Brasileiros descobrem nova propriedade do grafeno

Com informações da Agência Fapesp -  26/09/2016

Deformação da folha de grafeno pela ponta do microscópio de força atômica.[Imagem: Clara M. Almeida et al. - 10.1038/srep31569]

Ilimitado

O grafeno é um dos materiais mais estudados na atualidade, e não é por acaso: constituído por uma única camada de átomos de carbono, dispostos em uma rede bidimensional de trama hexagonal, o grafeno é extremamente fino, leve e resistente.

Agreguem-se propriedades como transparência, flexibilidade, alta condutividade elétrica e térmica e baixo custo de produção para que o horizonte de aplicações seja praticamente ilimitado.

Com tantas pesquisas já realizadas, surpreende que uma propriedade do grafeno permanecesse ignorada até agora.

Ela acaba de ser descoberta graças ao trabalho de Clara Almeida e uma equipe da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas).

Anisotropia

Trata-se da enorme anisotropia - apresentação de propriedades que variam conforme a direção - exibida pelo grafeno quando este é "varrido" em diferentes direções pela ponta de um microscópio de força atômica (AFM: atomic force microscope).

E a diferença não é pequena: 80% maior na direção conhecida como "braço de cadeira" (armchair) do que na direção ziguezague.

Segundo os pesquisadores, o efeito poderia ser entendido como uma manifestação, em escala nanométrica, do fenômeno clássico da flambagem, o encurvamento de uma barra quando submetida a compressão axial, descrito pelo matemático e físico suíço Leonhard Euler (1707-1783).

Nanomecanismos

Devido às suas notáveis características eletrônicas, térmicas e mecânicas, ografeno é um forte candidato para a fabricação da próxima geração de dispositivos eletrônicos e de sistemas nanoeletromecânicos (NEMS). Tais aplicações requerem a compreensão das propriedades mecânicas e tribológicas - isto é, decorrentes da interação de superfícies em movimento relativo - desses materiais bidimensionais.

"A anisotropia que encontramos pode ser determinante para a fabricação desses NEMS, cujo design demanda o conhecimento prévio da orientação cristalina. Na maioria das vezes, as propriedades do material na configuração bidimensional [grafeno] são bem diferentes das propriedades já conhecidas na configuração tridimensional [grafite]", sublinhou Clara Almeida.

Bibliografia:

Giant and Tunable Anisotropy of Nanoscale Friction in Graphene
Clara M. Almeida, Rodrigo Prioli, Benjamin Fragneaud, Luiz Gustavo Cançado, Ricardo Paupitz, Douglas S. Galvão, Marcelo De Cicco, Marcos G. Menezes, Carlos A. Achete, Rodrigo B. Capaz
Nature Scientific Reports
Vol.: 6, Article number: 31569
DOI: 10.1038/srep31569

Fibra de nanotubo funciona como músculo eletromecânico

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/09/2016

A fibra de nanotubos e elastano (esquerda) e o protótipo do acionador de joelho desenvolvido pela equipe. [Imagem: Javad Foroughi et al. - 10.1021/acsnano.6b04125]

Fibra eletromecânica

Pesquisadores australianos criaram uma nova categoria de músculo artificialtecendo nanotubos de carbono com um filamento sintético chamado elastano.

O resultado é uma fibra eletricamente condutora e com uma incrível elasticidade, podendo ser esticada em mais de 600%.

Mas tudo fica realmente interessante quando uma tensão elétrica é aplicada ao fio já esticado: ele se aquece e se contrai em até 33%, gerando um trabalho mecânico de 0,64 quilojoule por quilograma (kJ/kg) e alcançando uma relação peso-potência de 1,28 quilowatt por quilograma (kW/kg).

Isto não torna o material o músculo artificial mais forte do mundo, mas o conjunto da obra é tão promissor que a equipe já está fazendo os primeiros experimentos com módulos que podem ser úteis em exoesqueletos.

Músculos artificiais biomédicos

Como a fibra é porosa, ela é adequada para ser incorporada em tecidos inteligentes para fazer roupas com funcionalidades não apenas eletrônicas, mas também mecânicas, o que será útil no campo esportivo, biomédico e como suporte à fisioterapia.

"Nós já demonstramos um protótipo de reforço do joelho utilizando a nossa tecnologia, e um dispositivo assim pode ser usado para ajudar a tratar lesões após um acidente monitorando e manipulando o movimento do joelho," contou Javad Foroughi, da Universidade Wollongong, que trabalhou em conjunto com a equipe do Dr. Ray Baughman, um dos pioneiros na fabricação de fibras de nanotubos.

Outro dispositivo que a equipe já está desenvolvendo irá "detectar inchaços e então responder apertando o braço para melhorar o fluxo linfático. Nós também estamos investigando a possibilidade de usar o tecido atuador em músculos cardíacos artificiais, para dar suporte positivo aos ventrículos," contou Foroughi.

