Energia

Angra 2 receberá detector de neutrinos feito no Brasil

Com informações da Agência Fapesp -  27/01/2016

Projeto do detector de neutrinos brasileiro, que será instalado ao lado da Usina Angra 2.[Imagem: J. C. Anjos et al.]

Energia e neutrinos

Um detector de neutrinos totalmente projetado e construído no Brasil será instalado junto à parede externa do reator nuclear da Usina Angra 2, em Angra dos Reis, no Rio de Janeiro.

O detector foi projetado para monitorar em tempo real o nível de atividade do reator. Funcionará como uma ferramenta adicional de salvaguarda de proteção para certificar que o combustível nuclear (urânio enriquecido) ou seu refugo (plutônio) não estão sendo retirados de forma não declarada das usinas.

"A Eletronuclear, operadora de Angra 2, quer checar a sua viabilidade técnica", diz Ernesto Kemp, do Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), responsável pelo projeto e construção do detector de neutrinos.

A fissão do urânio enriquecido no interior de um reator nuclear gera energia, mas também gera plutônio, hoje usado sobretudo em reatores para naves espaciais.

Ocorre que o processo também gera as menores e as mais numerosas partículas subatômicas que se conhece, os neutrinos. Eles não possuem carga elétrica (como seu nome indica) e até os anos 1990 não se sabia se tinham massa. Hoje se calcula que a massa dos neutrinos deve ser muito menor que a de um elétron, embora o valor ainda não tenha sido medido.

E os neutrinos podem ser usados para monitorar o funcionamento do reator, sem qualquer interferência no próprio equipamento da usina.

Detector de neutrinos

O detector de neutrinos é formado por um tanque com uma tonelada de água ultrafiltrada, cercado por 32 fotomultiplicadores. Toda vez que um neutrino se chocar com os átomos da água no detector (uma probabilidade baixíssima, mas que eventualmente ocorre), o choque gera fótons - luz - com intensidade suficiente para serem enxergados pelos fotomultiplicadores.

A cada segundo, o reator de Angra 2, com potência térmica de 4 gigawatts, produz algo como 100 bilhões de trilhões de neutrinos (10²² neutrinos). A uma distância de 30 metros, o detector será banhado a cada segundo por 1 trilhão deles (10¹² neutrinos).

Em princípio, o detector poderia flagrar cerca de 5 mil neutrinos por dia, mas, na prática, o número relatado deverá ser menor. "Por dois motivos: o detector não é 100% eficiente e a filtragem do ruído causado por fontes naturais de radiação jogará fora uma fração considerável de eventos genuínos", diz Kemp.

Segundo João dos Anjos, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), "detectores de neutrinos em reatores nucleares são uma técnica já experimentada no Japão e na França. São detectores bem maiores, de 20 a 80 toneladas, enterrados em minas ou túneis. O nosso tem 1 tonelada. O grande desafio é criar um detector pequeno e móvel, que fique na superfície. É uma técnica nova que precisa ser testada."

Para tanto, o hardware e o software de análise precisarão distinguir as interações geradas pelos neutrinos do reator daquelas geradas pelo ruído de fundo, causado pelos raios cósmicos, pela torrente de neutrinos solares e pela radiação natural do meio ambiente. Em um detector enterrado e blindado, todo esse ruído é minimizado, mas na superfície a blindagem é zero. "Os sinais de raios cósmicos podem mimetizar e falsear um sinal de neutrino do reator. Não podemos incorrer em erros", afirma Ernesto Kemp.

O detector de neutrinos está em testes no CBPF. Em maio ele será remontado dentro de um contêiner de 12 metros que já está em Angra 2. [Imagem: J. C. Anjos et al.]

Neutrinos brasileiros

O projeto brasileiro de neutrinos nasceu em 2005. A ideia inicial era construir um detector pequeno e outro muito maior, de 50 toneladas, enterrado embaixo do Morro do Frade, que fica a 1,5 quilômetro de Angra 2.

O grande detector foi orçado em US$ 50 milhões, com um projeto voltado para o estudo das oscilações de neutrinos - a descoberta da oscilação de neutrinos, a mudança de um tipo de neutrino para outro, rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2015.

Na época existiam vários grupos com propostas similares espalhadas pelo mundo. Por questões de custos, vários grupos se uniram e o grupo brasileiro se juntou ao experimento de oscilação de neutrinos Double Chooz, que foi construído na França.

• Neutrino camaleão abre caminho para uma nova física

De qualquer forma, a construção de um detector de neutrinos totalmente nacional é um evento importante no campo da ciência e tecnologia brasileiras, embora não haja projetos de sua utilização científica.

"Nós, físicos brasileiros, já participamos de forma relevante em experimentos de partículas nos grandes laboratórios mundiais. Construir este detector nos deu grandes lições sobre como fazer ciência por aqui. Em caso de resultados positivos, estaremos contribuindo para a missão da AIEA [Agência Internacional de Energia Atômica] de monitoramento do destino seguro de rejeitos nucleares", afirma Kemp.

