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Nanogerador usa movimento humano para alimentar tela e LEDs

Nanogerador usa movimento humano para alimentar tela e LEDs

Redação do Site Inovação Tecnológica -  14/12/2016

É um dos primeiros nanogeradores a produzir eletricidade com uma potência útil para alimentar aparelhos de verdade. [Imagem: Wei Li et al. - 10.1016/j.nanoen.2016.10.007]

Energia pelo movimento

Há algum tempo osnanogeradores - dispositivos capazes de gerar eletricidade a partir de coisas como o andar, a respiração, os batimentos cardíacos, ou mesmo as vibrações e o som do ambiente - vêm prometendo dar um alívio para as baterias dos aparelhos portáteis.

Parece que eles finalmente estão chegando lá.

O protótipo mais recente já consegue alimentar uma tela de LCD, um banco de 20 LEDs e até um teclado flexível, tudo dependendo apenas de um movimento simples de toque ou pressão - no caso do teclado, por exemplo, o próprio movimento de apertar as teclas gera a eletricidade para o funcionamento do dispositivo.

"Nós estamos no caminho certo rumo a aparelhos de vestir alimentados pelo movimento humano. O que eu prevejo, relativamente para breve, é você não ter que recarregar seu celular por uma semana inteira, por exemplo, porque a energia será produzida pelo seu movimento," disse o professor Nelson Sepúlveda, da Universidade Estadual de Michigan, nos EUA.

Nanogerador biocompatível

O nanogerador construído por Sepúlveda e seus alunos tem a forma de um filme, uma película muito fina, que pode ser dobrada para aumentar a potência gerada.

O processo começa com folhas finas de silicone, cada uma recebendo a adição de substâncias diferentes (prata, poliimida e polipropileno ferroeletreto). São adicionados íons a cada folha, de modo que cada uma contenha partículas carregadas. Todas elas são empilhadas, cada uma tornando-se uma camada do nanogerador.

A energia elétrica é produzida quando o nanogerador é comprimido por uma força mecânica qualquer, como o movimento do corpo humano.

Biocompatível

Este nanogerador se insere na classe dos FENGs (Ferroelectret Nanogenerator), nanogeradores feitos de materiais biocompatíveis, o que os deixa prontos para entrar em contato com o corpo humano sem risco de contaminação.

Além de produzir eletricidade com potência suficiente para alimentar aparelhos práticos, o nanogerador flexível também é um dos mais baratos já fabricados, de acordo com a equipe.

Bibliografia:

Flexible and biocompatible polypropylene ferroelectret nanogenerator (FENG): On the path toward wearable devices powered by human motion
Wei Li, David Torres, Tongyu Wang, Chuan Wang, Nelson Sepúlveda
Nano Energy
Vol.: 30, December 2016, Pages 649-657

Raio trator já consegue capturar seres vivos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/12/2016

Imagem da distribuição da informação genética da Escherichia coli manipulada pelo raio trator, cujos raios são invisíveis. [Imagem: Bielefeld University]

Raio trator a laser

Físicos alemães construíram um raio trator óptico, baseado em raios laser, que consegue capturar, puxar e revirar microrganismos vivos, incluindo bactérias, algas e até células humanas.

Enquanto muitos esperam que essa tecnologia permita um dia acabar com o problema do lixo espacial, arrastando os satélites obsoletos para que eles queimem na reentrada na atmosfera de forma controlada, Robin Diekmann e seus colegas da Universidade Bielefeld já estão fazendo uma revolução namicroscopia.

Usando o raio trator, a equipe obteve imagens de superresolução do DNA de bactérias individuais. Isto porque o raio trator de luz elimina o problema da manipulação das amostras - colocar as células, sejam bactérias ou glóbulos vermelhos, sobre a placa de vidro, tirando-as de seu ambiente natural, onde elas nadam livremente em uma solução, altera sua estrutura, geralmente fazendo com que elas morram rapidamente.

"Nosso novo método nos permite pegar células que não podem ser ancoradas em superfícies e então usar uma armadilha óptica para estudá-las em resolução muito alta. As células são mantidas no lugar por um tipo de raio trator óptico. O princípio por trás desse raio trator é similar ao conceito visto na série Jornada nas Estrelas," disse o professor Thomas Huser.

• Raio trator a laser puxa, breca e empurra partículas

Raio trator infravermelho

O raio trator a laser, que já havia sido demonstrado em partículas inorgânicas, é constituído por dois feixes de luz: um aprisiona a célula e outro é usado para movê-la livremente.

"O que é singular é que as amostras não apenas são imobilizadas sem um substrato, mas elas também podem ser giradas e rotacionadas. O feixe de laser funciona como uma mão melhorada para fazer pequenos ajustes no microscópio," explicou Huser.

"Quando este raio laser é dirigido para uma célula, geram-se forças dentro da célula que a mantêm dentro do foco do feixe. O feixe de laser é muito intenso mas invisível a olho nu, porque usa a luz infravermelha," explicou Diekmann.

