Forças de van der Waals são medidas entre átomos individuais

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/05/2016

Átomos de gases nobres depositados na rede molecular são "tocados" com um único átomo de xenônio fixado na ponta de sondagem de um microscópio de força atômica, permitindo medir a interação entre eles. [Imagem: Universidade da Basileia/Physics]

Atração e desgaste

As tênues forças de van der Waals foram medidas entre átomos individuais pela primeira vez.

Mesmo sendo muito fracas em comparação com as ligações químicas, as forças de van der Waals são extremamente importantes na natureza e na nanotecnologia. Elas desempenham um papel importante em todos os processos relacionados com fenômenos como a coesão, adesão, fricção ou condensação.

Elas são responsáveis, por exemplo, pela capacidade das lagartixas andarem pelas paredes e pelo desgaste acelerado e desanimador dos equipamentos mecânicos ultraminiaturizados, como os MEMS e os NEMS.

E a medição, feita por físicos da Universidade da Basileia, na Suíça, trouxe informações importantes para permitir usar de forma prática ou evitar a ação das forças de van der Waals.

Ocorre que os resultados mostraram valores várias vezes maiores do que as previsões teóricas, o que significa que os engenheiros podem estar trabalhando com parâmetros incorretos quando tentam criar adesivos secos que imitem os pés das lagartixas ou evitar os desgastes dos sistemas microeletromecânicos.

Ligações covalentes entre gases nobres

Shigeki Kawai e seus colegas fixaram átomos individuais de gases nobres dentro de uma rede molecular e então mediram as interações desses átomos com um único átomo do também gás nobre xenônio posicionado na ponta de um microscópio de força atômica.

Como esperado, as forças variam conforme a distância entre os dois átomos. Mas, em alguns casos, seus valores se mostraram várias vezes maiores do que as teorias prediziam.

Ainda terão que ser desenvolvidos novos modelos para tentar explicar os dados, mas a equipe sugere que, mesmo em um gás nobre, pode haver transferência de cargas, o que significaria a formação eventual de ligações covalentes.

Forças de van der Waals

As teorias atuais propõem que as forças de van der Waals surgem devido a uma redistribuição temporária dos elétrons nos átomos e moléculas.

Isto resulta na formação ocasional de dipolos, que por sua vez levam à redistribuição dos elétrons entre moléculas vizinhas. Devido à formação dos dipolos, as duas moléculas experimentam uma atração mútua - é isto que é conhecido como interação de van der Waals.

Ou seja, a força de van der Waals é algo que só existe temporariamente, mas que é repetidamente reformada, daí sua ação constante em termos práticos.

Além disso, mesmo sendo as forças de ligação mais fracas que existem, elas se adicionam até alcançar magnitudes que podem ser percebidas em macroescala - como no exemplo dos pés das lagartixas.

Bibliografia:

Van der Waals interactions and the limits of isolated atom models at interfaces
Shigeki Kawai, Adam S. Foster, Torbjörn Björkman, Sylwia Nowakowska, Jonas Björk, Filippo Federici Canova, Lutz H. Gade, Thomas A. Jung, Ernst Meyer
Nature Communications
DOI: 10.1038/ncomms11559

Spintrônica começa a funcionar a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/05/2016

A imagem de fundo desta apresentação é uma microfotografia real do material spintrônico - cada ponto representa um átomo. A estrutura central ilustra a manipulação dos spins. [Imagem: Masaaki Tanaka/Story Laboratory/LLC]

Spintrônica quente

A spintrônica promete superar e eletrônica em quase tudo - ao depender do spin dos elétrons, e não de enxurradas de elétrons, ela pode gerar processadores mais rápidos, menores e que não esquentam.

Além disso, a spintrônica está a um passo da computação quântica, permitindo estabelecer uma ponte com tecnologias ainda mais futurísticas.

E agora as coisas começaram a esquentar de vez, deixando tudo isto mais próximo da realização prática.

Pesquisadores vietnamitas e japoneses conseguiram pela primeira vez fazer com que um dos dispositivos spintrônicos mais promissores funcione a temperatura ambiente - quase tudo que se fez nesse campo e na área da computação quântica até agora opera em temperaturas criogênicas.

Semicondutores ferromagnéticos

Nguyen Thanh Tu e seus colegas sintetizaram semicondutores ferromagnéticosdopados com ferro que permitem manipular o spin dos elétrons e parecem estar imunes ao ruído que ocorre a temperaturas mais elevadas.

"A unificação da semicondução e do magnetismo é desejável porque oferece novas oportunidades de utilização dos graus de liberdade do spin em dispositivos semicondutores," disse o professor Masaaki Tanaka, da Universidade de Tóquio.

"Na verdade, a nossa abordagem vai contra as visões tradicionais de design de materiais para semicondutores ferromagnéticos. Obtivemos um grande avanço crescendo pela primeira vez um semicondutor dopado com ferro que apresenta o ferromagnetismo até a temperatura ambiente, e em semicondutores que têm boa compatibilidade com a eletrônica moderna. Nossos resultados abrem o caminho para a criação de dispositivos spintrônicos semicondutores operando a temperatura ambiente," finalizou.