O Brasil é parceiro da colaboração Double Chooz, que usa para pesquisas científicas umdetector de neutrinos instalado próximo aos dois reatores de uma usina nuclear na cidade de Chooz, na França. [Imagem: Double Chooz Experiment]

Neutrinos

Se por um lado a massa dos neutrinos é quase desprezível, por outro lado eles são produzidos em quantidades assombrosas nas reações termonucleares no núcleo das estrelas.

• Neutrino super-energético aumenta mistério cósmico

O Sol banha a Terra com um tsunami incessante de neutrinos que atravessa o planeta inteiro e segue em frente como se tivesse cruzado o vazio. Calcula-se que 60 milhões deles atravessam cada centímetro cúbico do nosso corpo a cada segundo, como se todos os átomos e células que nos formam não existissem - calcula-se também que um neutrino possa atravessar um cubo de chumbo com aresta de um ano-luz com uma probabilidade mínima de se chocar com os densos átomos do metal.

É exatamente essa propriedade fantasmagórica dos neutrinos que servirá para monitorar a atividade do reator de Angra 2. Apesar de o reator estar blindado por metros e mais metros de chumbo, aço e concreto, para os neutrinos gerados na fissão é como se não existisse nenhuma barreira.

• Neutrinos podem transmitir mensagens através da Terra

O detector de neutrinos ficará encostado na parede externa da usina, a 30 metros do reator. Assim, poderá monitorar o fluxo de neutrinos e aferir o nível de atividade da usina.

Bibliografia:

Using Neutrinos to Monitor Nuclear Reactors: the Angra Neutrino Experiment, Simulation and Detector Status
J. C. Anjos, T. Abrahão, T. A. Alvarenga, L. P. Andrade, G. Azzia, A.S. Cerqueira, P. Chimenti, J. A. Costa, T. I. Dornelas, P. C. M. A. Farias, F. França, L. F. G. Gonzalez, G. P. Guedes, E. Kemp, H. P. Lima Jr, R. Machado, R. A. Nobrega, I. M. Pepe, A. L. M. Reis, D. B. S. Ribeiro, O. B. Rodrigues, L. M. Santos, S. M. V. Santos, E. F. Simas Filho, M. J. N. Souza, G. A. Valdiviesso, S. Wagner
Nuclear and Particle Physics Proceedings
Vol.: 267-269, Pages 108-115
DOI: 10.1016/j.nuclphysbps.2015.10.090

Nanotecnologia

Nanotecnologia faz tecelagem molecular

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/01/2016

A nanotecelagem interliga os compostos metálicos e orgânicos, criando uma técnica de fabricação flexível e reversível. [Imagem: Omar Yaghi/UC Berkeley]

Costurando em nível atômico

Químicos da Suécia e dos EUA conseguiram pela primeira vez tecer um material em nível molecular.

A tecelagem é a forma tradicional de fabricar tecidos, mas criar tramas de moléculas pode permitir a criação de compostos químicos muito interessantes.

A equipe teceu fios de moléculas orgânicas para formar um material tridimensional, usando o cobre como modelo.

Os íons de cobre podem ser adicionados e removidos sem alterar a estrutura como um todo. Além disso, a elasticidade do material pode ser alterada de forma reversível.

"A tecelagem em química é algo que se tem tentado há muito tempo na química, e é desconhecida na biologia," disse Omar Yaghi, dos Laboratórios Berkeley. "No entanto, encontramos uma maneira de tecer fios orgânicos que nos permite projetar e fabricar estruturas orgânicas complexas e grandes em duas e três dimensões."

Tecidos moleculares

A equipe afirma que a técnica de nanotecelagem também pode ser aplicada a nanopartículas ou polímeros, o que significa que esses materiais poderão ser fabricados na forma de películas finas para dispositivos eletrônicos.

A nanotecelagem permite múltiplas tramas (primeira linha) e construir nanotecidos em duas e três dimensões (linha central). Na linha inferior, imagem dos nanotecidos por microscopia eletrônica. [Imagem: Yuzhong Liu - 10.1126/science.aad4011]

O novo material resultante deste primeiro experimento de tecelagem molecular se enquadra na categoria dos COFs, sigla de Covalent Organic Frameworks, ouestruturas orgânicas covalentes.

"Nós levamos a arte da tecelagem para os níveis atômico e molecular, criando uma nova maneira poderosa de manipular a matéria com incrível precisão para atingir propriedades mecânicas únicas e valiosas," disse o professor Yaghi, que foi pioneiro na criação dos COFs e seus parentes próximos, os MOFS (Metal Organic Frameworks, ou estruturas metal-orgânicas).

COFs e MOFs

As COFs (estruturas orgânicas covalentes) e MOFs (estruturas metal-orgânicas) são cristais tridimensionais porosos com superfícies internas extraordinariamente grandes, que podem absorver e armazenar enormes quantidades de moléculas-alvo, que se encaixam e se distribuem em seus poros.

Estas estruturas são muito promissoras para inúmeras aplicações, incluindo osequestro de carbono e a redução do dióxido de carbono em monóxido de carbono, uma rota que permite essencialmente transformar o CO2 em uma ampla gama de produtos químicos, incluindo combustíveis, produtos farmacêuticos e plásticos.