Graças à possibilidade de girar as células, os pesquisadores puderam estudar a estrutura tridimensional do DNA em uma resolução de cerca de 0,0001 milímetro.

• Raio trator sônico manipula partículas em 3D

Bibliografia:

Nanoscopy of bacterial cells immobilized by holographic optical tweezers
Robin Diekmann, Deanna L. Wolfson, Christoph Spahn, Mike Heilemann, Mark Schüttpelz, Thomas Huser
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 13711
DOI: 10.1038/ncomms13711

Quase Matrix: Jogar usando apenas o cérebro

Com informações da Universidade de Washington -  16/12/2016

"Nós estamos essencialmente tentando dar aos seres humanos um sexto sentido."
[Imagem: University of Washington]

Matrix na realidade

Pesquisadores da Universidade de Washington, nos EUA, fizeram a primeira demonstração de um jogo de computador no qual os jogadores usam apenas o cérebro.

Os jogadores recebem as informações do jogo por meio de uma técnica chamada estimulação cerebral direta - sem depender de quaisquer sinais sensoriais usuais da visão, audição ou toque.

O conceito geral é similar ao da série Matrix, onde os humanos conectam seu cérebro diretamente em um mundo virtual que máquinas conscientes projetaram para escravizar a humanidade.

A diferença é que não é preciso instalar um plugue na nuca do voluntário - e, ao menos por enquanto, em vez de algo que possa ser chamado de realidade virtual, está um jogo 2D bastante simples.

Cérebro cria realidade

Os voluntários tinham que navegar por 21 labirintos diferentes, com duas opções de movimento - para frente ou para baixo -, com base apenas em se eles sentiam ou não um artefato de estimulação visual chamado fosfeno, que era percebido como bolhas ou barras de luz.

Para sinalizar para qual direção se mover, os pesquisadores geravam os fosfenos através da estimulação magnética transcraniana, uma técnica bem conhecida que usa uma bobina magnética colocada perto do crânio para estimular diretamente - mas de forma não invasiva - uma área específica do cérebro.

Não é preciso instalar um plugue na nuca do voluntário, como em Matrix, mas o aparelho é grande e volumoso. [Imagem: Darby M. Losey et al. - 10.3389/frobt.2016.00072]

"A questão fundamental que queríamos responder era: o cérebro pode fazer uso de informações artificiais que ele nunca viu antes, que sejam entregues diretamente, para navegar em um mundo virtual ou fazer tarefas úteis sem outra entrada sensorial? E a resposta é sim," disse Rajesh Rao, coordenador do experimento. "Hoje a realidade virtual é feita através de monitores, fones de ouvido e óculos, mas, em última análise, é o seu cérebro que cria sua realidade."

Os cinco voluntários fizeram os movimentos corretos nos labirintos em 92% do tempo depois de receber a sinalização via estimulação cerebral direta, em comparação com 15% quando eles não tinham essa orientação.

Sexto sentido

O experimento usa informações binárias - se um fosfeno está presente ou não - para permitir que os jogadores saibam se há um obstáculo à frente deles no labirinto. No mundo real, mesmo esse tipo de entrada simples poderia ajudar pessoas cegas ou deficientes visuais a andar de forma autônoma.

Teoricamente, uma variedade de sensores instalados no corpo de uma pessoa - câmeras de infravermelho, ultrassom, sensores de distância a laser etc - poderiam transmitir informação sobre algo que está em volta ou se aproximando da pessoa no mundo real a um estimulador direto do cérebro que dê a essa pessoa a informação necessária para orientar suas ações.

"A tecnologia não está lá ainda - a ferramenta que usamos para estimular o cérebro é um equipamento volumoso que você não conseguiria carregar com você," disse Andrea Stocco, coautor do trabalho. "Mas eventualmente poderemos substituir o hardware por algo que seja passível de aplicações no mundo real."

"Nós estamos essencialmente tentando dar aos seres humanos um sexto sentido," complementou Darby Losey, principal responsável pelo projeto. "A maior parte do esforço neste campo de engenharia neural tem-se concentrado na decodificação de informações do cérebro. Nós estamos interessados em como você pode codificar informações para o cérebro."

Bibliografia:

Navigating a 2D Virtual World Using Direct Brain Stimulation
Darby M. Losey, Andrea Stocco, Justin A. Abernethy, Rajesh P. N. Rao
Frontiers in Robotics and AI
DOI: 10.3389/frobt.2016.00072

Carros elétricos: a bateria ou a célula de combustível?

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/12/2016

Os veículos elétricos alimentados por célula a combustível oferecem várias vantagens em relação àqueles alimentados por baterias, mas os custos ainda são um obstáculo.[Imagem: Universidade de Delaware/Jeffrey Chase]

Carros de emissão zero

A rota rumo aos veículos de emissão zero tomou dois caminhos diferentes, um em direção aos carros elétricos a bateria, como o Tesla, e o outro em direção aos carros movidos a células de combustível, como o Toyota Mirai.