Agora é esperar que o novo material seja utilizado para fabricar os tão esperados transistores de spin, que possam substituir os transistores eletrônicos atuais.

Bibliografia:

High-temperature ferromagnetism in heavily Fe-doped ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb
Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka
Applied Physics Letters
Vol.: 108, 192401
DOI: 10.1063/1.4948692

LHC para quasipartículas desvendará matéria sólida

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/05/2016

Elétrons (azul) e lacunas (vermelho) colidiram dentro de um cristal de disseleneto de tungstênio (estrutura na parte inferior). Após a colisão, a energia adquirida durante a aceleração é emitida em fótons de alta energia (raios coloridos) que guardam informações fundamentais sobre o cristal.[Imagem: Fabian Langer/Universidade de Regensburg]

Colisor de estado sólido

A viabilidade de construção de um colisor de estado sólido que choca quasipartículas acaba de ser demonstrada por Fabian Langer (Universidade de Regensburg - Alemanha) e uma equipe internacional de pesquisadores.

A diferença com os colisores de partículas, como o LHC, é que esses futuros laboratórios deverão ser pequenos e funcionarão em matéria sólida, e não na forma de feixes de partículas que se chocam.

Os colisores de partículas estão permitindo desvendar o funcionamento da matéria, como ocorreu recentemente com a descoberta do bóson de Higgs.

Contudo, apesar do fato de que toda a tecnologia moderna depende do conhecimento das propriedades estruturais e eletrônicas de materiais sólidos - os semicondutores, por exemplo -, até agora não existe um equivalente de estado sólido para um colisor em nível atômico.

Quasipartículas

Dentro de um sólido, os análogos mais úteis das partículas, como os prótons, são as chamadas quasipartículas, entidades que ficam a meio caminho entre a matéria e a luz, como os fônons, os sólitons, os excitons e os topolaritons.

Para entender do que se trata uma quasipartícula, imagine que, se cada torcedor em um estádio for como um átomo em um sólido, então a quasipartícula é a onda que a torcida faz quando os torcedores se levantam e se sentam em sincronia. Essas ondulações estão na base de tecnologias como aplasmônica e seus chips à velocidade da luz, novas formas de converter luz em eletricidade, e de um tipo muito especial de laser, chamado spaser, apenas para citar alguns exemplos.

Experimentos anteriores já permitiram acelerar quasipartículas como os excitons - pares de elétrons e lacunas (vacâncias de elétron) ligados pela força elétrica - usando raios laser, mas até agora ninguém havia conseguido fazer duas quasipartículas se chocarem.

Os promissores skyrmions e os isolantes topológicos poderão ter seus segredos desvendados nos aceleradores de estado sólido. [Imagem: Dustin Gilbert / NIST]

Pulsos terahertz

O feito foi conseguido usando uma fonte de laser única no mundo, localizada no Laboratório Terahertz em Regensburg, na Alemanha. Como as quasipartículas têm um tempo de vida extremamente curto, é crucial trabalhar em escalas de tempo ultracurtas - se um segundo fosse esticado para a idade do universo, uma quasipartícula não duraria mais do que algumas horas.

O pulso de laser na frequência dos terahertz acelerou os pares de elétrons e lacunas (excitons) em um prazo mais curto do que uma única oscilação da luz - 1 terahertz equivale a 1 trilhão de oscilações por segundo. O experimento foi feito em uma fina pastilha dedisseleneto de tungstênio, um material promissor que já foi usado até paraconstruir um transístor quântico.

Quando os excitons se chocam, eles emitem rajadas ultracurtas de luz que codificam as principais propriedades do sólido no qual a colisão ocorre.

"Estes experimentos temporizados de colisão em um sólido provam que os conceitos básicos dos colisores, que transformaram a nossa compreensão do mundo subatômico, podem ser transferidos da física de partículas para a pesquisa de estado sólido. Eles também lançam uma nova luz sobre asquasipartículas," disse o professor Mark Sherwin, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos EUA.

Bibliografia:

Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale
F. Langer, M. Hohenleutner, C. P. Schmid, C. Poellmann, P. Nagler, T. Korn, C. Schüller, M. S. Sherwin, U. Huttner, J. T. Steiner, S. W. Koch, M. Kira, R. Huber
Nature
Vol.: 533, 225-229
DOI: 10.1038/nature17958

Redes neurais "humanizam" visão de carros sem motorista

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/05/2016

Iniciativas de software de código livre para carros sem motorista estão ajudando a minimizar as preocupações com segurança.[Imagem: Florian Lehmann/TUM]

Dúvidas do piloto automático

Como a tecnologia de reconhecimento de imagens em um carro sem motorista irá responder a uma forma desfocada aparecendo de repente na rua ou na estrada?

Em uma situação similar, os seres humanos geralmente são capazes de diferenciar entre, digamos, um ciclista distraído que de repente se desvia em direção à pista e folhas e poeira à beira da estrada sopradas pelo vento. A nossa resposta é baseada principalmente na intuição - podemos não ter certeza do que a forma realmente é, mas sabemos se ela se parece com um ser humano, com um redemoinho ou com um saco de papel.