Bibliografia:

Knitted Carbon-Nanotube-Sheath/Spandex-Core Elastomeric Yarns for Artificial Muscles and Strain Sensing
Javad Foroughi, Geoffrey M. Spinks, Shazed Aziz, Azadeh Mirabedini, Ali Jeiranikhameneh, Gordon G. Wallace, Mikhail E. Kozlov, Ray H. Baughman
ACS Nano
DOI: 10.1021/acsnano.6b04125

Chip conecta processador quântico à rede de fibra óptica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/09/2016

A conversão de frequência - sem perda do estado quântico dos fótons - ocorre por meio de um fenômeno chamado "geração por diferença de frequência", produzido em um anel semicondutor de nitreto de alumínio.[Imagem: Xiang Guo]

Conversor fotônico

Engenheiros da Universidade de Yale, nos EUA, criaram um pequeno chip capaz de converter a luz visível em luz infravermelha e vice-versa, sem perder o estado quântico dos fótons originais.

Desta forma, o componente funciona como um acoplamento entre os delicados chips quânticos e a rede de dados de fibras ópticas.

Este é um elemento essencial para as tão sonhadas redes quânticas, já usadas em sistemas avançados de criptografia e que, mais no futuro, serão a base dainternet quântica.

Embora o progresso no campo dos processadores quânticos tenha-se acelerado muito nos últimos anos, a construção de redes quânticas práticas, que consigam transmitir informações a grandes distâncias, ainda depende do desenvolvimento de componentes de interface entre o processamento e a transmissão de dados.

Este dispositivo, criado agora por Xiang Guo e seus colegas, é uma peça chave nesse processo.

Conexão quântica

O novo chip permite que dispositivos quânticos - sejam baseados em umanuvem ultrafria de átomos de rubídio ou em centro de nitrogênio no meio de um diamante - troquem informações através de longas distâncias, utilizando a infraestrutura de fibra óptica já existente.

Para isso, o microcircuito converte os fótons para uma frequência na faixa do infravermelho, que podem então ser transmitidos pela rede de fibras ópticas que compõe a internet. Ao chegar ao destino, outro chip idêntico reverte o processo, convertendo o sinal infravermelho em um fóton que pode ser lido pelo processador quântico.

O protótipo apresentou uma eficiência de 14%, mas a equipe já adiantou que isso se deve a problemas na conectividade dos elementos que compõem o chip - segundo eles, não será difícil chegar a uma eficiência de 100% porque eles já identificaram os materiais semicondutores necessários para isso.

Bibliografia:

On-Chip Strong Coupling and Efficient Frequency Conversion between Telecom and Visible Optical Modes
Xiang Guo, Chang-Ling Zou, Hojoong Jung, Hong X. Tang
Physical Review Letters
Vol.: 117, 123902
DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.123902

Projétil de nanotubo vira diamante após impacto

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/09/2016

Após o impacto em hipervelocidade, o carbono dos nanotubos se recristaliza, formando os pequenos diamantes. [Imagem: Pedro Alves da Silva Autreto]

Nanodiamantes

Pesquisadores brasileiros e norte-americanos desenvolveram uma nova técnica para produzir minúsculos diamantes - nanodiamantes - disparando nanotubos de carbono em hipervelocidade sobre um alvo de alumínio.

Embora diamantes desse tamanho não tornem ninguém rico, uma porção deles recobrindo uma superfície pode mudar a forma como são fabricados materiais de alta resistência para uso aeroespacial.

"Satélites e naves espaciais podem ser alvejados por vários projéteis destrutivos, como micrometeoritos e lixo espacial. Para evitar esse tipo de dano, nós precisamos de materiais leves, flexíveis e com propriedades mecânicas extraordinárias. Os nanotubos de carbono podem oferecer uma solução real para esse problema," disse Sehmus Ozden, da Universidade Rice, nos EUA.

Impactos de alta velocidade

Curiosamente, a busca de proteção contra o impacto de detritos no espaço levou a equipe a usar o mesmo método para desenvolver os nanodiamantes.

Estudando em detalhes o fraturamento dos nanotubos de carbono quando eles eram disparados em alta velocidade, a equipe verificou que os impactos de alta energia fazem com que as ligações atômicas dos nanotubos se quebrem, com o carbono se recombinando em diferentes estruturas - eventualmente assumindo a estrutura cristalina do diamante.

A uma velocidade de 3,8 quilômetros por segundo (km/s), a maioria dosnanotubos de carbono permanece intacta. Alguns começam a se converter em nanodiamantes a 5,2 km/s. A 6,9 km/s (24.840 km/h), porém, já é difícil encontrar nanotubos intactos entre os nanodiamantes.

A equipe agora pretende usar outros materiais como projéteis e ver o que conseguem produzir.

"Este trabalho inaugura uma nova forma de fabricar materiais nanométricos usando impactos de alta velocidade," disse Leonardo Machado, da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas). Outros dois brasileiros, Pedro Alves Autreto e Douglas Soares Galvão, participaram do desenvolvimento da técnica.