Mas qual é a melhor aposta a longo prazo, tanto em termos tecnológicos, quanto em termos de custo?

Em um artigo publicado pela revista Nature, Brian Setzler e colegas da Universidade de Delaware, nos EUA, fazem algumas contas simples para defender que, qualquer que seja o caminho a percorrer, ele deverá ser trilhado a bordo de um carro movido a célula de combustível.

Em resumo, o argumento da equipe parece ser incontestável: os carros elétricos alimentados por célula de combustível preservam melhor as vantagens dos automóveis a gasolina, como um custo inicial mais baixo, uma longa autonomia e um reabastecimento rápido.

Mas a equipe defende que, para tudo isto se tornar realidade, pode ser necessário fazer avançar uma nova tecnologia de célula a combustível, diferente da que está sendo trabalhada pela maioria das equipes e indústrias ao redor do mundo.

Já existem carros movidos com as células a combustível defendidas pelos pesquisadores - carros bem pequenos ainda. [Imagem: UPC]

Tecnologia das células a combustível

Para a equipe, o problema está na dependência dos caros catalisadores à base de platina apresentada pelas células de combustível tradicionais, conhecidas como PEMFCs, sigla em inglês para células a combustível de membrana de troca de prótons. É por isto que eles estão apostando em uma tecnologia alternativa, chamada HEMFC, sigla para célula de combustível de membrana da troca de hidróxido, que tem grandes vantagens de custo.

A razão para essa mudança é uma questão de aritmética simples.

"Para que os carros a célula de combustível se tornem realidade, o DOE [Departamento de Energia dos EUA] estabeleceu um custo do sistema de US$ 30 por quilowatt, o que se traduz em cerca de US$ 2.400 por carro. Neste momento, o custo das PEMFCs é de US$ 52 por kilowatt, que é uma melhoria grande em relação a onde a tecnologia começou.

"Mas o catalisador representa apenas cerca de US$ 12 desse total, deixando US$ 40 para o custo dos outros componentes. Então, mesmo que façamos algumas mágicas, não podemos completar o restante do caminho até aquele objetivo de US$ 30 usando as PEMFCs," argumentou o professor Yushan Yan, coordenador da equipe.

Os esforços em busca de uma nova tecnologia para as baterias também seguem vigorosos, o que pode mudar o jogo. [Imagem: William Dichtel/Northwestern University]

Trabalhar juntos

No artigo, a equipe reconhece que há desafios a vencer, e defende algumas providências para que o caminho rumo aos carros a células de combustível possam se tornar uma realidade.

"Em primeiro lugar, para se tornarem uma realidade comercial, os motores a células de combustível têm que atingir uma paridade de custo com seus equivalentes a gasolina. E passar de uma plataforma ácida, com a PEMFC, para um sistema base, com a HEMFC, permitirá um benefício colateral na redução de todos os custos associados.

"Então, se concordarmos que essa é a melhor abordagem, precisamos juntar todos os membros da comunidade de pesquisa da HEMFC. Se quisermos ter sucesso, temos que trabalhar juntos," disse Yan, acrescentando que apenas ter um custo mais baixo pode não ser suficiente.

"Não é possível comparar nossos resultados de hoje com os de ontem ou do dia anterior. Para ter sucesso comercialmente com as HEMFCs temos que igualar ou superar o desempenho das PEMFCs. É simples assim - não podemos ter sucesso sem alcançar uma paridade de desempenho," concluiu Yan.

É claro que todos estes comparativos podem mudar se a outra rota, a dos carros elétricos a bateria, se deparar com uma inovação tecnológica disruptiva - uma que consiga melhorar as baterias.

• O que vai alimentar os carros do futuro?

Bibliografia:

Activity Targets for Nanostructured Platinum Group Metal-Free Catalysts in Hydroxide Exchange Membrane Fuel Cells
Brian P. Setzler, Zhongbin Zhuang, Jarrid A. Wittkopf, Yushan Yan
Nature Nanotechnology
Vol.: 11, 1020-1025
DOI: 10.1038/nnano.2016.265

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Energia

Tinta termoelétrica transforma calor em eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/12/2016

Para a geração de eletricidade, o material é fabricado em duas versões: positivo (p-type) e negativo (n-type). [Imagem: UNIST]

Resfriamento com geração de eletricidade

Uma tinta especial aplicada sobre peças e equipamentos quentes - motores, turbinas, caldeiras etc. - pode não apenas simplificar os mecanismos de resfriamento desses equipamentos, como também usar esse calor para produzir eletricidade.

Esse duplo ganho tornou-se possível com o desenvolvimento de um material termoelétrico - um material que gera eletricidade a partir de um diferencial de temperatura - com uma viscosidade que permite sua aplicação por aspersão, como uma tinta.

De quebra, torna-se possível extrair o calor residual de peças de qualquer formato - como os materiais termoelétricos atuais são fabricados na forma de placas, eles são mais adequados para superfície planas, o que não permite a obtenção de uma eficiência máxima, já que o calor emana de todas as reentrâncias das peças.