Mas o que o piloto automático de um carro sem motorista deve fazer? Acionar violentamente os freios presumindo ser um pedestre ou ciclista, correndo o risco de causar uma colisão com os carros que veem atrás, ou apenas manter seu trajeto, correndo o risco de causar uma vítima?

A melhor solução, sem dúvida, é desenvolver uma tecnologia que permita que os softwares de reconhecimento de imagens fiquem melhores e não precisem correr tantos riscos.

E Jonas Kubilius e seus colegas da Universidade de Leuven, na Bélgica, acabam de demonstrar que as máquinas podem aprender a reagir a objetos estranhos de forma muito similar à dos seres humanos.

Redes neurais convolucionais profundas

As melhores tecnologias de reconhecimento de imagens atualmente são treinadas para reconhecer um conjunto fixo de objetos.

"As teorias de reconhecimento de objetos concordam que a forma tem importância primordial, mas não há consenso sobre como a forma pode ser representada, e até agora todas as tentativas de implementar um modelo de percepção de formatos que poderia funcionar com estímulos realistas falharam," disse Jonas.

Ele foi buscar uma alternativa nas redes neurais convolucionais profundas, algoritmos de inteligência artificial que se mostraram capazes de capturar aspectos importantes da percepção humana dos objetos.

Ainda não se sabe o que será exigido para que um carro autônomo possa receber sua carteira de motorista. [Imagem: Umich]

"Nós descobrimos que as redes neurais profundas não apenas são boas em tomar decisões objetivas ('Isto é um carro'), mas também desenvolvem sensibilidades de nível humano à forma dos objetos ('Isto se parece com ...').

"Em outras palavras, as máquinas podem aprender a nos dizer o que uma nova forma - digamos, uma letra de um novo alfabeto ou um objeto borrado na estrada - lhes lembra. Isso significa que estamos no caminho certo para desenvolver máquinas com um sistema visual e vocabulário tão flexível e versátil como o nosso," acrescentou o pesquisador.

Erros de motorista automático

Isto significa que em breve poderemos entregar com segurança o controle do nosso carro para um software?

"Não é bem assim. Nós não estamos lá ainda. E mesmo que as máquinas, em algum momento, sejam equipadas com um sistema visual tão poderoso como o nosso, os carros de autocondução ainda cometerão erros ocasionais - embora, ao contrário dos motoristas humanos, eles não ficarão distraídos porque estão cansados ou ocupados digitando texto no celular. No entanto, mesmo nas raras ocasiões quando os carros autônomos poderão errar, suas decisões serão pelo menos tão razoáveis quanto as nossas," opina Jonas.

Bibliografia:

Deep Neural Networks as a Computational Model for Human Shape Sensitivity
Jonas Kubilius, Stefania Bracci, Hans P. Op de Beeck
PLOS Computational Biology
DOI: 10.1371/journal.pcbi.1004896

Energia

Célula solar bate recorde previsto para 2050

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/05/2016

Células monojunção de silício e de tripla junção de outros semicondutores são montadas ao redor de um prisma para eficiência máxima. [Imagem: Rob Largent/UNSW]

Ranking da energia solar

Há poucos dias, cientistas honcongueses viraram manchete quando bateram um recorde mundial ao construir uma célula solar com 25,5% de eficiência.

Talvez agora seja necessário rever o tamanho das manchetes: uma equipe da Austrália triturou aquele recorde, chegando a 34,5% de eficiência, o que é próximo do limite teórico de rendimento do tipo de célula solar com que eles estão trabalhando.

Mark Keevers e Martin Green construíram uma célula solar de quatro junções e a incorporaram dentro de um prisma, montando um módulo de 28 cm² que atingiu 34,5% de eficiência sob luz natural, sem lentes para concentrar a luz do Sol.

"Um estudo recente do instituto alemão Agora Energiewende estabeleceu um alvo agressivo de 35% de eficiência para 2050 para um módulo que use luz não concentrada, como esses usados nas residências. Ou seja, no campo da eficiência das células solares as coisas estão se movendo mais rápido do que muitos especialistas previam, e isto é muito bom para a energia solar," disse Green.

Antes do recorde da semana passada - de 25,5% da equipe de Hong Kong - a bola estava com a empresa norte-americana Alta Devices, que fabricou um painel de 800 cm² com 24% de eficiência. Embora o módulo da equipe australiana seja muito menor - 28 cm² - os pesquisadores afirmam que não há impedimentos para fabricá-lo em dimensões maiores.

Célula de múltiplas junções

O módulo fotovoltaico construído pela equipe australiana combina um prisma com uma célula solar de silício comum sobre uma face e uma célula de tripla junção sobre a outra - daí a referência a quatro junções.

A célula de tripla junção captura diferentes comprimentos de onda da luz solar recebida graças a uma combinação de três camadas semicondutoras: índio-gálio-fosfeto, índio-gálio-arsenieto e germânio.

Conforme a luz solar passa através de cada camada, a energia é extraída pela junção individual no comprimento de onda mais eficiente, enquanto a parte não utilizada da luz passa para a camada seguinte, e assim por diante.