Bibliografia:

Ballistic Fracturing of Carbon Nanotubes
Sehmus Ozden, Leonardo D. Machado, Chandra Sekhar Tiwary, Pedro Alves da Silva Autreto, Robert Vajtai, Enrique V. Barrera, Douglas Soares Galvao, Pulickel M Ajayan
ACS Applied Materials & Interfaces
DOI: 10.1021/acsami.6b07547

Fotossíntese artificial está a um passo da aplicação prática

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/09/2016

Este é o módulo de fotossíntese artificial, que produz hidrogênio ao ser exposto ao Sol - a água entra por um dos canos laterais, e o hidrogênio é extraído pelo outro. [Imagem: Forschungszentrum Jülich]

Usina de fotossíntese artificial

Tido como promissora há décadas, a tecnologia da fotossíntese artificial acaba de criar o primeiro projeto prático para separação fotoeletroquímica da água, usando energia solar para produzir hidrogênio.

Este é um passo decisivo para a aplicação da tecnologia em escala comercial, tornando realidade a promessa de criação de uma fonte de energia sustentável e totalmente limpa.

A fotossíntese artificial emprega uma combinação de células solares e de eletrolisadores, convertendo diretamente a energia solar no "meio de armazenamento universal", o hidrogênio, que pode ser queimado ou usado em células a combustível para produzir eletricidade sem poluição.

O conceito apresentado por uma equipe alemã é flexível tanto no que diz respeito aos materiais utilizados, como ao tamanho do sistema.

Usina modular

O sistema criado por Burga Turan e seus colegas da Universidade Julich é bastante diferente das abordagens em escala de laboratório apresentadas até agora.

Em vez de pequenos componentes individuais interligados por fios, Turan idealizou um sistema compacto e autônomo, construído com materiais facilmente disponíveis e de baixo custo, e permitindo a conexão de qualquer tipo de célula solar.

Com uma área superficial de 64 cm², o protótipo ainda parece ser pequeno para um projeto que se apresenta como a caminho do uso prático, mas a vantagem está justamente nesse esquema modular: basta repetir a unidade básica e ir conectando uma por uma, até se alcançar a potência desejada.

Esquema (em cima) e protótipo da célula de fotossíntese artificial (embaixo), medindo 64 cm². [Imagem: Bugra Turan et al. - 10.1038/NCOMMS12681]

Lançamento no mercado

No momento, a eficiência na conversão solar para hidrogênio do protótipo é de 3,9%.

Se parece pouco, é bom lembrar que a fotossíntese natural só atinge uma eficiência de 1%. Além disso, a equipe afirma que já tem planos para que essa eficiência chegue a 10% dentro de um período de tempo "relativamente curto".

Isto sem contar a possibilidade de tirar proveito do desenvolvimento de novas categorias de células solares, como as de perovskitas, que já bateram na casa dos 20% de eficiência em protótipos de laboratório.

"Esta é uma das grandes vantagens do novo design, que permite que os dois componentes principais sejam otimizados separadamente: a parte fotovoltaica, que produz eletricidade a partir da energia solar, e a parte eletroquímica, que usa esta energia para a separação da água," disse Turan.

"Pela primeira vez, estamos trabalhando no sentido de um lançamento no mercado. Nós criamos a base para tornar isto uma realidade," acrescentou seu colega Jan-Philipp Becker.

Bibliografia:

Upscaling of integrated photoelectrochemical water-splitting devices to large areas
Bugra Turan, Jan-Philipp Becker, Félix Urbain, Friedhelm Finger, Uwe Rau, Stefan Haas
Nature
DOI: 10.1038/NCOMMS12681

Hologramas acústicos feitos com som 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/09/2016

O holograma acústico consegue criar uma onda estacionária na superfície da água - o barco pode surfar em círculos indefinidamente. [Imagem: Kai Melde / MPI for Intelligent Systems]

Hologramas de som

O som já pode ser estruturado em três dimensões.

Pesquisadores do Instituto Max Planck e da Universidade de Stuttgart desenvolveram uma técnica que gera hologramas acústicos.

Além de melhorar o diagnóstico de ultrassom e testes de materiais, os hologramas de som podem ser usados para mover e manipular partículas em meio líquido.

Hologramas ópticos e hologramas acústicos

Os bem conhecidos hologramas ópticos mostram imagens em 3D utilizando a informação de onde a luz refletida atinge sua intensidade máxima. Depois de se refletir em um objeto tridimensional, a fase da onda se desloca, o que dá informações sobre a estrutura espacial do objeto. É isto que dá aos hologramas sua aparência tridimensional característica.

Manipular a estrutura tridimensional das ondas acústicas até agora só era possível usando o que os físicos chamam de transdutor com controle de fase (phased array). É um conjunto de diversos alto-falantes posicionados lado a lado, que podem individualmente emitir sons com diferentes retardos de fase. A eletrônica necessária para controlar tudo, no entanto, é volumosa e cara.

"Nós agora podemos gerar som em 3D sem esta tecnologia complexa," disse Kai Melde, que teve o momento eureca que permitiu simplificar tudo.

Imagem da pomba da paz, de Picasso, criada com nanopartículas em um liquido manipuladas pelo holograma de som. [Imagem: Kai Melde / MPI for Intelligent Systems]

Como gerar o holograma de som

O holograma acústico faz seus desenhos gerando uma pressão sonora em micropartículas em suspensão em um líquido, fazendo-as seguir um padrão e formar a imagem.