"Nosso material termoelétrico pode ser aplicado sobre qualquer fonte de calor, independentemente da sua forma, tipo e tamanho. Ele se colocará como um novo tipo de sistema de geração de energia renovável," disse o professor Jae Sung Son, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia da Coreia do Sul.

Calor ou frio

O novo material termoelétrico possui propriedades físicas que o fazem comportar-se como um líquido. Depois de aplicado, ele seca e transforma a superfície inteira que foi pintada em um coletor de calor.

Em laboratório, a equipe obteve uma densidade de energia de 4 miliwatts por centímetro quadrado de superfície pintada.

"Com módulos termoelétricos integrais [aplicados] por meio de um processo de pintura, nós podemos superar as limitações dos módulos termoelétricos planos e podemos coletar a energia do calor de forma mais eficiente. Os sistemas de geração termoelétrica poderão ser desenvolvidos qualquer que seja a necessidade do usuário, e o custo de fabricação também pode ser grandemente reduzido pela economia de materiais e pela simplificação dos processos," completou Son.

Como o efeito termoelétrico funciona nos dois sentidos, o material também pode ser usado para refrigeração, nas tão esperadas geladeiras de estado sólido, por exemplo.

Bibliografia:

High-performance shape-engineerable thermoelectric painting
Sung Hoon Park, Seungki Jo, Beomjin Kwon, Fredrick Kim, Hyeong Woo Ban, Ji Eun Lee, Da Hwi Gu, Se Hwa Lee, Younghun Hwang, Jin-Sang Kim, Dow-Bin Hyun, Sukbin Lee, Kyoung Jin Choi, Wook Jo, Jae Sung Son
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 13403
DOI: 10.1038/ncomms13403

Brasileiros desenvolvem melanina para bioeletrônica

Com informações da Agência Fapesp -  13/12/2016

Os transistores bioeletrônicos representam o passo final para a viabilização da conexão entre biologia e eletrônica. [Imagem: Jose Garrido]

Bioeletrônica

Pesquisadores brasileiros estão viabilizando o uso de uma substância biológica - a melanina - para a fabricação de componentes bioeletrônicos, interfaces que permitem conectar circuitos eletrônicos aos seres vivos.

"Todos os materiais que têm sido testados atualmente para aplicações em bioeletrônica são completamente sintéticos. Uma das grandes vantagens da melanina é que, sendo um composto totalmente natural e biocompatível com o corpo humano, tem potencial para ser usado em dispositivos para fazer a interface entre neurônios cerebrais e a eletrônica, por exemplo", explicou o professor Carlos Frederico Graeff, da Unesp de Bauru (SP).

O grande objetivo da bioeletrônica é a combinação de componentes eletrônicos e biológicos, de modo a desenvolver dispositivos implantáveis miniaturizados, capazes de alterar e controlar sinais elétricos no corpo humano.

Esse campo emergente saiu recentemente dos laboratórios e chegou às manchetes, quando o Google e a farmacêutica GlaxoSmithKline anunciaram uma associação para explorar essa área, considerada uma nova fronteira tanto pelo lado da eletrônica quanto da biologia.

Melanina biossintética

Um dos desafios para viabilizar o desenvolvimento dos dispositivos bioeletrônicos é identificar materiais que, além de apresentarem condutividade eletrônica (à base de elétrons), também possuam condutividade iônica (à base de íons), o modo de comunicação usado pelos neurônios. E que, além disso, sejam biocompatíveis com o corpo humano.

Graeff e seus colegas conseguiram desenvolver uma nova rota para sintetizar mais rapidamente a melanina, o composto polimérico que dá pigmentação à pele, olhos e cabelos dos mamíferos, e que possui tanto condutividade eletrônica quanto iônica.

Um dos desafios para utilizar a melanina na bioeletrônica é que o composto - assim como outros materiais à base de carbono, como o grafeno - tem baixa dispersão em meio aquoso, o que dificultava sua utilização na produção de filmes finos. Além disso, o processo convencional de síntese da melanina é complexo, com etapas difíceis de serem controladas, pode durar até 56 dias e ainda resultar em estruturas desordenadas.

A melanina biossintética obtida pelo novo processo apresenta boa dispersão em água e é muito semelhante à natural. O processo leva apenas algumas horas e é baseado em ajustes de parâmetros, como a temperatura, e na aplicação de uma pressão de oxigênio para promover a oxidação do material.

A pressão de oxigênio eleva a densidade no material do grupo carboxílico - composto por dois átomos de oxigênio ligados a um carbono, sendo um através de uma ligação dupla e outro através de uma ligação simples. Entre outras funções, esse grupo aumenta a solubilidade e a facilidade de se obter suspensões de melanina biossintética na água.

"Isso facilita bastante a obtenção de filmes finos de melanina com alta homogeneidade e qualidade", explicou Graeff.

