitado, poder controlá-lo permite codificar uma quantidade virtualmente ilimitada de dados em um único feixe de luz.

Bibliografia:

Controlled generation of higher-order Poincaré sphere beams from a laser
Darryl Naidoo, Filippus S. Roux, Angela Dudley, Igor Litvin, Bruno Piccirillo, Lorenzo Marrucci, Andrew Forbes
Nature Photonics
DOI: 10.1038/nphoton.2016.37
http://arxiv.org/abs/1505.02256

Mecânica

Forças de van der Waals envolvem ondas, não partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/03/2016

Tratar as forças de van der Waals como interações entre ondas é uma mudança de paradigma para a química e a ciência dos materiais.[Imagem: University of Luxembourg]

Partículas ou ondas

Assim como as forças gravitacionais são responsáveis pela dinâmica planetária, existem forças de atração entre os objetos em nanoescala.

São as chamadas forças de van der Waals, que estão operando por todo lado na natureza. Por exemplo, acredita-se que elas desempenhem um papel crucial na determinação da estrutura, da estabilidade e da função de uma ampla variedade de moléculas e materiais.

Contudo, a verdadeira natureza dessas interações parece ser bem diferente daquilo que os cientistas acreditavam até agora.

Alberto Ambrosetti e seus colegas da Universidade do Luxemburgo demonstraram que as forças de van der Waals têm que ser tratadas como uma interação entre ondas, e não como uma atração mútua entre partículas, como tem sido feito até agora.

Van der Waals como ondas

"No caso mais simples, você pode pensar em duas cadeias de átomos e identificar pontos nessas cadeias que são atraídos uns pelos outros. Normalmente, você deveria calcular a energia de van der Waals apenas somando todos esses pares," explica o professor Alexandre Tkatchenko, coordenador da equipe.

"No entanto, nós demonstramos que, em distâncias realísticas entre materiais em nanoescala isso não é verdade, e, em vez de partículas, você tem que ver esses pontos como ondas. Isso afeta drasticamente a maneira como pensamos sobre essas interações onipresentes," completou.

Essa nova teoria deverá ter um impacto importante em várias áreas, mas principalmente na ciência dos materiais.

Ao longo das últimas duas décadas, uma das áreas mais quentes de pesquisa tem sido o controle das propriedades dos materiais incorporando nanopartículas - e a montagem, automontagem ou estruturação desses materiais são controladas principalmente pelas forças de Van der Waals.

É o caso, por exemplo, da união entre grafeno e molibdenita, que estão na linha de frente na busca de uma era pós-silício na computação, ou da criação de um metal pela junção de dois plásticos.

Bibliografia:

Wavelike charge density fluctuations and van der Waals interactions at the nanoscale
Alberto Ambrosetti, Nicola Ferri, Robert A. DiStasio Jr, Alexandre Tkatchenko
Science
Vol.: 351, Issue 6278, pp. 1171-1176
DOI: 10.1126/science.aae0509

Energia

Célula a combustível faz drone voar por mais de uma hora

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/03/2016

A célula a combustível ultraminiaturizada usa materiais de baixo custo em uma estrutura de aço inoxidável poroso. [Imagem: Kun Joong Kim et al. - 10.1038/srep22443]

SOFC com aço inoxidável

Engenheiros coreanos usaram aço inoxidável para eliminar um dos maiores problemas das células de combustível sólidas.

O resultado prático foi que eles criaram um meio dar aos drones uma autonomia muito superior à que é possível com baterias.

A equipe usou o comum e barato aço inoxidável para substituir o material propenso a entupimentos e desgaste nas células a combustível de óxido sólido - ouSOFC na sigla em inglês (solid oxide fuel cell) - tidas como células de terceira geração.

Esses geradores convertem hidrogênio em eletricidade pela migração de íons de oxigênio do catodo rumo ao anodo através de um óxido sólido, que funciona como eletrólito. Tipicamente, sobretudo em células pequenas, tem sido usado silício como meio de suporte, devido à facilidade de usar a litografia para fabricação.

Contudo, essa não é uma solução para aplicações práticas porque o sistema se degrada rapidamente, com problemas de entupimento ou trincas devido à expansão termal.

Célula de hidrogênio para drones

Kun Kim e seus colegas da Universidade Pohang combinaram aço inoxidável poroso, que é térmica e mecanicamente forte e estável às reações de oxidação e redução, com um eletrólito de filme fino, obtendo ganhos de durabilidade e de rendimento.

A célula a combustível apresentou uma densidade de energia de 560 mW por cm^-2 at 550º C, uma temperatura abaixo da temperatura operacional das SOFCs tradicionais.