Para isso, a equipe primeiro calcula as coordenadas e o quanto as ondas acústicas - mais especificamente, as suas fases - precisam se alterar para traduzir as linhas do desenho em uma área de maior pressão. O resultado é um mapa dos desvios de fase das ondas sonoras.

Com este mapa, a estrutura em relevo para gerar o holograma acústico é fabricada usando uma impressora 3D - a impressora aplica diferentes espessuras de material de acordo com o retardo de fase necessário para cada ponto.

"Há um grande interesse em usar a nossa invenção para gerar facilmente campos de ultrassom com formas complexas para diagnósticos e tratamentos médicos localizados," contou o professor Peer Fischer.

Bibliografia:

Holograms for acoustics
Kai Melde, Andrew G. Mark, Tian Qiu, Peer Fischer
Nature
Vol.: 537, 518-522
DOI: 10.1038/nature19755

Eletrônica

Polaron: Quasipartícula magnética é visualizada pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/09/2016

Quando os nanomagnetos da rede dipolar (em cima) interagem em busca de equilíbrio (embaixo à esquerda), emergem os polarons (embaixo à direita). [Imagem: Alan Farhan et al. - 10.1038/ncomms12635]

Polaron

Físicos conseguiram visualizar pela primeira vez um polaron, uma quasipartícula que emerge quando um elétron se liga de alguma forma ainda não totalmente compreendida a uma distorção local dos átomos de um cristal.

Essa visualização direta é importante porque já se sabe que os polarons atuam nas células solares e podem servir como novos mecanismos de armazenamento e processamento de informações magnéticas.

De fato, os polarons parecem ter um profundo efeito no movimento dos elétrons nos mais diversos tipos de materiais.

Gelo magnético

Para flagrar a nanopartícula em ação, Alan Farhan e seus colegas da Universidade Aalto, na Finlândia, construíram um material magnético artificial conhecido como "gelo de spin", um metamaterial formado por uma malha de nanoímãs organizados em um padrão geométrico específico - uma rede dipolar - que os faz interagirem uns com os outros.

• Gelo magnético regravável guarda 8 bits

"Projetar a geometria da rede bidimensional tornou possível criar e observar o decaimento dos polarons magnéticos em tempo real," disse Farhan.

Conceito de fronteira

"Nós introduzimos a rede dipolar porque ela oferece um alto grau de frustração, o que significa que interações magnéticas concorrentes não podem ser satisfeitas simultaneamente. Como todos os sistemas na natureza, a estrutura dipolar tende a relaxar e se estabilizar em um estado de baixa energia. Como resultado, sempre que excitações de cargas magnéticas surgem ao longo do tempo, elas tendem a ser acobertadas por cargas magnéticas opostas vindas do ambiente," explicou Farhan.

Com os momentos magnéticos flutuando, os polarons magnéticos surgem e decaem, o que permitiu que eles fossem visualizados em tempo real usando um microscópio eletrônico de fotoemissão.

"Este conceito, que vai bem além dos metamateriais magnéticos, está emergindo agora e irá moldar dramaticamente a fronteira da pesquisa de materiais na próxima década," prevê o professor Sebastiaan van Dijken, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Thermodynamics of emergent magnetic charge screening in artificial spin ice
Alan Farhan, Andreas Scholl, Charlotte F. Petersen, Luca Anghinolfi, Clemens Wuth, Scott Dhuey, Rajesh V. Chopdekar, Paula Mellado, Mikko J. Alava & Sebastiaan van Dijken.
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 12635
DOI: 10.1038/ncomms12635

Material se auto-organiza e cria processador por conta própria

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/09/2016

Os óxidos complexos se auto-organizam em circuitos elétricos, o que cria a possibilidade de criar novos tipos de chips de computador. [Imagem: ORNL]

Auto-organização computacional

Um dos grandes sonhos da nanotecnologia é reconstruir a matéria de baixo para cima, molécula por molécula, para que os materiais resultantes possam ter os comportamentos e as propriedades que o projetista desejar.

Mas que tal então materiais que nem dependam de tanto esforço, que possam se auto-organizar para formar circuitos lógicos completos, capazes de fazer cálculos computacionais?

E, mais do que isso, que esses circuitos possam ser "reescritos", rearranjados para cumprir funções diferentes conforme a necessidade?

Longe das teorias, essa possibilidade acaba de ser demonstrada experimentalmente por Andreas Herklotz e seus colegas do Laboratório Nacional Oak Ridge, nos EUA.

Separação de fase

O material é formado por uma mistura complexa de cristais de óxidos que, quando confinados em escalas micrométricas ou nanométricas, começa a funcionar como se fosse um circuito elétrico formado por múltiplos componentes, assim como um circuito eletrônico é formado por múltiplos transistores, resistores etc.

Essa auto-organização parece decorrer de um comportamento incomum dos óxidos cristalinos chamado separação de fase - pequenas regiões no material apresentam propriedades eletrônicas e magnéticas radicalmente diferentes das outras.

"O que foi interessante neste experimento é que nós descobrimos que podemos usar essas fases para que elas funcionem como elementos de um circuito. O fato de que é possível também mover esses elementos de um lado para o outro abre a incrível possibilidade de construir circuitos regraváveis no material," disse o professor Thomas Ward, coordenador da equipe.