• Hidrogênio e CO2 viram combustível líquido

Com a nova técnica, essas estruturas são tecidas para formar redes de grandes dimensões, cujas tramas são mantidas coesas por ligações químicas fortes.

Bibliografia:

Weaving of organic threads into a crystalline covalent organic framework
Yuzhong Liu, Yanhang Ma, Yingbo Zhao, Xixi Sun, Felipe Gándara, Hiroyasu Furukawa, Zheng Liu, Hanyu Zhu, Chenhui Zhu, Kazutomo Suenaga, Peter Oleynikov, Ahmad S. Alshammari, Xiang Zhang, Osamu Terasaki, Omar M. Yaghi
Science
Vol.: 351 ISSUE 6271 365-369
DOI: 10.1126/science.aad4011

Informática

Mesa inteligente tem memória e sugere descansos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/01/2016

Os usuários podem escolher entre trabalhar de pé ou sentados.[Imagem: Ergon Desk/Divulgação]

Estação de trabalho inteligente

Engenheiros espanhóis criaram um novo conceito em estação de trabalho.

A intenção era criar uma mesa de trabalho colaborativa e cooperativa, mas que respeitasse as necessidades e as características de cada trabalhador.

A mesa inteligente, batizada de Ergon Desk, tem um projeto ergonômico fundamentado em elementos móveis, que permitem adaptar cada posto de trabalho à pessoa e aos equipamentos utilizados, de um computador de mesa a notebooks, tablets e celulares.

Os trabalhadores podem ajustar a altura da mesa e também optar por trabalhar sentados ou de pé.

Cada posto de trabalho é operado individualmente e é equipado com sensores, que não apenas aprendem com os padrões de comportamento do usuário, mas também recomendam mudanças de postura e intervalos com base nos critérios ergonômicos que melhor se adequam à forma como o usuário trabalha e descansa.

Há cerca de trinta e cinco condições médicas associadas com a natureza sedentária do trabalho de escritório. [Imagem: Ergon Desk/Divulgação]

Mesa com memória

"No começo do expediente, nós queremos ser capazes de logar na nossa estação de trabalho e a mesa irá responder reconhecendo nossas configurações de trabalho, nossa altura, tanto sentados como de pé, e nossas preferências para o grau de inclinação da mesa," disse David Mata, da Universidade Carlos III de Madri, na Espanha.

Segundo ele, "há cerca de trinta e cinco condições médicas associadas com a natureza sedentária do trabalho de escritório, e a Ergon Desk pode ajudar a minimizar estas doenças, bem como aumentar a produtividade durante o dia de trabalho".

Mata e seus colegas fundaram uma empresa que foi acolhida na incubadora da universidade com vistas a colocar a mesa inteligente no mercado.

Mecânica

Peças de fibras avançadas impressas com tecnologia sônica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/01/2016

A impressão 3-D chegou aos compósitos, usados de instrumentos esportivos a carenagens de aviões e carros de corrida.[Imagem: Matt Sutton/Tom Llewellyn-Jones/Bruce Drinkwater]

Tecnologia sônica

A impressão 3-D chegou aos materiais avançados, ou compósitos, usados em aplicações que vão de instrumentos esportivos a carenagens de aviões e carros de corrida.

Tom Llewellyn-Jones, da Universidade de Bristol, no Reino Unido, desenvolveu uma nova tecnologia sônica para lidar com as fibras especiais que dão reforço aos compósitos.

Ondas ultrassônicas são usadas para posicionar cuidadosamente as milhões de microfibras de vidro, carbono e outros materiais que dão resistência a esses materiais avançados. O posicionamento é feito durante o processo de impressão 3D.

A seguir, a estrutura é endurecida usando um feixe de laser, que cura localmente a resina epóxi na qual as fibras são distribuídas e, em seguida, imprime o objeto.

Fabricação aditiva de compósitos

Para tornar o equipamento compatível com as impressoras 3D atuais, Jones montou o módulo de laser sobre o carro de uma impressora 3D padrão de três eixos, logo acima do aparelho de ultrassons.

"Nós demonstramos que o nosso sistema de ultrassons pode ser adicionado a uma impressora 3D comum de baixo custo, transformando-a em uma impressora 3D de compósitos," disse Jones.

Ondas ultrassônicas organizam as fibras de vidro em um padrão de linhas. Cada fibra é menor do que a espessura de um fio de cabelo, mas, coletivamente, elas criam uma microestrutura que reforça o material. A imagem à esquerda é um instantâneo de um filme mostrando o alinhamento das microfibras de cima para baixo. [Imagem: Matt Sutton/Tom Llewellyn-Jones/Bruce Drinkwater]

Mesmo com os dois passos adicionais necessários à técnica - o alinhamento das microfibras e a cura pelo laser - a impressora alcançou uma velocidade de 2 cm/s, o que é comparável com as técnicas de fabricação aditiva de polímeros e metais.

Mais importante, ela permite a fabricação de arquiteturas complexas dentro de outro objeto 3D, o que permite a integração dos compósitos a instrumentos maiores e a construção de peças de fibras avançadas dentro de moldes.