E a energia gerada é suficiente para alimentar celulares, notebooks e drones - o protótipo manteve um drone voando por mais de uma hora, várias vezes mais do que é possível com as baterias originais do aparelho.

Como o projeto da SOFC é escalonável, a equipe pretende agora construir protótipos maiores visando aplicações automotivas.

Bibliografia:

Micro solid oxide fuel cell fabricated on porous stainless steel: a new strategy for enhanced thermal cycling ability
Kun Joong Kim, Byung Hyun Park, Sun Jae Kim, Younki Lee, Hongyeul Bae, Gyeong Man Choi
Nature Scientific Reports
Vol.: 6, Article number: 22443

Informática

Computadores eficientes precisarão ser magnéticos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/03/2016

O bit magnético, medindo 90 nanômetros, é visto na forma de um ponto brilhante (Norte) e um ponto escuro (Sul). O "H" mostra a direção do campo magnético aplicado para inverter seu valor. [Imagem: Jeongmin Hong/Jeffrey Bokor]

Dissipação fundamental

Em um avanço importante para uma computação energeticamente eficiente, engenheiros da Universidade da Califórnia em Berkeley comprovaram pela primeira vez que chips magnéticos poderão operar com o menor nível fundamental de dissipação de energia possível de acordo com as leis da termodinâmica.

Isto significa que é possível conseguir reduções dramáticas no consumo de energia - tanto quanto usar apenas um milionésimo da energia gasta por operação pelos transistores dos computadores atuais.

Isto é crítico tanto para os aparelhos móveis e suas baterias, quanto para a "nuvem", com a gigantesca demanda de eletricidade dos enormes centros de dados que a viabiliza.

Computação magnética

A computação magnética emergiu como um candidato promissor nos últimos anos porque os bits magnéticos são diferenciados por direção, gastando a mesma energia para fazê-los apontar para a esquerda ou para a direita.

"São dois estados de energia iguais, por isso não desperdiçamos energia criando um estado de alta e [outro estado] de baixa energia," esclarece o professor Jeffrey Bokor, coordenador da equipe.

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Em 2011, o mesmo grupo publicou uma teoria demonstrando que processadores magnéticos poderiam atingir o limite físico da eficiência.

Agora eles demonstraram isso experimentalmente.

Limite de Landauer

Na prática, a equipe testou e confirmou o limite de Landauer, um termo em homenagem a Rolf Landauer, que em 1961 descobriu que, em qualquer computador, cada operação de um único bit deve gastar uma quantidade mínima absoluta de energia.

A descoberta de Landauer é baseada na segunda lei da termodinâmica, que estabelece que, conforme qualquer sistema físico é alterado, passando de um estado de maior concentração para uma menor concentração, ele torna-se cada vez mais desordenado. Essa perda de ordem é chamada entropia, e sai do sistema como calor residual.

Computadores nanomagnéticos usarão minúsculos ímãs em barra para armazenar e processar informações. As primeiras portas lógicas magnéticas 3D já foram construídas. [Imagem: Jeffrey Bokor Lab]

Landauer desenvolveu uma fórmula para calcular este limite inferior de energia necessária para uma operação computacional. O resultado depende da temperatura do computador; a temperatura ambiente, o limite atinge cerca de 3 zeptojoules, ou um centésimo da energia dissipada por um único átomo quando ele emite um fóton de luz.

Eficiência energética é possível

A equipe usou uma técnica inovadora para medir a minúscula quantidade de dissipação de energia gerada pela inversão de um bit nanomagnético. Eles usaram um laser para rastrear cuidadosamente a direção que o bit estava apontando conforme um campo magnético externo era usado para girar o alinhamento do ímã para "cima" e para "baixo" ou vice-versa.

Os dados mostram que são necessários apenas 15 milielétron-volts de energia - o equivalente a 3 zeptojoules - para inverter um bit magnético a temperatura ambiente, demonstrando efetivamente o limite de Landauer.

Ainda é uma prova de princípio, e efetivamente poder comprar processadores magnéticos nas lojas ainda deverá demorar algum tempo.

Mas a equipe observa em seu artigo que "a significância deste resultado é que os computadores de hoje estão longe do limite fundamental e que futuras reduções drásticas no consumo de energia são possíveis."

Bibliografia:

Experimental test of Landauer’s principle in single-bit operations on nanomagnetic memory bits
Jeongmin Hong, Brian Lambson, Scott Dhuey, Jeffrey Bokor
Science Advances
Vol.: 2, no. 3, e1501492
DOI: 10.1126/sciadv.1501492