A separação de fase induz a formação de domínios metálicos, isolantes e semicondutores que geram respostas do tipo resistor e capacitor que podem ser controladas eletricamente. [Imagem: Andreas Herklotz et al. - 10.1002/aelm.201600189]

Processadores customizados

Como as diversas fases respondem tanto a campos magnéticos quanto elétricos, o material pode ser controlado de várias maneiras, o que cria a possibilidade de novos tipos de chips e processadores de computador.

"É uma nova forma de pensar sobre a eletrônica, onde você não tem apenas campos elétricos sendo ligados e desligados para seus bits - não é meramente ligar a energia. Isto aponta para a exploração de abordagens completamente diferentes em direção a arquiteturas multifuncionais, onde a integração de múltiplos estímulos externos pode ser feita em um único material," prevê Ward.

Os pesquisadores demonstraram esta nova abordagem inovadora em um material chamado LPCMO (sigla dos seus elementos constituintes: lantânio, praseodímio, cálcio, manganês e oxigênio), mas Ward observa que outros materiais com separação de fase têm propriedades diferentes que podem ser exploradas.

"Isto significa que os materiais e arquiteturas que servem de base aos supercomputadores, PCs e smartphones, cada um com necessidades muito diferentes, não precisarão mais ser forçados a seguir um único caminho, onde o mesmo chip deve servir para todos," disse o pesquisador.

Bibliografia:

Multimodal Responses of Self-Organized Circuitry in Electronically Phase Separated Materials
Andreas Herklotz, Hangwen Guo, Anthony T. Wong, Ho Nyung Lee, Philip D. Rack, Thomas Zarc Ward
Advanced Electronic Materials
Vol.: 2 (9): 1600189
DOI: 10.1002/aelm.201600189

Metamaterial refratário transforma calor das máquinas em energia

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/09/2016

As estruturas do metamaterial funcionam como nanoantenas, aumentando a radiação térmica na frequência que pode ser absorvida pela célula fotovoltaica. [Imagem: Gabriela Sincich/Matthew Bollinger]

Termofotovoltaico

Um metamaterial termal, um novo tipo de material sintético refratário, pode ser a solução para capturar o calor desperdiçado pelos motores, fábricas e usinas de energia atuais - a maior parte do conteúdo energético dos combustíveis é perdido na forma de calor, liberado na atmosfera.

As células termofotovoltaicas são a grande esperança para isso. Em vez de capturar a luz visível do Sol para gerar eletricidade, como as fotovoltaicas, elas geram energia capturando a radiação infravermelha - o calor.

Contudo, essas células ainda precisam melhorar de eficiência e serem adaptadas para funcionar nos ambientes de extremo calor dos motores e das usinas.

Controle de emissão

Pavel Dyachenko e Sean Molesky, da Universidade Purdue, nos EUA, desenvolveram um material capaz de controlar a emissão da radiação infravermelha em temperaturas muito altas, fazendo com que os objetos - motores, canos, chaminés, coletores de calor ou o que seja - brilhem em "cores" muito definidas no espectro infravermelho.

Esse brilho pode ser então ajustado para permitir o funcionamento eficiente das células termofotovoltaicas, geralmente capazes de coletar apenas cores específicas da radiação - fótons de uma faixa de energia.

As nanocamadas de tungstênio e háfnio são usadas para controlar a emissão termal através de sua topologia fotônica. [Imagem: Sean Molesky/Purdue University]

Metamaterial termal

O metamaterial termal, formado por camadas em nanoescala de tungstênio e óxido de háfnio, é capaz de eliminar a emissão em uma faixa do espectro infravermelho e otimizar a emissão em outra faixa. Outra grande vantagem é que ele consegue manipular a radiação termal infravermelha na faixa dos 1.000º C.

Isso permite programar o material para que ele emita os fótons infravermelhos na faixa mais otimizada para a célula termofotovoltaica - acima da faixa de condução, ou bandgap, que for utilizada.

Agora a equipe está justamente trabalhando no material semicondutor que possa cumprir esse papel. Como o campo das células solares semicondutoras é bem desenvolvido, a equipe afirma que é uma questão de tempo para montar o sistema completo - eles já estão falando em comercialização da tecnologia nos próximos anos.

Bibliografia:

Controlling thermal emission with refractory epsilon-near-zero metamaterials via topological transitions
Pavel N. Dyachenko, Sean Molesky, A. Yu Petrov, M. Störmer, T. Krekeler, S. Lang, M. Ritter, Z. Jacob, M. Eich
Nature Communications
DOI: 10.1038/ncomms11809

Dupla hélice inorgânica vem dar nova vida à eletrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/09/2016

Ao contrário das moléculas microscópicas de DNA, a dupla hélice inorgânica forma cristais (esquerda) e fios (direita) de dimensões visíveis a olho nu. [Imagem: Andreas Battenberg/TUM]

Novo DNA semicondutor

A dupla hélice, com sua estrutura estável e flexível para armazenar a informação genética, está entre os elementos essenciais que tornaram possível a vida na Terra.