Bibliografia:

3D printed components with ultrasonically arranged microscale structure
Tom M. Llewellyn-Jones, Bruce W. Drinkwater, Richard S. Trask
Smart Materials and Structures
Vol.: 25, Number 2
DOI: 10.1088/0964-1726/25/2/02LT01

Energia

Material do futuro é sintetizado por mecanoquímica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/01/2016

Os cristais sintetizados mecanicamente geraram células solares com um desempenho 10% superior a outras feitas com perovskitas sintetizadas pelos métodos químicos tradicionais. [Imagem: Lewinski Group]

Química de estado sólido

Um dos materiais mais promissores para uma nova geração de células solares, LEDs e memórias RAM pode ser fabricado facilmente por meios puramente mecânicos.

O uso da mecanoquímica para fabricar cristais de perovskita foi descoberto por Daniel Prochowicz e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Varsóvia, na Polônia.

Em lugar das soluções de compostos químicos agressivos em altas temperaturas, os cristais de perovskita agora podem ser sintetizados em estado sólido, por um processo mecanoquímico que consiste basicamente em misturar e moer pós.

E o processo terá aplicações mais amplas.

"Com a ajuda da mecanoquímica, podemos sintetizar uma variedade de materiais funcionais híbridos inorgânicos-orgânicos com grande importância para o setor de energia. Nossas 'filhas' mais jovens são perovskitas de alta qualidade. Estes compostos podem ser usados para fabricar finas camadas sensíveis à luz de células solares de elevada eficiência," disse o professor Janusz Lewinski, coordenador da equipe.

Mecanoquímica

Para sintetizar mecanicamente as perovskitas, a equipe usou um moinho de bolas no qual são inseridos dois pós: um branco, o iodedo metilamônio (CH3NH3I), e outro amarelo, o iodedo de chumbo (PbI2).

"Depois de alguns minutos de moagem, não fica nenhum traço dos ingredientes. Dentro do moinho fica apenas um pó preto homogêneo, a perovskita CH3NH3PbI3," explica Anna Maria Cieslak, da Academia Polonesa de Ciências.

"Horas e horas de espera pelo produto da reação? Solventes? Temperaturas altas? No nosso método, tudo isso se torna desnecessário! Nós produzimos compostos químicos por meio de reações que ocorrem apenas em sólidos a temperatura ambiente," disse Prochowicz.

A equipe usou um moinho de bolas no qual são inseridos dois pós: um branco, o iodedo metilamônio (CH3NH3I), e outro amarelo, o iodedo de chumbo (PbI2). O material resultante (preto) pode ser visto no centro. [Imagem: IPC PAS/Grzegorz Krzyzewski]

Para ver se o material resultante era bom, a equipe o enviou para o professor Michael Graetzel, da Escola Politécnica de Lausanne, na Suíça, especialista em células solares. O resultado foram células solares com um desempenho 10% superior a outras feitas com perovskitas sintetizadas pelos métodos químicos tradicionais.

"O método mecanoquímico de síntese de perovskitas é o método mais ambientalmente amigável de produzir esta classe de materiais. Simples, rápido e eficiente, ele é ideal para aplicações industriais. Com toda a responsabilidade, podemos afirmar: as perovskitas são os materiais do futuro, e a mecanoquímica é o futuro das perovskitas," disse o professor Lewinski.

Perovskitas

Perovskitas são um grande grupo de materiais, caracterizado por uma estrutura cristalina bem definida.

Na natureza, a perovskita aparece como um mineral chamado óxido de cálcio titânio(IV), ou CaTiO3. Nele, os átomos de cálcio são dispostos nos cantos de um cubo, no meio de cada uma das paredes há um átomo de oxigênio e no centro do cubo há um átomo de titânio.

Em outros tipos de perovskitas, a mesma estrutura cristalina pode ser construída de vários compostos orgânicos e inorgânicos, o que significa que o titânio pode ser substituído, por exemplo, por chumbo, estanho ou germânio.

Como resultado, as propriedades de cada perovskita podem ser ajustadas de modo a melhor se adequar à aplicação desejada, por exemplo, em energia fotovoltaica, LEDs e telas, mas também na construção de eletroímãs supercondutores, transformadores de alta tensão, geladeiras magnéticas, sensores de campo magnético, catálise ou memórias RAM capazes de guardar trits, em vez de bits.

• Perovskita começa a ameaçar células solares de silício

Bibliografia:

Mechanosynthesis of the hybrid perovskite CH3NH3PbI3: characterization and the corresponding solar cell efficiency
D. Prochowicz, M. Franckevicius, A. M. Cieslak, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, J. Lewinski
Journal of Materials Chemistry A
Vol.: 3, 20772-20777
DOI: 10.1039/C5TA04904K

Informática

Li-Fi: México torna-se pioneiro em internet por luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/01/2016

A empresa mexicana também está disponibilizando soluções Li-Fi para abajures e luminárias de mesa.[Imagem: InvDes]

Li-Fi

O México tornou-se o primeiro país a colocar no mercado a tecnologia de conexão Li-Fi, que promete substituir a Wi-Fi.

A tecnologia Li-Fi permite a transmissão de áudio, vídeo e internet até 100 vezes mais rápido, através da luz de LEDs e outras luminárias, ou seja, por meio de luz visível, substituindo as ondas de rádio do sistema Wi-Fi.