Uma parte da banda infravermelha não capturada pela célula de tripla junção é filtrada e enviada de volta pelo prisma para a célula de silício, permitindo assim extrair quase toda a energia de cada feixe de luz solar que atinge o módulo.

Recordes de células solares

Os recordes de eficiência das células solares são um campo de estudo por si só, tamanha é a diversidade de tipos e tecnologias usadas para conversão da luz solar em eletricidade. Além disso, cada uma delas pode funcionar sob luz natural - 1 sol - ou usando diferentes tipos de lentes para concentração da luz.

Este recorde é significativo porque está uma geração à frente na linha de desenvolvimento dos painéis solares fotovoltaicos à base de silício que estão no mercado.

O desafio para passar das atuais células solares de junção única para as células solares multijunção é que elas são mais difíceis de fabricar e, desta forma, custariam bem mais caro do que as atuais
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Nanotecnologia

Microlaboratório controla reações químicas por dentro

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/05/2016

Em uma mesma pastilha de silício, são construídas centenas de milhares de lablets (áreas finamente estruturadas) e as superfícies inteligentes (áreas lisas) que são necessárias para carregar e programar os lablets. [Imagem: RUB/Damian Gorczany]

Químico celular

Químicos alemães desenvolveram minúsculos componentes eletrônicos que, instalados dentro de chips microfluídicos, ou biochips, podem controlar processos químicos de dentro para fora.

A técnica tradicional consiste em colocar os reagentes em contato entre si e atuar sobre eles de fora para dentro, geralmente através das superfícies dos recipientes, o que inclui desde a transferência de energia até a disponibilização de catalisadores.

Já os microlaboratórios podem "sentir" seu ambiente e controlar as reações químicas através de sinais elétricos.

"Imaginem o que um químico poderia fazer se ele fosse do tamanho de uma célula," compara o professor John McCaskill, da Universidade Ruhr em Bochum, que antecipa que sua equipe está trabalhando para que esses microlaboratórios adquiram a capacidade de evoluir para fazer reações químicas mais complexas e de forma mais eficiente.

Microlaboratório

Cada microlaboratório, que a equipe chama de lablet, mede 140 x 140 x 60 micrômetros. Um supercapacitor foi especialmente projetado para alimentá-los. Na versão atual, o supercapacitor fornece energia para a operação autônoma por cerca de 20 minutos e pode ser recarregado sem fios.

Os lablets controlam as reações químicas em soluções aquosas e capturam informações graças a componentes eletrônicos e eletrodos microscópicos incorporados no chip microfluídico.

A tensão aplicada ao eletrodo fornece a energia necessária para iniciar cada reação química. Diferentes tensões induzem reações diferentes, dependendo do que já aconteceu anteriormente em cada microrreator e, claro, das moléculas disponível no lablet.

Laboratório que evolui

A programação do microlaboratório também é feita remotamente, colocando o dispositivo sobre uma superfície inteligente capaz de lhe repassar os comandos.

Cada lablet também consegue transferir sua programação para seus vizinhos por meio de uma sequência de sinais, essencialmente variações de tensão.

É essa característica que os pesquisadores pretendem explorar para criar unidades verdadeiramente autônomas e capazes de evoluir para conduzir uma cadeia de reações até chegar aos compostos químicos desejados.

Impressora 3D faz objetos no espaço livre, sem suporte

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/05/2016

Borboletas impressas em 3D ao ar livre, sem qualquer suporte. [Imagem: Lewis Lab/Universidade de Harvard]

Formatos livres

Impressoras 3D não precisam mais se limitar a fabricar objetos autoportantes.

A junção de uma técnica conhecida como recozimento a laser e os tradicionais bocais das impressoras 3D, que podem liberar tintas metálicas condutoras, está permitindo a construção de objetos em pleno ar, no espaço livre, sem qualquer suporte.

O resultado da junção das duas técnicas é um aparelho capaz de produzir não só curvas e espirais, mas também cantos angulares vivos e qualquer outra mudança de direção em pleno ar.

A expectativa é que a técnica permita fabricar uma infinidade de equipamentos biomédicos personalizados, que dependem de dimensões e arquiteturas perfeitamente talhadas para cada paciente. Antenas, eletrônicos de vestir e sensores são outras possibilidades de uso da técnica.

Impressão 3D ao ar livre

Além do posicionamento preciso do foco de luz, para acertar a saída do bocal, o sistema ajusta a intensidade do laser para que seja aplicada a quantidade precisa de energia para solidificar a tinta de nanopartículas de prata em cada ponto do desenho, esteja ele seguindo em linha reta, fazendo uma curva ou fechando um ângulo.

"Se o laser ficar muito perto do bico durante a impressão, o calor é conduzido de volta, o que solidifica a tinta e obstrui o bico. Para resolver isso nós criamos um modelo de transferência de calor para lidar com a distribuição da temperatura ao longo de um determinado padrão do fio de prata, o que nos permite modular a velocidade e a distância de impressão entre o bocal e o laser para controlar com elegância o processo de recozimento a laser em tempo de execução," explicou Mark Skylar-Scott, do Instituto de Engenharia Bioinspirada da Universidade de Harvard, nos EUA.