Agora, uma equipe da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, descobriu uma estrutura em dupla hélice em um material inorgânico.

O material, uma mistura de estanho, iodo e fósforo, é um semicondutor com propriedades ópticas e eletrônicas extraordinárias, além da extrema flexibilidade mecânica que seria de se esperar com base na experiência com as moléculas de DNA.

Dupla hélice inorgânica

Ao contrário dos materiais semicondutores inorgânicos convencionais, que estão na base de toda a indústria eletrônica e da informática, a dupla hélice inorgânica é altamente flexível. As fibras, que alcançam até centímetros de comprimento, podem ser dobradas arbitrariamente sem se quebrar, um comportamento muito diferente dos cristais que esses materiais costumam formar.

A substância, que é um semicondutor, está sendo chamada de SnIP, sigla composta pelo símbolo dos seus elementos constituintes: estanho (Sn), iodo (I) e fósforo (P).

"A SnIP pode ser facilmente produzida em uma escala de gramas e é, ao contrário do arseneto de gálio, que tem características eletrônicas similares, muito menos tóxica," adiantou a pesquisadora Daniela Pfister.

Estrutura em hélice dupla formada pelo composto de estanho, iodo e fósforo. [Imagem: Tom Nilges/TUM]

Inúmeras possibilidades de aplicação

As propriedades semicondutoras do SnIP prometem uma ampla gama de aplicações, da conversão de energia em células solares e elementos termoelétricos, até fotocatalisadores, sensores e componentes optoeletrônicos. E as características eletrônicas do material podem ser adaptadas a aplicações específicas por meio da dopagem com outros elementos.

Devido à disposição dos átomos na forma de dupla hélice, as fibras podem ser facilmente divididas em filamentos finos e muito longos. As fibras mais finas feitas até agora têm apenas cinco cadeias de hélices duplas e medem poucos nanômetros de espessura, o que abre as portas também para aplicações nanoeletrônicas.

"Em particular a combinação das propriedades semicondutoras interessantes e da flexibilidade mecânica nos dá grande otimismo com relação a possíveis aplicações. Em comparação com as células solares orgânicas, esperamos alcançar uma estabilidade significativamente maior dos materiais inorgânicos. Por exemplo, o SnIP continua estável até cerca de 500º C," reforçou o professor Tom Nilges.

Bibliografia:

Inorganic Double Helices in Semiconducting SnIP
Daniela Pfister, Konrad Schäfer, Claudia Ott, Birgit Gerke, Rainer Pöttgen, Oliver Janka, Maximilian Baumgartner, Anastasia Efimova, Andrea Hohmann, Peer Schmidt, Sabarinathan Venkatachalam, Leo van Wüllen, Ulrich Schürmann, Lorenz Kienle, Viola Duppel, Eric Parzinger, Bastian Miller, Jonathan Becker, Alexander Holleitner, Richard Weihrich, Tom Nilges
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201603135

Tecnologia armazena energia solar para noite inteira

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/09/2016

O professor Wenhua Yu realizando testes com o protótipo de armazenamento termal de energia renovável, que é 20 vezes mais eficiente do que os projetos realizados até agora.[Imagem: ANL]

Armazenamento de energia limpa

Um novo sistema de armazenamento térmico de energia consegue converter a energia solar coletada durante o dia e armazená-la com uma eficiência que garante o abastecimento contínuo por um período de 8 a 12 horas.

Ainda que muito progresso venha sendo feito recentemente no armazenamento das fontes limpas de energia - para lidar com os problemas de intermitência das fontes eólica e solar, principalmente - esta nova tecnologia é nada menos do que 20 vezes melhor do que os sistemas termais apresentados até agora.

O sistema é baseado em uma bateria de fluxo, que usa a energia solar para fundir um material de mudança de fase, armazenando a energia, que é liberada quando necessário mediante a re-solidificação do material.

Sal com grafite

A chave para a melhoria foi mesclar um material de mudança de fase de baixo custo - o cloreto de sódio, ou sal de cozinha - com espumas de grafite de alta porosidade e elevada condução elétrica.

A espuma de grafite aprisiona o sal em seus poros, facilitando e tornando mais rápida a fusão e a solidificação. A equipe demonstrou que esta alteração de fase se dá de forma sustentável ao longo do tempo.

Esta combinação reduziu a quantidade total de material necessário para construir o sistema e, por decorrência, seu custo. Ao mesmo tempo, a transferência de energia térmica tornou-se significativamente mais eficiente, proporcionando de 8 a 12 horas de armazenamento de energia - uma noite típica de armazenamento para uma usina de energia termossolar, por exemplo.

Usina modular

O próximo passo do projeto será construir uma planta-piloto 50 vezes maior do que o protótipo em escala de laboratório testado agora.

"Nós estamos planejando desenvolver uma usina em escala industrial na forma de um sistema modular, de forma que o sistema em escala piloto que estamos construindo poderá de fato ser usado como um módulo para um sistema em escala total, que será formado por muitos módulos empilhados ou dispostos em conjunto," disse o professor Wenhua Yu, do Laboratório Nacional Argonne, nos EUA.