A melanina está ajudando a criar uma eletrônica biologicamente compatível. [Imagem: Paul Schwenn]

Transistores bioeletrônicos

Por meio do aumento da densidade do grupo carboxílico, os pesquisadores também conseguiram tornar a melanina biossintética mais semelhante à biológica.

No processo de síntese natural da substância, que ocorre nos organismos vivos, há uma enzima que facilita a produção de ácidos carboxílicos. A nova rota de síntese da melanina consegue mimetizar quimicamente o papel dessa enzima e aumentar a densidade dos grupos carboxílicos.

"Temos conseguido obter por síntese química um material mais próximo do biológico e fazer filmes de qualidade muito boa para utilizá-los em dispositivos bioeletrônicos," afirmou Graeff.

Por meio de colaborações com instituições de pesquisa do Canadá, os pesquisadores brasileiros já começaram a usar a melanina biossintética para o desenvolvimento de contatos elétricos, sensores de pH e em células fotovoltaicas.

Mais recentemente, eles começaram a tentar desenvolver transistores.

"Nosso objetivo maior é obter transistores justamente para promover a junção da eletrônica com sistemas biológicos", disse Graeff.

Bibliografia:

Melanin synthesis under oxygen pressure
Erika Soares Bronze Uhle, João Vitor Paulin, Marina Piacenti Silva, Chiara Battocchio, Maria Luiza Miranda Rocco, Carlos Frederico de Oliveira Graeff
Polymer International
Vol.: 65, 11, 1339-1346

Novo diamante é mais duro que diamante

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/12/2016

Os nanodiamantes hexagonais são produzidos dentro de uma bigorna de diamante, a uma temperatura de 400º C.[Imagem: Jamie Kidston/ANU]

Diamante superduro

O diamante natural já não é mais o material mais duro que existe, mas talvez seja possível recuperar a coroa, perdida para os materiais sintéticos.

Thomas Shiell e seus colegas da Universidade Nacional Australiana acabam de sintetizar um novo tipo de diamante que é mais duro do que os diamantes normais.

Diamantes desse tipo só foram encontrados até hoje nas crateras de impacto de grandes meteoros - assim, apesar de ter sido sintetizado em laboratório, ele continua sendo considerado um material natural.

"Este novo diamante não vai parar em nenhum anel de casamento. É mais provável que você o veja em um local de mineração. Onde quer que você precise de um material superduro para cortar alguma coisa, este novo diamante tem o potencial para fazer isto mais rápido e mais facilmente," disse Jodie Bradby, coordenadora da equipe.

Lonsdaleíta

Usando uma bigorna de diamante, um aparelho usado para gerar pressões imensas, Shiell conseguiu sintetizar uma lonsdaleíta, uma forma hexagonal de carbono também já identificada na poeira interestelar.

"A estrutura hexagonal dos átomos destes diamantes torna-os muito mais duros do que os diamantes convencionais, que têm uma estrutura cúbica. Nós conseguimos produzi-los em nanoescala, e isto é entusiasmante porque geralmente, quando se trata desses materiais, menor significa mais forte," disse Bradby.

Os nanodiamantes já vêm sendo explorados para uso industrial, em equipamentos de corte e perfuração, seja em minas, poços de petróleo ou em ferramentas de desbaste para tornos e fresas.

Bibliografia:

Nanocrystalline hexagonal diamond formed from glassy carbon
Thomas B. Shiell, Dougal G. McCulloch, Jodie E. Bradby, Bianca Haberl, Reinhard Boehler, David. R. McKenzie
Nature Scientific Reports
Vol.: 6, Article number: 37232
DOI: 10.1038/srep37232

Como fazer softwares com menos bugs

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/12/2016

Erros de programação

É possível criar softwares com 100 vezes menos erros e vulnerabilidades do que os atuais, de acordo com cientistas da computação do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) dos EUA.

Para chegar a esse nível de qualidade, eles recomendam que os programadores adotem algumas abordagens compiladas em uma nova publicação que está sendo distribuída gratuitamente.

O documento de 60 páginas é uma coletânea das mais recentes estratégias desenvolvidas por toda a indústria de software, empresas de segurança e pesquisadores para reduzir os bugs de software.

Casa Branca

Embora o relatório seja oficialmente uma resposta a uma solicitação feita pelo Escritório de Política Científica e Tecnológica da Casa Branca, o conteúdo pode ajudar qualquer um que pretenda criar um código de computador de alta qualidade e com poucos defeitos.

"Nós queremos que os programadores conheçam essas estratégias. Nós nos concentramos em incluir ideias novas sobre as quais eles provavelmente não tenham ouvido falar," disse o pesquisador Paul Black, coordenador do grupo de trabalho.

Diminuir o número de bugs de software traz muitas vantagens, como reduzir o número de travamentos dos computadores, de reinicializações que os usuários precisam fazer, para não mencionar a diminuição do número de atualizações que precisam baixar. O problema é que as vulnerabilidades são mais do que comuns nos programas - mesmo pequenos aplicativos têm centenas de bugs, de acordo com estimativas e avaliações citadas no relatório.