"Imagine ter internet através de cada luminária, evitando os problemas de velocidade e largura de banda saturadas porque todo mundo está conectado," disse Arturo Campos, responsável pelo lançamento do serviço, chamado LedCom, da empresa Sisoft.

Segundo ele, a taxa de transmissão do LiFi permitirá o aumento da velocidade da internet para até 10 gigabits por segundo em alguns casos, o equivalente ao download de um filme HD em apenas 30 segundos, embora a velocidade dependa da empresa fornecedora.

• Li-fi: transmissão de dados por luz alcança 10 Gbit/s

E uma já vislumbrada segunda geração da tecnologia poderá alcançar larguras de banda ainda maiores, assim que os lasers brancos consigam sair dos laboratórios.

Custos do Li-Fi

Para transmitir os sinais por luz, os chips Li-Fi da SiSoft foram projetados para captar os sinais do roteador e convertê-los em alterações no brilho emitido pelos LEDs. O receptor é conectado ao computador por uma porta USB.

A empresa anunciou uma capacidade de produção de 10.000 chips Li-Fi por mês.

Campos afirmou que serão colocados no mercado diferentes kits, que variam de cinco lâmpadas até a iluminação completa de uma casa ou escritório, garantindo a transmissão de dados para qualquer canto iluminado.

Os custos vão depender do tipo de luminária, sendo estimados entre 50 e 400 dólares (R$200 a R$1.600), incluindo o transmissor, receptor e a instalação. A estimativa é que as lâmpadas tenham um tempo de vida de dois anos.

Nanotecnologia

Nós quânticos são reais. E impossíveis de desatar

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/01/2016

Visualização da estrutura do nó quântico. Cada faixa colorida representa um conjunto de direções no campo que está atado. Observe que cada faixa é torcida e ligada com as outras uma única vez. Desatar o nó exige que as faixas sejam separadas, o que não é possível fazer sem quebrá-las.[Imagem: David Hall]

Nó impossível de desatar

Existem mesmo nós no mundo quântico - e eles são impossíveis de desatar.

É a primeira vez que os físicos conseguem observar a existência de nós naquilo que eles chamam de "matéria quântica", que já vinha sendo usada para fabricarcristais quânticos, cristais indecisos e até fractais quânticos.

Mas ninguém havia conseguido dar nós nessa matéria quântica, formada por átomos, naturais ou artificiais, em temperaturas próximas do zero absoluto, que permitem a observação de efeitos quânticos em escala macroscópica.

Em essência, toda matéria é quântica, mas, no caso desta classe de experimentos, o termo geralmente refere-se ao estado de átomos de rubídio ultrafrios formando um condensado de Bose-Einstein.

Os nós foram dados em sólitons, ou ondas solitárias, gerados no condensado e já explorados em experimentos que vão da construção de cristais de pura luz a testes da dilatação do tempo prevista por Einstein.

Nó quântico

Diferentemente dos nós em uma corda, os nós quânticos existem em um campo que assume uma determinada direção em cada ponto do espaço. O campo se decompõe em um infinito número de anéis interligados, cada um com sua própria direção no campo.

"Expusemos o condensado de rubídio a rápidas mudanças de um campo magnético especificamente adaptado, amarrando cada nó em menos de um milésimo de segundo. Depois que aprendemos a amarrar o primeiro nó quântico, ficamos bons nisso - já amarramos várias centenas desses nós," contou o professor David Hall, da Universidade Amherst, nos EUA.

A estrutura resultante - o nó quântico - é topologicamente estável, uma vez que ele não pode ser desamarrado sem quebrar o anel. Em outras palavras, não se pode desatar o nó quântico, a menos que se destrua o próprio estado que caracteriza a matéria quântica.

A estrutura teórica do nó quântico, na linha superior, e o resultado experimental, na linha inferior. [Imagem: David Hall et al. - 10.1038/nphys3624]

Cosmologia e computação quântica

A demonstração poderá ter implicações em uma ampla variedade de domínios, muito além da compreensão teórica do comportamento da matéria quântica e dos sólitons.

"Agora que vimos esses bichos exóticos, estamos realmente animados para estudar suas propriedades muito peculiares. É importante ressaltar que nossa descoberta se conecta a um diversificado conjunto de áreas de pesquisas, incluindo a cosmologia, energia de fusão nuclear e os computadores quânticos," disse o professor Mikko Mottonen, da Universidade Aalto, na Finlândia, coordenador da equipe, que também foi pioneira na criação de monopolos magnéticos.

Fibração de Hopf

O professor Mottonen explica que, matematicamente falando, o nó quântico criado por sua equipe realiza na prática um mapeamento conhecido como fibração de Hopf, descoberto por Heinz Hopf em 1931.

Hopf elaborou uma função contínua - um mapa - que associa cada ponto de uma esfera comum a uma hiperesfera - ou 3-esfera, que preenche um espaço quadridimensional.

Cada ponto da esfera comum transforma-se em um círculo distinto da 3-esfera, ou seja, esta é composta por "fibras", onde cada "fibra" é um círculo que corresponde a cada ponto da esfera comum - daí o nome de fibrado de Hopf, ou fibração de Hopf. São as mesmas fibras vistas acima na ilustração do nó quântico.