Circuitos eletrônicos impressos com resolução micrométrica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/09/2016

Nessa escala, torna-se possível fabricar circuitos miniaturizados e complexos o bastante para uso prático. [Imagem: NIMS]

Eletrônica orgânica prática

Engenheiros japoneses atingiram um marco no cada vez mais importante campo da eletrônica orgânica, cujos circuitos são baratos e podem ser flexíveis e transparentes.

Eles construíram circuitos funcionais cujos componentes - e o espaçamento entre eles - medem apenas 1 micrômetro.

Embora isso seja 100 vezes maior do que os componentes eletrônicos tradicionais - 1 micrômetro é igual a 1.000 nanômetros, e os transistores estão atualmente se aproximando da faixa dos 10 nanômetros - os componentes orgânicos são fabricados por impressão, o que é muito mais simples e mais barato do que as avançadas técnicas de litografia usadas pela indústria eletrônica.

Isso significa que basta dissolver os semicondutores, formando uma "tinta eletrônica", e então imprimir os circuitos.

E, com componentes na escala dos micrômetros, torna-se possível fabricar circuitos complexos com dimensões miniaturizadas, criando aparelhos úteis adequados para uso no dia a dia.

Transistores orgânicos

Usando seu aumento de resolução, a equipe construiu transistores de filmes finos (TFTs: thin-film transistors) sobre substratos plásticos flexíveis e demonstrou que os circuitos funcionam sob condições ambientais práticas.

"Agora pretendemos aplicar essa técnica em vários campos, tais como telas de grandes formatos e sensores. Como o processo que desenvolvemos é aplicável em materiais bio-relacionados, a técnica também poderá ser útil no campo médico e na bioeletrônica," disse o professor Takeo Minari, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Spontaneous Patterning of High-Resolution Electronics via Parallel Vacuum Ultraviolet
Xuying Liu, Masayuki Kanehara, Chuan Liu, Kenji Sakamoto, Takeshi Yasuda, Jun Takeya, Takeo Minari
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201506151

Energia

Tecido coleta duas formas de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/09/2016

Tecido que gera energia

Este tecido é capaz de gerar eletricidade explorando simultaneamente o movimento físico ao qual ele é submetido - como parte de uma roupa, por exemplo - e a luz do Sol que incide sobre ele.

A combinação dos dois tipos de colheita de energia promete fomentar o campo da eletrônica de vestir - ou dos tecidos eletrônicos -, fornecendo uma potência mais próxima à exigida pelos aparelhos eletrônicos atuais, como celulares, GPS e implantes médicos.

"Este tecido híbrido gerador de energia representa uma nova solução para recarregar aparelhos no campo a partir de algo tão simples quanto o vento soprando em um dia de verão," disse o professor Zhong Lin, do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos EUA.

Nos primeiros testes, um pedaço do tecido medindo 4 x 5 centímetros posto ao ar livre conseguiu carregar totalmente um capacitor de 2 mF a 2 Volts em um minuto.

Tecido eólico-solar

Para construir o tecido eólico-solar, a equipe usou uma máquina têxtil comum para entretecer fios de algodão com células solares orgânicas, construídas na forma de fios de polímeros, e nanogeradores triboelétricos, também em formato de fios.

Os nanogeradores triboelétricos usam uma combinação do efeito triboelétrico e da indução eletrostática para gerar pequenas quantidades de eletricidade a partir do movimento mecânico, seja ele de rotação, vibração ou mesmo "esfregação" - o princípio de operação é diferente do usado pelosnanogeradores piezoelétricos.

Bracelete feito com o tecido gerador de energia, que ainda precisará passar pelos testes de resistência à água. [Imagem: Georgia Tech]

A expectativa é que o tecido-gerador, com apenas 320 micrômetros de espessura, possa ser usado em roupas, cortinas e barracas. "O tecido é altamente flexível, poroso, leve e adaptável para uma ampla faixa de usos," disse Wang.

A equipe agora pretende observar a durabilidade do tecido em condições reais - sobretudo sua resistência à chuva e à umidade -, enquanto aprimora o processo de fabricação com vistas ao ambiente industrial.

Bibliografia:

Micro-cable structured textile for simultaneously harvesting solar and mechanical energy
Jun Chen, Yi Huang, Nannan Zhang, Haiyang Zou, Ruiyuan Liu, Changyuan Tao, Xing Fan, Zhong Lin Wang
Nature Energy
Vol.: 1, Article number: 16138
DOI: 10.1038/nenergy.2016.138

Brasileiros desenvolvem célula solar de perovskita

Com informações da Unicamp -  20/09/2016

O protótipo da célula solar de perovskita alcançou uma eficiência de 13%, semelhante ao alcançado pelas células solares de silício vendidas comercialmente.[Imagem: Antonio Scarpinetti]

Células solares de perovskita

Em um feito inédito no Brasil, pesquisadores do Instituto de Química da Unicamp fabricaram os primeiros protótipos de células solares de perovskita.

A perovskita despontou recentemente como umaalternativa potencialmente mais barata e mais eficiente ao silício, empregado atualmente nas células solares fotovoltaicas.