Técnicas para reduzir bugs de software

O documento centra-se em cinco conjuntos de abordagens, ferramentas e conceitos que podem ajudar a melhorar a qualidade dos programas. Apesar dos títulos em um jargão pesado, cada conjunto possui uma ideia, um princípio abrangente, que não é difícil de captar.

Em termos mais próximos do senso comum, essas abordagens incluem:

• Usar linguagens de programação adequadas para a tarefa que o código precisará executar.
• Usar ferramentas matemáticas para verificar se o código funcionará corretamente.
• Dividir os programas em partes modulares de modo que, se uma parte falhar, o programa inteiro não trava.
• Conectar ferramentas de análise de código que atualmente operam isoladamente.
• Desenvolver táticas que possam ser alteradas e evoluir para proteger o código que seja alvo de ataques cibernéticos.

Também são fornecidas dezenas de referências com links para aprofundamento de cada tema específico citado no relatório.

O relatório, disponível apenas em inglês, intitulado Reduzindo Dramaticamente as Vulnerabilidades de Software, pode ser baixado gratuitamente.

Bibliografia:

Dramatically Reducing Software Vulnerabilities
Paul E. Black, Lee Badger, Barbara Guttman, Elizabeth Fong
DOI: 10.6028/NIST.IR.8151

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Balões elétricos para nanomáquinas e medicina

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/12/2016

O nanobalão nunca se enche realmente - ele murcha e volta ao seu estado normal, controlado eletrostaticamente. [Imagem: Umea University]

Máquinas moleculares

Balões infláveis não servem apenas para festas: versões mais resistentes são usadas para levantar grandes cargas, de automóveis até edifícios inteiros que estejam com problemas em suas fundações.

Hamid Barzegar e seus colegas da Universidade Umea, na Suécia, decidiram explorar esse mesmo conceito para construir nanobalões que possam executar trabalhos mecânicos diretamente ou no interior de nanomáquinas e de máquinas moleculares.

O "balão" é na verdade um único nanotubo de carbono fechado em uma das extremidades.

Barzegar descobriu que é possível murchar e reinflar o nanotubo usando não ar-comprimido, mas eletricidade estática.

Balões infláveis eletricamente

Na verdade, o nanobalão nunca se enche no sentido literal, de estar sendo preenchido por outra substância: a eletricidade estática, de alguns poucos volts, faz com que a estrutura redonda do nanotubo "colapse", mas sem se quebrar. Para fazê-lo "encher" novamente, basta desligar a energia.

Como não possui defeitos em sua constituição, o nanotubo pode ser enchido e esvaziado vezes sem conta, sem qualquer desgaste.

A equipe afirma que o conceito é interessante para uma ampla variedade de aplicações, incluindo nanomáquinas médicas que possam ser usadas abrir artérias obstruídas no interior do corpo humano.

"Numa perspectiva de longo prazo, também se pode imaginar nossas descobertas sendo utilizadas para o controle pneumático em nível molecular ou para projetar recipientes moleculares que possam se abrir ou fechar controlando a carga superficial das moléculas, por exemplo ajustando o pH da solução em que as moléculas estão dispersas. Isso poderia ser útil para aplicações médicas, para administrar medicamentos em órgãos internos ou tumores, por exemplo," acrescentou o professor Thomas Wagberg.

Bibliografia:

Electrostatically Driven Nanoballoon Actuator
Hamid Reza Barzegar, Aiming Yan, Sinisa Coh, Eduardo Gracia-Espino, Gabriel Dunn, Thomas Wagberg, Steven G. Louie, Marvin L. Cohen, Alex Zettl
Nano Letters
Vol.: 16 (11), pp 6787-6791
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02394

Corante que brilha no escuro forma bateria líquida

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/12/2016

[Imagem: Buffalo University]

Brilho verde

Este corante que brilha no escuro promete ser a próxima palavra no armazenamento de energia.

Conhecido como bodipy - uma abreviatura do termo em inglês para boro-dipirrometeno -, o material foi sintetizado por Anjula Kosswattaarachchi e seus colegas da Universidade de Buffalo, nos EUA.

O que a equipe descobriu é que esse corante possui propriedades excepcionais em duas áreas-chave para o armazenamento de energia: a coleta e armazenamento de elétrons e a participação na transferência de elétrons.

Nos primeiros testes, uma bateria à base de bodipy operou com uma eficiência de 73% a 2,3 volts por mais de 100 ciclos.

A proposta é que o corante sirva como elemento ativo de baterias de fluxo, que poderão ser carregadas com a energia gerada por fontes intermitentes, como eólica e solar, e depois descarregadas quando a energia for necessária.

Baterias redox

A vantagem das baterias de fluxo, ou baterias redox, é que elas não possuem limites máximos de armazenamento - basta ir enchendo tanques com o material, que depois é recirculado para liberar os elétrons quando a energia for necessária.