A base de impressão é rotativa para permitir a realização de formatos livres, enquanto o bico de impressão, que é seguido precisamente pelo laser, move-se ao longo dos eixos x, y e z.

Desta forma, pequenas formas hemisféricas, molas em espiral e até mesmo borboletas feitas de fios de prata mais finos do que um fio de cabelo podem ser impressas em poucos segundos no espaço livre.

Bibliografia:

Laser-assisted direct ink writing of planar and 3D metal architectures
Mark A. Skylar-Scott, Suman Gunasekaran, Jennifer A. Lewis
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 201525131
DOI: 10.1073/pnas.1525131113

Matemática resolve incertezas do tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/05/2016

Quando o tempo é longo demais, ou curto demais, o algoritmo consegue detalhar a temporalidade de eventos com datação incerta.[Imagem: UWM graphic/Allie Kilmer]

Incerteza de sincronia temporal

Digamos que você esteja tentando identificar quando um evento específico ocorreu no passado, mas sua melhor estimativa o coloque em uma janela temporal de 10.000 anos. Isto é muito comum no trabalho dos arqueólogos, astrofísicos, geólogos, historiadores, entre vários outros campos do saber.

Agora imagine conseguir diminuir essa janela para apenas 30 anos sem precisar de nenhuma outra evidência factual.

É justamente este o poder de uma nova ferramenta matemática concebida e já testada com êxito por uma equipe internacional de cientistas, liderada por Russell Fung e Abbas Ourmazd, da Universidade de Wisconsin em Milwaukee, nos EUA.

A ferramenta reduz as incertezas de sincronia temporal entre eventos, melhorando a precisão por um fator de até 300. E a unidade de tempo considerada não importa: podem ser séculos e milênios, ou segundos efemtossegundos - 1 femtossegundo equivale 10^-15 segundos.

Assim, a ferramenta deverá ter inúmeras aplicações, da datação de eventos de mudanças climáticas no passado até determinar quando as ligações moleculares se formam ou se quebram durante as reações químicas, que duram apenas alguns quadrilionésimos de segundo.

Agitação temporal

Os pesquisadores conceberam o algoritmo ao trabalhar com dados de um projeto que rastreia o movimento de moléculas usando um laser de elétrons livres de raios X. Chamado XFEL, esse equipamento é o mais brilhante laser de raios X do mundo e serve como uma câmera para filmar a matéria em nanoescala e em escalas temporais de frações infinitesimais de tempo, mostrando eventos muito rápidos em câmera lenta.

Fazer esses filmes exige não apenas capturar centenas de milhares de fotos, mas também saber o momento exato em que cada foto foi tirada. Apesar da velocidade incomparável do XFEL, grande parte da ação vista no filme fica borrada, justamente porque a sequência dos eventos fica embaralhada.

A Matemática já revelou a conexão entre a música e uma teia de aranha, ajudou a cerveja a gelar em 45 segundos, e tornou a internet 10 vezes mais rápida, embora possam existir leis da física além dos poderes da Matemática. [Imagem: Markus Buehler/Tristan Giesa]

"Nos lasers de elétrons livres de raios X, por exemplo, a incerteza - a assim chamada agitação temporal - entre a chegada de um pulso óptico detector ('bombeamento') e um pulso de raios X de sondagem pode exceder o comprimento do pulso de raios X por até duas ordens de magnitude [100 vezes], arruinando a capacidade de resolução temporal dessa classe de instrumentos que, de outra forma, seria extremamente precisa," explica Ourmazd.

O algoritmo resolve esse problema. Em um experimento real, foi possível reconstruir um filme mostrando claramente - sem borrados - moléculas se separando conforme as ligações que prendiam seus átomos eram destruídas.

Mate-mágica

O algoritmo identifica correlações internas para dar sentido à imensidão de fotos individuais capturadas.

"Usando um conjunto de dados pleno de ruído, de um experimento de espectroscopia sonda-prova sobre a explosão de Coulomb de moléculas de nitrogênio, a nossa análise revela pacotes de onda vibracionais formados por componentes com períodos tão curtos quanto 15 femtossegundos, assim como mudanças mais rápidas, que ainda têm de ser plenamente exploradas. Nossa abordagem pode potencialmente ser aplicada em qualquer lugar onde informações dinâmicas ou históricas estejam sendo contaminadas por incertezas de cronometragem," finalizou Ourmazd.

A equipe vislumbra que sua ferramenta matemática tenha aplicações em outros campos da ciência que envolvem históricos dinâmicos com datação imprecisa, como geologia, metrologia, química, biologia e astronomia.

Bibliografia:

Dynamics from noisy data with extreme timing uncertainty
Russell Fung, A. M. Hanna, O. Vendrell, S. Ramakrishna, T. Seideman, R. Santra, Abbas Ourmazd
Nature
Vol.: 532, 471-475
DOI: 10.1038/nature17627

IBM apresenta memória com três bits por célula

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/05/2016

Chip de memória PCM tribit conectado a uma placa de circuito impresso padrão.[Imagem: IBM Research]

Memória tribit

A IBM apresentou um chip funcional capaz de armazenar de forma confiável 3 bits de dados por célula de memória, utilizando uma tecnologia na qual praticamente todo o mercado vem trabalhando há anos, chamadamemórias de mudança de fase(PCM: Phase-Change Memory).