Bibliografia:

Tying Quantum Knots
D. S. Hall, M. W. Ray, K. Tiurev, E. Ruokokoski, A. H. Gheorghe, M. Mottonen
Nature Physics
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphys3624

Energia

Perovskita começa a ameaçar células solares de silício

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/01/2016

Ilustração 3D das moléculas de FDT na superfície dos cristais de perovskita. [Imagem: Sven M. Hein/EPFL]

Já se sabia que as células solares de perovskita vieram para ficar.

O que não se sabia é que elas começariam a ameaçar as células solares de silício tão rapidamente.

As células solares de perovskita são potencialmente muito mais baratas do que as de silício, além de o material poder ser usado para fabricar células solares ou LEDs, dependendo da necessidade.

Agora, duas equipes, trabalhando de forma independente, conseguiram dois avanços que fizeram este novo material fotovoltaico crescer e aumentar de eficiência.

Eficiência

Michael Saliba, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, bateu o recorde de eficiência na geração fotovoltaica com células solares de perovskita.

Seus protótipos superaram um patamar significativo, chegando a exatos 20,2%.

Além disso, a equipe resolveu o problema do material transportador de cargas positivas na célula solar, substituindo os caros materiais usados em laboratório até agora.

O novo material, chamado FDT (sigla em inglês para fluoreno-ditiofeno dissimétrico), custa apenas um quinto do preço dos materiais usuais. Mais importante, ele pode ser facilmente modificado, fornecendo um esquema para a criação de toda uma família de materiais transportadores de cargas positivas.

"As células solares de perovskita de melhor rendimento usam materiais de transporte de lacunas que são difíceis de fabricar e purificar, e são proibitivamente caros. Em comparação, o FDT é fácil de sintetizar e purificar e seu custo é estimado em um quinto daquele dos materiais existentes," disse o professor Mohammad Nazeeruddin.

Tamanho

O novo processo de fabricação permite fabricar grandes pastilhas de perovskita, permitindo aumentar a eficiência de células solares grandes. [Imagem: Brown University/NREL]

Mengjin Yang, da Universidade Brown, nos EUA, ficou no patamar já bem estabelecido de eficiência dessas células solares, com seus protótipos alcançando a faixa dos 15%.

Mas sua grande inovação foi fabricar cristais grandes de perovskita, conseguindo pastilhas com áreas superiores a um centímetro quadrado.

Ainda é pouco perto das pastilhas de silício, mas é uma demonstração cabal de que as perovskitas são bem mais do que curiosidades de laboratório, e que estão prontas para caminhar dos laboratórios para as fábricas.

"O problema com as perovskitas é que, quando você tenta fabricar filmes grandes com as técnicas tradicionais, geram-se defeitos no filme que diminuem a eficiência," explicou o professor Nitin Padture, coordenador da equipe.

A solução foi usar precursores orgânicos no ambiente de crescimento dos cristais que funcionam como cola para os pequenos cristais emergentes de perovskita, que então se juntam para formar um cristal grande.

A equipe agora quer otimizar a eficiência das suas células solares e já fala em alcançar o patamar de 25%.

Bibliografia:

Square-Centimeter Solution-Processed Planar CH3NH3PbI3 Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 15%
Mengjin Yang, Yuanyuan Zhou, Yining Zeng, Chun-Sheng Jiang, Nitin P. Padture, Kai Zhu
Advanced Materials
Vol.: 27, Issue 41 Pages 6363-6370
DOI: 10.1002/adma.201502586

A molecularly engineered hole-transporting material for e cient perovskite solar cells
Michael Saliba, Simonetta Orlandi, Taisuke Matsui, Sadig Aghazada, Marco Cavazzini, Juan-Pablo Correa-Baena, Peng Gao, Rosario Scopelliti, Edoardo Mosconi, Klaus-Hermann Dahmen, Filippo De Angelis, Antonio Abate, Anders Hagfeldt, Gianluca Pozzi, Michael Graetzel, Mohammad Khaja Nazeeruddin
Nature Energy
Vol.: 15017
DOI: 10.1038/NENERGY.2015.17

Eletrônica

Metassuperfície revoluciona instrumento científico

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/01/2016

Da astrofísica à tecnologia de alimentos, os polarímetros são ferramentas essenciais nos laboratórios e em aplicações práticas. [Imagem: Balthasar Mueller et al. - 10.1364/OPTICA.3.000042]

Polarização da luz

Um polarímetro dentro de um chip - talvez não soe como algo estupendamente fantástico, mas esta é uma das "maravilhas tecnológicas" longamente esperada por inúmeras áreas de pesquisas.

Embora o olho humano não seja particularmente sensível à polarização, esta é uma propriedade fundamental da luz.

Quando a luz é refletida ou espalhada por um objeto, as alterações que essa interação com a matéria geram sobre sua polarização revelam um monte de informações sobre o objeto.

Os astrofísicos, por exemplo, utilizam as medições de polarização para analisar a superfície de planetas distantes, para mapear os campos magnéticos que envolvem a Terra, o Sistema Solar e até galáxias inteiras, e também para tentar descobrir a natureza da "espuma quântica" que se acredita caracterizar a realidade em escalas muito pequenas - a chamada escala de Planck.