"Fizemos tudo aqui no LNES [Laboratório de Nanotecnologia e Energia Solar], com a estrutura da qual já dispúnhamos e sem a colaboração de grupos estrangeiros," afirma o químico Rodrigo Szostak, que contou com a orientação da professora Ana Flávia Nogueira.

Os testes indicaram uma eficiência de 13% por parte das células de perovskita, índice semelhante ao alcançado pelas células solares de silício vendidas comercialmente, cuja eficiência gira em torno de 15%.

• Células solares de perovskita, agora eficientes e grandes

Do laboratório para o mercado

Apesar da potencialidade das perovskitas, Rodrigo lembra que todos os resultados obtidos até agora com o material ainda estão em escala laboratorial.

É por isso que outro pesquisador da equipe, Matheus Serra de Holanda, está trabalhando em técnicas para evitar que o material, que é extremamente sensível à umidade, absorva a água presente no ambiente. "Estou promovendo modificações nas perovskitas para evitar que a umidade interfira no processo de conversão direta da radiação em eletricidade. Felizmente, os testes que temos realizado estão gerando bons resultados," adiantou ele.

O que a equipe já sabe com certeza é que, se as células solares de perovskita vão se mover mesmo do laboratório para o mercado, isso exigirá uma colaboração multidisciplinar: "A nossa equipe conta com químicos, um físico e um engenheiro eletrônico. Quando chegarmos ao ponto de migrar da bancada para a escala comercial, certamente precisaremos também do apoio de um engenheiro eletricista. Ainda estamos um pouco distantes de desenvolver um produto, mas nosso objetivo é esse", contou Rodrigo.

Perovskita

Perovskita é o nome de uma estrutura cristalina descoberta pelo mineralogista alemão Gustav Rose em 1839, nos Montes Urais, na Rússia. O mineral foi batizado em homenagem ao também mineralogista russo Count Lev Alexevich von Perovski.

Desde então, o termo perovskita tem sido usado para nomear uma classe de materiais - uma perovskita pode ser puramente inorgânica ou híbrida, onde alguns componentes são orgânicos, como é o caso das utilizadas em células solares.

A família de perovskitas com propriedades fotovoltaicas é composta por um cátion orgânico, um inorgânico, sendo chumbo ou estanho, e um halogênio, sendo iodo, bromo ou cloro.

Sinais de celular a radar são bloqueados por nanomaterial

Redação do Site Inovação Tecnológica -  14/09/2016

As camadas do nanomaterial - que é uma espécie de nanoargila - bloqueiam uma larga faixa de frequências de ondas de rádio. [Imagem: Drexel University]

MXenos

A radiação eletromagnética está em toda parte.

Tem sido assim desde o início do Universo, mas a proliferação de produtos eletrônicos nas últimas décadas tem contribuído para aumentar de forma notável o volume de radiação gerada em nosso planeta, a ponto de se transformar em uma fonte de poluição e em uma alegada marca doAntropoceno.

Embora as alegações de que esse mar de ondas eletromagnéticas possa causar problemas de saúde permaneçam controversas, a interferência eletromagnética pode ser sentida em aparelhos com ruídos, quedas de sinal e diminuição da velocidade nominal de transferência de dados, entre várias outras possibilidades.

A boa notícia é que é possível construir um escudo contra essas interferências em cada aparelho e, eventualmente, até mesmo em casas e prédios.

Um grupo de pesquisadores dos EUA e da Coreia do Sul conseguiram "limpar" a poluição eletromagnética usando uma finíssima camada de um nanomaterial conhecido como MXeno, descoberto há menos de dois anos.

Blindagem contra interferência eletromagnética

A blindagem contra a interferência eletromagnética hoje envolve o uso de um invólucro de metal, como cobre ou alumínio, ou um revestimento de tinta metálica. Vem funcionando razoavelmente bem, mas ao custo de aumentar o tamanho e o peso dos aparelhos e de oferecer limitações ao projeto desses aparelhos.

Um efeito melhor pode ser obtido com uma película de poucos átomos de espessura de carbeto de titânio, um dos cerca de 20 materiais bidimensionais que compõem a família dos MXenos.

Além de ser mais eficaz no bloqueio e na contenção da radiação eletromagnética, a película é extremamente fina e pode ser aplicada por aspersão em qualquer superfície - como a pintura.

Para substituir as películas de alumínio e cobre, a equipe constatou que basta uma camada de MXeno de 8 micrômetros, que alcança 99,9999% no bloqueio da radiação eletromagnética nas frequências que cobrem toda a faixa dos telefones celulares até os radares. O material superou até mesmo outros materiais sintéticos, como as fibras de carbono e o grafeno, que vêm sendo avaliados com o mesmo objetivo.

O próximo passo é escalonar o método de deposição do nanomaterial para aplicação industrial, para que ele chegue ao mercado.

Bibliografia:

Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes)
Faisal Shahzad, Mohamed Alhabeb, Christine B. Hatter, Babak Anasori, Soon Man Hong, Chong Min Koo, Yury Gogotsi
Small
Vol.: 353, Issue 6304, pp. 1137-1140
DOI: 10.1126/science.aag2421