A empresa já havia conseguidogravar até 4 bits por célula PCMem escala experimental. O novo chip é o resultado da migração daquela tecnologia rumo às aplicações reais, que precisam lidar com todos os aspectos envolvidos na produção em escala industrial.

Atingir 3 bits por célula é um marco significativo porque, nessa densidade, o custo da memória PCM será significativamente menor do que de um chip DRAM equivalente e mais próximo da memória flash - ela é 50 vezes mais rápida do que uma memória flash de capacidade equivalente.

Mas ainda há dúvidas se o novo chip estaria realmente pronto para ir ao mercado.

O chip PCM multi-bit apresentado agora é constituído por uma matriz de 2 x 2 milhões de células em uma arquitetura intercalada de 4 bancos. Cada uma das duas matrizes de memória mede 1000 × 800 micrômetros. As células PCM, feitas de uma liga dopada com calcogeneto, foram integradas em uma placa de circuito integrado padrão com tecnologia CMOS de 90 nanômetros.

Memória de mudança de fase

As memórias PCM atraíram a atenção da indústria como uma potencial tecnologia de memória universal com base na sua combinação de velocidade de leitura/gravação, resistência, não-volatilidade e densidade.

Por exemplo, a PCM não perde os dados quando desligada, como a flash e diferente da DRAM, e a tecnologia pode suportar pelo menos 10 milhões de ciclos de escrita, em comparação com uma média de 3.000 ciclos de escrita das memórias flash.

A expectativa é que as memórias PCM possam ser usadas de forma independente ou em aplicações híbridas, combinando armazenamento PCM e flash, com a PCM funcionando como um cache extremamente rápido.

Como uma memória PCM funciona

Como seu nome indica, uma memória de mudança de fase armazena os bits pela alteração de fase - amorfa ou cristalina - do material usado em sua construção, uma liga de vários elementos.

Esse material é colocado entre dois eletrodos. A mudança de fase e a sua reversão são induzidas pela aplicação de uma tensão ou de pulsos de corrente de diferentes intensidades. Dependendo da tensão, mais ou menos material entre os eletrodos é submetido à mudança de fase, o que afeta diretamente a resistência da célula.

É essa variação na resistência da célula em função da tensão que foi explorada para guardar não apenas um bit, mas vários bits por célula.

Bibliografia:

Demonstration of Reliable Triple-Level-Cell (TLC) Phase-Change Memory
Milos Stanisavljevic, Haralampos Pozidis, Aravinthan Athmanathan, Nikolaos Papandreou, T. Mittelholzer, Evangelos Eleftheriou
Proceedings of the International Memory Workshop
DOI: 10.1109/JETCAS.2016.2528598

Multilevel-Cell Phase-Change Memory: A Viable Technology
Aravinthan Athmanathan, Milos Stanisavljevic, Nikolaos Papandreou, Haralampos Pozidis, Evangelos Eleftheriou
IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems

Metamateriais escondem espaço para recarregamento à distância

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/05/2016

Diagrama esquemático da montagem experimental utilizada para transferir energia entre dois circuitos usando metamateriais.[Imagem: Jordi Prat]

Invisibilidade do espaço

Os carros já podem ser recarregados à distância, seja na garagem ou naestrada, mas recarregar celulares e outros aparelhos sem fios ainda exige que eles sejam colocados sobre uma base apropriada.

Mas uma solução já está à vista, e poderá permitir que os celulares sejam recarregados sem que nem mesmo precisem ser retirados do bolso.

A tecnologia é baseada em uma "concha" de energia gerada por metamateriais, os mesmos materiais artificiais usados nos mantos de invisibilidade. A diferença é que, em vez de fazer os objetos desaparecerem, o metamaterial faz o espaço entre os aparelhos "desaparecer".

Na verdade, a concha gerada pelo metamaterial concentra o campo magnético, o que permite transmitir energia de forma eficiente a uma distância dezenas de vezes maior do que é possível hoje.

"Envolver os dois circuitos com conchas de metamaterial tem o mesmo efeito que colocá-los mais perto um do outro; é como se o espaço entre eles literalmente desaparecesse," afirma o pesquisador Jordi Prat, da Universidade de Barcelona, na Espanha.

Recarregamento por indução

Os dispositivos de recarregamento sem fios atuais usam a indução para transferir a energia de uma base até o aparelho dotado das bobinas capazes de captar a energia. Quando o aparelho é colocado em cima da base, esta gera um campo magnético que induz uma corrente elétrica que é captada por bobinas especiais dentro do aparelho. Se o aparelho ficar longe demais da base, a energia não é transferida com eficiência suficiente e a bateria não é carregada.

Outra equipe construiu uma lente de metamateriais que dispara feixes de eletricidade à distância. [Imagem: Guy Lipworth/Joshua Ensworth/Duke University]

Prat e seus colegas resolveram essa limitação de distância construindo um metamaterial composto por camadas de materiais ferromagnéticos, essencialmente compostos de ferro, e materiais condutores, como o cobre. Os metamateriais envolvem o emissor e o receptor, permitindo a transferência de energia entre os dois à distância com uma eficiência sem precedentes.