Já os fabricantes de medicamentos utilizam a polarização da luz para determinar a quiralidade e a concentração das moléculas que irão compor os novos fármacos - na verdade, das pesquisas básicas até a tecnologia de alimentos, a química e as áreas "bio" utilizam fortemente a polarização para decifrar dados críticos sobre as substâncias.

Nas telecomunicações, a polarização é utilizada para transportar informações através dos cabos de fibra óptica.

E por aí vai.

Polarímetro

Isto demonstra a importância do trabalho de miniaturização realizado agora por Balthasar Mueller, Kristjan Leosson e Federico Capasso, da Escola de Engenharia da Universidade de Harvard, nos EUA.

"Nós pegamos um instrumento que pode atingir o tamanho de uma bancada de laboratório e o reduzimos para o tamanho de um chip. Ter um polarímetro dentro de um microchip tornará as medições de polarização disponíveis pela primeira vez para uma ampla gama de aplicações, incluindo aparelhos portáteis mais eficientes energeticamente," disse o professor Capasso.

A miniaturização foi possível graças a uma metassuperfície, uma superfície feita de metamateriais.

A metassuperfície é formada por uma superfície metálica coberta por uma matriz de finíssimas antenas metálicas, menores do que o comprimento de onda da luz, tudo incorporado em um filme de polímero.

Quando a luz atinge a matriz de antenas, partes dela se dispersam em quatro direções. Quatro detectores medem então a intensidade da luz difundida e seus resultados são combinados para dar o estado da polarização em tempo real.

"Uma vantagem desta técnica é que a medição da polarização deixa o sinal praticamente intacto," disse Mueller. "Isto é crucial para muitos usos de polarimetria, especialmente em telecomunicações ópticas, onde as medições devem ser feitas sem perturbar o fluxo de dados."

Bibliografia:

Ultracompact metasurface in-line polarimeter
J. P. Balthasar Mueller, Kristjan Leosson, Federico Capasso
Optica
Vol.: 3, Issue 1, pp. 42-47
DOI: 10.1364/OPTICA.3.000042

Nanotecnologia

Raio trator sônico manipula partículas em 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/01/2016

Assim como os raios tratores fotônicos, os raios tratores sônicos poderão ter aplicações espaciais. [Imagem: Marzo/Drinkwater/Subramanian]

Pinças acústicas

As pinças acústicas - também conhecidas como "raios tratores sônicos" - ficaram ainda mais poderosas e versáteis.

Agora elas são capazes de capturar pequenas partículas e movê-las livremente em três dimensões.

A inovação foi anunciada simultaneamente por duas equipes, que usaram abordagens diferentes para conseguir manipular as partículas usando uma única fonte sônica, dispensando a necessidade de múltiplos transdutores e até mesmo de superfícies reflexivas para as ondas sonoras.

Em outras palavras, as partículas podem ser manipuladas pelas pinças sônicas de um único lado, sem necessidade de que a energia acústica penetre o material pelos dois lados, ou que a amostra sendo manipulada precise ser enclausurada em um recipiente.

Raios tratores sônicos e fotônicos

O trabalho das duas equipes torna realidade o longamente esperado uso da técnica para manipulação de células e tecidos vivos, incluindo a realização de microcirurgias, a deposição cuidadosa de medicamentos em pontos específicos de um organismo e a coleta de amostras celulares sem contato, além do uso em microscopia.

A ferramenta mais utilizada até hoje para manipulação de partículas é baseada em luz, as chamadas pinças ópticas, que estão se aproximando de um nível de desenvolvimento que pode viabilizar seu uso no espaço, como os raios tratores vistos na ficção científica.

Segundo os pesquisadores, os raios tratores sônicos também poderão ser usados no espaço, mas dentro das naves e estações espaciais, onde poderão ser úteis para manipular materiais que ficam flutuando pela ausência de gravidade.

O raio trator sônico agora funciona a partir de um único "canhão" de disparo. [Imagem: APS/Alan Stonebraker]

Gradientes sônicos

Quando uma onda acústica atinge uma partícula, ela exerce uma força oscilatória e uma força constante, conhecida como "pressão de radiação". É esta última que é usada para aprisionar e manipular as partículas, o que exige que ela contenha gradientes de pressão dentro do campo sônico.

Mas gerar esses gradientes a partir de uma única fonte, com a força suficiente para segurar e mover as partículas, e sem que as ondas refletidas se cancelem, não era um desafio pequeno.

Diego Baresch, da Universidade Sorbonne, na França, resolveu o problema usando um alto-falante capaz de gerar um vórtice acústico, que possui uma pressão de radiação ao longo do seu eixo, além de um forte gradiente lateral que aprisiona as partículas com segurança. Para focalizar o vórtice acústico precisamente na partícula foi usada uma lente acústica.

Asier Marzo, trabalhando com colegas das universidades de Navarra (Espanha) e Bristol (Inglaterra), conseguiu dispensar a necessidade da lente acústica usando uma matriz de alto-falantes controlados por um algoritmo para obter o mesmo efeito, gerando gradientes laterais e axiais com força suficiente para manipular as partículas.