A eficiência de uma bateria redox depende das propriedades químicas do fluido utilizado.

"A biblioteca de moléculas usadas em baterias de fluxo redox é pequena atualmente, mas espera-se que ela cresça significativamente nos próximos anos. Nossa pesquisa identificou o corante bodipy como um candidato promissor," disse o professor Timothy Cook, coordenador da equipe.

Uma de suas grandes vantagens é que o material absorve e libera elétrons sem se degradar, como acontece com vários outros compostos químicos sendo pesquisados com o mesmo objetivo.

Bibliografia:

Characterization of a BODIPY Dye as an Active Species for Redox Flow Batteries
Anjula M. Kosswattaarachchi, Alan Friedman, Timothy R. Cook
ChemSusChem
DOI: 10.1002/cssc.201601104

Luz sofre metamorfose para caber dentro do chip

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/12/2016

Este é o esquema do multiplexador, com uma entrada e duas saídas. O acoplamento mais-menos indica os excitons. [Imagem: IBS]

Luz na matéria

Engenheiros coreanos construíram três componentes-chave para a viabilização de processadores que usam luz em vez de eletricidade.

Além disso, os três componentes combinam as vantagens da eletrônica tradicional com a nova fotônica, tudo na mesma plataforma.

Usar a luz dentro dos processadores é bom porque ela é muito mais rápida do que a eletricidade, mas é também complicado porque o comprimento de onda da luz é enorme em relação aos componentes ultraminiaturizados da eletrônica atual - enquanto a dimensão de um transístor está na casa dos 20 nanômetros e caindo rápido, o comprimento de onda da luz está na faixa dos 500 nanômetros.

Conversão da luz

A solução é controlar a propagação da luz diretamente na matéria, mais especificamente em nanofios metálicos dentro dos chips. Para isso a luz é convertida em plásmons de superfície, oscilações conjuntas de elétrons que emergem quando a luz atinge a superfície metálica dos fios, geralmente de alumínio, cobre, prata ou ouro.

Usando os plásmons de superfície, a informação pode ser transmitida quase à velocidade da luz em componentes minúsculos, já que as ondas são geradas na superfície do próprio componente, qualquer que seja seu tamanho.

• Plasmônica: chips à velocidade da luz

A equipe do Instituto de Ciências Básicas da Coreia do Sul conseguiu usar este princípio para construir três componentes essenciais para o processamento e a comunicações ópticas: transistores, multiplexadores e detectores de luz. Os componentes foram feitos com um semicondutor emergente, o dissulfeto de molibdênio (MoS2).

A luz é transformada em oscilações de elétrons, que se propagam rapidamente pela superfície metálica. [Imagem: Hyun Seok Lee et al. - 10.1038/ncomms13663]

Interconversão

Os componentes funcionam e se interconectam graças a um fenômeno chamado interconversão plásmon-exciton-plásmon, que pode ser visto na figura.

O transistor óptico foi construído interconectando um nanofio a uma folha de MoS2 (a molibdenita é formada por uma única camada atômica). A luz que atinge o componente é convertida em plásmon de superfície, depois para um exciton, de volta para plásmon de superfície, e então re-emitida como luz com um comprimento de onda mais curto - por exemplo, se a luz de entrada for verde, a luz de saída é vermelha.

A multiplexação de comprimento de onda funciona de forma semelhante, mas em vez de uma única folha de MoS2, foi utilizada uma matriz de três materiais semicondutores 2D diferentes emitindo luz em diferentes comprimentos de onda - uma única luz de entrada (violeta) gera três luzes de saída (azul, verde e vermelha).

Os sinais ópticos que se propagam ao longo do nanofio podem também ser transformados e detectados como sinais elétricos por um detector óptico de sinais, permitindo a conexão da parte fotônica do circuito com circuitos eletrônicos.

• Processador "excitônico" comunica-se diretamente por luz

Bibliografia:

Reconfigurable exciton-plasmon interconversion for nanophotonic circuits
Hyun Seok Lee, Dinh Hoa Luong, Min Su Kim, Youngjo Jin, Hyun Kim, Seokjoon Yun, Young Hee Lee
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 13663
DOI: 10.1038/ncomms13663

Infravermelho médio: Promessas começam a virar realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/12/2016

A equipe precisou sintetizar e polir manualmente a cavidade óptica a fim de obter a precisão necessária para produzir o infravermelho médio. [Imagem: T.J. Kippenberg/EPFL]

Vida, comunicações e espaço

Pesquisadores suíços e russos construíram o primeiro dispositivo prático para capturar e produzir luz em uma faixa do espectro luminoso que pode trazer novas revelações sobre a vida, mas que ninguém havia sido capaz de domar até agora.

Caroline Lecaplain e seus colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne construíram uma cavidade óptica capaz de manipular as ondas do infravermelho médio, também conhecido como "região das assinaturas moleculares" - ondas de luz com comprimentos entre 2,5 e 20 micrômetros.