Os testes mostraram um aumento de 35 vezes na eficiência de transmissão. E há espaço para melhorias, uma vez que, teoricamente, a eficiência pode ser aumentada ainda mais, "se as condições e o projeto do dispositivo forem aperfeiçoados" dizem os pesquisadores.

Bibliografia:

Quasistatic Metamaterials: Magnetic Coupling Enhancement by Effective Space Cancellation
Jordi Prat-Camps, Carles Navau, Alvaro Sanchez
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201506376

A dureza é filha do casamento de dois brutos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/05/2016

Microfotografia mostra estrutura cristalina do diamante depositado sobre o nitreto de boro. [Imagem: Jagdish Narayan et al. - 10.1063/1.4948688]

Unidos pela dureza

Uma nova técnica permite depositar diamante na superfície do nitreto de boro cúbico (c-BN), integrando os dois materiais superduros em uma única estrutura cristalina.

"Isto pode ser usado para criar dispositivos de alta potência, como os transformadores de estado sólido necessários para criar a próxima geração de redes de distribuição de energia inteligentes," disse Jay Narayan, da Universidade do Estados da Carolina do Norte, nos EUA.

"E também poderá ser usado para criar ferramentas de corte e usinagem de alta velocidade e equipamentos de perfuração em águas profundas.

"O diamante é duro, mas ele tende a oxidar, transformando-se em grafite, que é mais mole. Um revestimento de c-BN pode evitar a oxidação. O diamante também interage com o ferro, o que torna difícil usá-lo com ferramentas de aço. Mais uma vez, o c-BN pode resolver o problema," acrescentou Narayan.

A equipe é a mesma que recentemente anunciou uma técnica para produzirdiamante a temperatura ambiente.

Nitreto de boro

O c-BN é uma forma de nitreto de boro que tem uma estrutura cristalina cúbica.

Ele tem propriedades semelhantes às do diamante, como a dureza, mas possui várias vantagens, como uma bandgap adequada para uso em aparelhos elétricos de alta potência. O c-BN também pode ser dopado para criar camadas positiva e negativamente carregadas, o que significa que ele pode ser usado para a fabricação de transistores.

Para o uso em ferramentas, o c-BN forma uma camada de óxido estável sobre sua superfície quando exposto ao oxigênio, o que permite que ele não perca suas características mecânicas a altas temperaturas.

A equipe criou uma empresa para comercializar a tecnologia, considerando que o material já está pronto para uso prático. Recentemente, uma equipe chinesa desenvolveu uma técnica para criar um cristal híbrido de diamante e boro, mas que ainda está sendo aprimorada para produzir cristais de tamanho adequado para uso prático.

Bibliografia:

Direct conversion of h-BN into c-BN and formation of epitaxial c-BN/diamond heterostructures
Jagdish Narayan, Anagh Bhaumik, Weizong Xu
Journal of Applied Physics
Vol.: 119, 185302
DOI: 10.1063/1.4948688

Materiais Avançados Fio líquido é inspirado em teia de aranha

Materiais Avançados

Fio líquido é inspirado em teia de aranha

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/05/2016

O fio líquido se enrola para se acomodar dentro de uma gota, como acontece no corpo da aranha. No detalhe, o mesmo fio esticado.[Imagem: UPMC/ANR/CNRS/University of Oxfor]

Seda de captura

Pesquisadores descobriram um comportamento estranho em um fio de teia de aranha: ele se comporta como um líquido e como um sólido, dependendo das circunstâncias.

Como eles conseguiram criar uma versão artificial desse "fio líquido", estão propondo que o material poderá encontrar aplicações em campos como o da "robótica macia", que trabalha no desenvolvimento de robôs de corpo mole e flexível, mais parecidos com os organismos vivos.

Hervé Elettro, da Universidade Pierre e Marie Curie, na França, estava estudando a "seda de captura" das aranhas, a seda pegajosa usada para formar a espiral da teia, em vez dos fios radiais que as mantêm juntas.

Quando esticou a seda, ele verificou que ela se estende como uma mola, como seria de se esperar de um material sólido. Mas quando ele comprimiu a seda, o material permaneceu tensionado, em vez de perder a firmeza no meio, como geralmente acontece com os fios.

Por exemplo, imagine uma película de sabão suspensa entre dois suportes: se você aproximar os suportes, a película se contrai; se você separá-los, ela vai romper. A seda de captura parece oferecer o melhor dos dois mundos, adaptando seu tamanho para o espaço que necessita preencher.

Fio líquido

Elettro conseguiu replicar esse comportamento tecendo fios de plástico revestidos em óleo de silicone, etanol e outros líquidos, criando o que ele chama de "fios líquidos".

Como esse tipo de movimento é responsável também pela pressão das mandíbulas da planta carnívora Dioneia (Dionaea muscipula), a equipe acredita que seus fios líquidos poderão ser úteis no desenvolvimento de tecnologias semelhantes no campo da robótica, eventualmente no papel de músculos artificiais.