Bibliografia:

Observation of a Single-Beam Gradient Force Acoustical Trap for Elastic Particles: Acoustical Tweezers
Diego Baresch, Jean-Louis Thomas, Régis Marchiano
Physical Review Letters
Vol.: 116, 024301
DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.024301

Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects
Asier Marzo, Sue Ann Seah, Bruce W. Drinkwater, Deepak Ranjan Sahoo, Benjamin Long, Sriram Subramanian
Nature
Vol.: 6, Article number: 8661
DOI: 10.1038/ncomms9661

Memória antiferromagnética nasce para revolucionar armazenamento de dados

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/01/2016

A memória antiferromagnética passa a ser uma excelente candidata para a tão esperada "memória universal", que poderá substituir todos os outros tipos de memória na computação. [Imagem: P. Wadley et al. - 10.1126/science.aab1031]

Memória ultrarrápida

O magnetismo secreto dos antiferromagnetos tem deslumbrado os físicos nos últimos anos, abrindo caminho para uma "nanotecnologia de superfície" que abrange da tradicional eletrônica à computação quântica, passando pelaplasmônica e pela spintrônica.

Graças a esse esforço, está nascendo agora a primeira memória antiferromagnética, um tipo de memória completamente diferente das memórias digitais atuais.

Uma equipe internacional de pesquisadores da Europa e do Japão descobriu como os "spins magnéticos" dos materiais antiferromagnéticos podem ser controlados para criar uma memória digital extremamente rápida.

"Este trabalho demonstra o primeiro controle dos antiferromagnetos por corrente elétrica. Ele utiliza um fenômeno físico inteiramente novo e, ao fazer isso, demonstra o primeiro dispositivo de memória totalmente antiferromagnético. Isso pode ser extremamente significativo, já que os antiferromagnetos têm um conjunto intrigante de propriedades, incluindo um limite teórico de velocidade de comutação aproximadamente 1.000 vezes mais rápido do que as melhores tecnologias de memória atuais," disse o professor Peter Wadley, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido.

Memória universal

A promessa é de um consumo mínimo de energia e maior velocidade, o que resultará em aparelhos portáteis com menor consumo de bateria e aparelhos de mesa mais eficientes.

Esta forma de memória digital inteiramente nova não produz campos magnéticos, ou seja, os elementos individuais podem ficar mais juntos dentro do chip, levando a uma maior densidade de armazenamento. A memória antiferromagnética também é insensível à radiação e a campos magnéticos, o que a torna particularmente adequada para aplicações espaciais e em aviônica.

Se todo esse potencial puder ser passado dos laboratórios para as fábricas, a memória antiferromagnética passa a ser uma excelente candidata para a tão esperada "memória universal", que poderá substituir todos os outros tipos de memória na computação.

Estrutura do cristal antiferromagnético, que foi cultivado camada por camada sob vácuo. [Imagem: P. Wadley et al. - 10.1126/science.aab1031]

Memória antiferromagnética

A memória antiferromagnética foi construída em um cristal especial, feito de cobre, manganês e arsênio (CuMnAs), crescido em vácuo quase completo, uma camada atômica de cada vez - ou seja, é uma memória totalmente antiferromagnética, sem nenhum elemento híbrido.

A equipe demonstrou que o alinhamento dos momentos magnéticos - os spins - do antiferromagneto pode ser controlado com pulsos elétricos disparados através do material.

"A corrente elétrica gera um torque quântico sobre os spins individuais e permite que cada uma deles se incline em 90 graus," explica o professor Frank Freimuth, do Instituto Peter Grunberg, na Alemanha.

Ou seja, o cristal funciona como uma memória spintrônica, acionada por uma corrente baixíssima, totalmente imune a efeitos magnéticos externos, e na qual os bits podem ser chaveados entre 0 e 1 a uma velocidade de centenas a milhares de vezes mais rápida do que os bits das memórias eletrônicas convencionais.

Antiferromagnetismo

Diferentemente do que ocorre no ferromagnetismo, que é usado nos discos rígidos e nas memórias convencionais, no material antiferromagnético os spins dos átomos vizinhos são alinhados na mesma direção, mas em sentidos opostos (alinhamento horizontal, da direita para esquerda, por exemplo), o que torna o material magneticamente neutro em um nível maciço - em macroescala.

Isto significa que as linhas de átomos antiferromagnéticos podem ser colocadas muito mais próximas umas das outras, sem interferir magneticamente entre si - uma distância de um nanômetro já foi demonstrada experimentalmente, criando a menor unidade de armazenamento magnético já construída.

Bibliografia:

Electrical switching of an antiferromagnet
P. Wadley, B. Howells, J. elezny, C. Andrews, V. Hills, R. P. Campion, V. Novak, K. Olejnik, F. Maccherozzi, S. S. Dhesi, S. Y. Martin, T. Wagner, J. Wunderlich, F. Freimuth, Y. Mokrousov, J. Kune, J. S. Chauhan, M. J. Grzybowski, A. W. Rushforth, K. W. Edmonds, B. L. Gallagher, T. Jungwirth
Science
Vol.: Published online
DOI: 10.1126/science.aab1031