Essa faixa do espectro eletromagnético é uma mina de ouro para a espectroscopia, os sensores químicos e biológicos, para a ciência dos materiais e para a indústria, uma vez que é o intervalo onde grande parte das moléculas orgânicas podem ser detectadas.

Aí estão incluídas também duas faixas precisas que deverão permitir a transmissão de sinais através da atmosfera sem qualquer distorção ou perda, abrindo novos caminhos para as comunicações via satélite e para coletar informações do espaço.

Cavidades ópticas

A melhor maneira que os físicos idealizaram até agora para aproveitar o potencial da janela espectral do infravermelho médio é usar cavidades ópticas, microdispositivos que confinam a luz por longos períodos de tempo. No entanto, a transformação da teoria em prática tem sido dificultada porque ninguém havia conseguido vencer os desafios tecnológicos para fazer cavidades ópticas capazes de operar nesse comprimento de onda.

Foi o que Lecaplain conseguiu fazer utilizando materiais cristalinos baseados em elementos de terras raras. Além de polir manualmente os cristais, ela precisou desenvolver fibras de materiais conhecidos como calcogenetos para acoplar a luz contínua de um laser de cascateamento quântico com o seu dispositivo capaz de "filtrar" o infravermelho médio.

O dispositivo alcançou o mais alto valor já registrado até hoje entre ressonadores operando nessa faixa do espectro. Talvez ainda não seja o componente definitivo para construir um aparelho que vá tornar realidade as muitas promessas da exploração do infravermelho médio, mas certamente é um grande passo nesse sentido.

O objetivo final da equipe é produzir um laser com frequência estável na faixa do infravermelho médio, que possa ser usado então como instrumento nas várias áreas de aplicação.

Bibliografia:

Mid-infrared ultra-high-Q resonators based on fluoride crystalline materials
Caroline Lecaplain, Clément Javerzac-Galy, M. L. Gorodetsky, Tobias J. Kippenberg
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 13383
DOI: 10.1038/NCOMMS13383

Quadricópteros em queda controlada fazem voos em Zero G

Redação do Site Inovação Tecnológica -  09/12/2016

A equipe precisou desenvolver rotores variáveis para conseguir lidar com as instabilidades geradas pelo voo de gravidade zero. [Imagem: Juan-Pablo Afman et al. (2016)]

Zero G

A realização de experimentos em microgravidade é tão importante que justificou a construção da Estação Espacial Internacional. Além disso, centenas de foguetes de sondagem são lançados todos os anos à fronteira do espaço em busca de poucos minutos de "ausência de gravidade".

Mas poucos conseguem pagar a conta dessas opções tradicionais, o que faz com que muitos experimentos não sejam realizados, ou sejam realizados fora das condições ideais.

Sabendo disso, Juan-Pablo Afman, do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos EUA, teve uma ideia: usar quadricópteros autônomos - controlados por software - para criar condições de Zero G a uma fração do custo dos foguetes.

Queda descontrolada

A ideia original era simples demais para ser verdade: fazer o quadricóptero subir até uma altitude determinada e depois deixá-lo cair o máximo possível, recuperando o controle antes que ele se esborrachasse no chão.

Não deu certo: a resistência do ar é suficiente para evitar que se atinja qualquer coisa parecida com Zero G. Além disso, os efeitos aerodinâmicos das hélices paradas durante a queda geram instabilidades tão fortes que fica difícil recuperar o controle do drone quando os motores são religados.

Depois de alguns "resultados catastróficos", como a equipe descreveu seus primeiros experimentos, eles descobriram que o plano fixo dos rotores dos quadricópteros convencionais não consegue produzir a forças necessárias para acelerar a aeronave para baixo, até atingir o Zero G, e nem para estabilizar o drone quando é necessário sair da queda livre.

Obedecendo à legislação, o quadricóptero fornece até 5 segundos de gravidade zero. [Imagem: Juan-Pablo Afman et al. (2016)]

Rotor móvel

Para resolver o problema, a equipe projetou e construiu rotores móveis, que permitem gerar empuxo suficiente e lidar com as instabilidades.

Um programa de computador fica responsável pelo controle, permitindo obter um ambiente de ausência de gravidade de até 5 segundos obedecendo a toda a legislação federal - nos EUA, os drones só podem subir a até 120 metros e não podem pesar mais do que 25 quilogramas.

Em sua versão final, que a equipe espera ter pronta até o fim do ano, será possível traçar trajetórias com diferentes características, de forma a obter sessões com durações precisas em Zero G para experimentos específicos.

A expectativa é que o sistema completo custe por volta de US$25.000, embora a equipe não tenha anunciado ainda como pretende comercializar o equipamento.

Bibliografia:

On the Design and Optimization of an Autonomous Microgravity Enabling Aerial Robot
Juan-Pablo Afman, John Franklin, Mark L. Mote, Thomas Gurriet, Eric Feron
https://arxiv.org/abs/1611.07650