Bibliografia:

In-drop capillary spooling of spider capture thread inspires hybrid fibers with mixed solid-liquid mechanical properties
Hervé Elettro, Sébastien Neukirch, Fritz Vollrath, Arnaud Antkowiak
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: Published onlin
DOI: 10.1073/pnas.160245111
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Célula solar híbrida bate recorde com 25,5% de eficiência

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/05/2016

O desafio agora é fabricar a célula solar híbrida em escala industrial. [Imagem: The Hong Kong Polytechnic University]

Recorde de célula solar

Quando apareceram pela primeira vez, em 2009, as células solares de perovskita tinham uma eficiência de 3,8%, o que já era bastante por se tratar de um material que apenas começava a ser explorado.

De fato, com suas propriedades fotovoltaicas impressionantes, as perovskitas tornaram-se um tema de investigação vigorosa em todo o mundo, começando a ameaçar as células solares de silício quando alcançaram a casa dos 15% de eficiência, tornando-se então um dos materiais maispromissores não apenas para fabricação de células solares, mas também de LEDs.

Agora, uma equipe da Universidade Politécnica de Hong Kong criou uma célula solar híbrida de perovskita e silício na qual os dois materiais funcionam em série, resultando em um recorde de eficiência de conversão de energia solar em eletricidade de 25,5%.

Se essa inovação conseguir migrar do laboratório para o mercado, estima-se que a energia solar possa ser gerada a um custo de US$ 0,35/W, em comparação com os US$ 5/W atuais - com base no custo das células solares de silício disponíveis no mercado.

• Perovskita começa a ameaçar células solares de silício

Perovskita com silício

Como a luz do Sol é composta por uma multiplicidade de comprimentos de onda - ou cores - uma combinação de diferentes materiais pode tornar as células solares mais eficientes ao absorver uma parte maior do espectro solar.

Neste caso, a equipe montou uma camada tripla de perovskita, cada uma com uma espessura precisamente ajustada, que foram tornadas altamente transparentes graças a uma morfologia superficial inspirada nas pétalas de rosa.

Essa tricamada de perovskita captura os fótons de comprimento de onda mais curtos, e deixa passar o restante de luz, que então atinge a camada de silício que vai logo abaixo, que se encarrega de absorver os fótons com comprimentos de onda mais longos.

A meta da equipe agora é aprimorar o processo de fabricação das células solares híbridas para que seja viável produzi-las em escala industrial. Mas eles afirmam que não deram o trabalho de aumento de eficiência por encerrado, acreditando ser possível atingir índices ainda maiores do que os já impressionantes 25,5%.

Nanotecnologia

Nanopartícula amplifica luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/05/2016

A nanopartícula plasmônica é composta por uma esfera de óxido de estanho e bário, com 190 nanômetros de diâmetro, envolta por uma camada de 30 nanômetros de ouro. [Imagem: Alejandro Manjavacas /Rice University]

Amplificador óptico

Amplificar a luz é essencial para um sem-número de tecnologias, o que inclui os lasers e as telecomunicações.

O problema é que fazer isso de forma ajustável e flexível requer aparelhos grandes e caros, o que impede o uso de várias tecnologias fotônicas em equipamentos miniaturizados.

"Amplificadores ópticos paramétricos ajustáveis custam ao redor de US$100.000 e ocupam um bom espaço em um laboratório", explica Yu Zhang, da Universidade Rice, nos EUA.

Isso dá uma dimensão da importância e do alcance do trabalho do pesquisador: Zhang criou um amplificador óptico formado por uma única nanopartícula, que mede ao redor de 400 nanômetros.

Amplificação de luz

A nanopartícula amplificadora de luz opera de forma parecida com um laser. Mas, enquanto os lasers têm uma frequência de saída fixa - uma única cor - o amplificador óptico pode ser configurado ao longo de uma ampla faixa de frequências, chegando até o infravermelho.

Operando no campo da plasmônica, a nanopartícula usa a energia de um feixe de luz básico, conhecido como feixe de bombeamento, para aumentar a energia do "sinal", o feixe de luz que se deseja amplificar. O processo gera também um outro feixe, chamado "ocioso", ou secundário (idler), que contém um resíduo da energia de bombeamento.

"Amplificadores ópticos paramétricos operam com luz em vez de eletricidade. Uma luz de bombeamento forte amplifica dramaticamente um sinal fraco. Em nosso caso, as frequências de bombeamento e de sinal estão no espectro visível, e o idler é infravermelho," explicou a professora Naomi Halas, coordenadora da equipe.

O próximo passo será integrar a nanopartícula a outros componentes fotônicos para testar seu rendimento.

Bibliografia:

Toward Surface Plasmon-Enhanced Optical Parametric Amplification (SPOPA) with Engineered Nanoparticles: A Nanoscale Tunable Infrared Source
Yu Zhang, Alejandro Manjavacas, Nathaniel J. Hogan, Linan Zhou, Ciceron Ayala-Orozco, Liangliang Dong, Jared K. Day, Peter Nordlander, Naomi J. Halas
Nano Letters
Vol.: Article ASAP
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01095