Tela 3D tem píxeis que levitam com ondas sônicas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/10/2016

Telas 3D suspensas

Conforme avança a tecnologia para manipulação de objetos com ondas ultrassônicas, os pesquisadores começam a soltar a criatividade quanto ao que fazer com essa técnica.

A última novidade, ainda em estágio bastante inicial, é uma tela formada por píxeis flutuantes, pequenas bolinhas mantidas no ar pelas ondas sonoras e manipuladas eletricamente, de forma a mostrar imagens.

"Nós criamos telas suspensas no ar que flutuam livremente, onde cada píxel na tela pode ser girado no local para mostrar diferentes cores e imagens. Isto abre um espaço de projeto totalmente novo, onde o computador e as telas móveis se estendem pelo espaço 3D acima da tela," entusiasma-se Sriram Subramanian, da Universidade de Sussex, no Reino Unido.

A equipe de Subramanian está há tempos no campo das telas 3D, já tendo criado uma tela 3D mecânica e até uma tela de neblina.

Tela que desmonta

Na tela acústica, os píxeis são levitados usando uma série de alto-falantes de ultra-som em miniatura que criam ondas sonoras agudas e de alta intensidade que são inaudíveis ao ser humano, mas fortes o suficiente para manter as bolinhas no lugar.

Para mostrar diferentes cores, Subramanian coloriu as faces das esferas. Uma fez flutuando, elas são giradas eletricamente. Para isso, cada esfera recebe um revestimento de dióxido de titânio, tornando-as sensíveis a cargas eletrostáticas geradas por um campo elétrico controlado por computador.

"No futuro pretendemos explorar modos nos quais possamos tornar a tela multicolorida e com elevada profundidade de cor, para que possamos mostrar cores mais vivas.

"Também queremos estudar maneiras pelas quais essa tela possa ser usada para mostrar mídias sob demanda: Uma tela aparece na frente do usuário para mostrar a informação e, em seguida, os objetos formando a imagem caem no chão quando o vídeo terminar," propõe Subramanian.

Bibliografia:

JOLED: A mid-air display based on electrostatic rotation of levitated Janus objects
Deepak Ranjan Sahoo, Takuto Nakamura, Asier Marzo, Themis Omirou, Michihiro Asakawa, Sriram Subramanian
ACM UIST 2016 Proceedings
DOI: 10.1145/2984511.2984549

Piso de madeira gera eletricidade a cada pisada

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/10/2016

O professor Xudong Wang acredita que os nanogeradores durarão enquanto durar o piso. [Imagem: Stephanie Precourt/UW-Madison]

Colheita de energia

Já existem sapatos capazes de gerar energia, assim como projetos para transformar o piso inteiro em um gerador de eletricidade, permitindo aproveitar o movimento dos pedestres e veículos para iluminar ruas, calçadas e prédios comerciais.

A ideia de Chunhua Yao e seus colegas da Universidade Wisconsin-Madison, nos EUA, é tornar esses sistemas de colheita de energia mais ambientalmente amigáveis, dispensando os materiais piezoelétricos tradicionais, o que permitirá a adoção dessas tecnologias dentro de casa.

Para isso, eles se voltaram para um material que poucos desconfiariam poder ser usado para gerar eletricidade: a polpa de madeira já utilizada em pisos em todo o mundo.

• Nanogerador de celulose para aplicar remédios

Nanogerador de celulose

A polpa de madeira contém em sua composição nanofibras de celulose que, quando tratadas com compostos químicos adequados, produzem uma pequena carga elétrica quando entram em contato com fibras não tratadas.

Leve em conta os milhões de nanofibras presentes em centímetro quadrado de piso e está pronto um gerador triboelétrico, capaz de produzir uma quantidade aproveitável de energia - triboeletricidade é o mesmo fenômeno que produz a eletricidade estática nas roupas.

Os primeiros protótipos mostraram que os pisos de madeira produzem eletricidade suficiente para alimentar lâmpadas de LED ou recarregar celulares.

Vida longa

"Nosso teste inicial em laboratório mostrou que [o gerador] funciona por milhões de ciclos sem qualquer problema. Nós não convertemos esses números em anos de vida do piso ainda, mas acredito que, com um projeto adequado, ele pode definitivamente superar a vida útil do próprio piso," disse o professor Xudong Wang, coordenador da equipe.

Como a polpa de madeira é barata, e muitas vezes descartada pelas empresas, a equipe acredita que o baixo custo da matéria-prima poderá ajudar a colocar sua ideia no mercado.

Bibliografia:

Triboelectric nanogenerators and power-boards from cellulose nanofibrils and recycled materials
Chunhua Yao, Alberto Hernandez, Yanhao Yu, Zhiyong Cai, Xudong Wang
Nano Energy
Vol.: 30, December 2016, Pages 103-108
DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.09.036

Novo recorde de velocidade da corrente elétrica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  28/10/2016

A corrente elétrica recordista oscilou a cerca de 8 petahertz - um milhão de vezes mais rápido do que a eletricidade fluindo por um processador de computador. [Imagem: MPI of Quantum Optics/ Attoelectronics]

Recorde da eletricidade

No campo da eletrônica, quanto menor, melhor. Alguns componentes usados na construção dos computadores ou dos telefones celulares, no entanto, tornaram-se tão pequenos que são formados por alguns poucos átomos. Assim, dificilmente será possível reduzi-los ainda mais.

Felizmente, há outro fator determinante para o desempenho dos aparelhos eletrônicos: a velocidade com que as correntes elétricas oscilam.

Foi aí que os físicos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, inovaram: eles produziram correntes elétricas dentro de materiais sólidos - como os usados na construção de componentes eletrônicos - que ultrapassam a frequência da luz visível em mais de 10 vezes.

Eles fizeram os elétrons no dióxido de silício oscilarem disparando pulsos de laser ultrarrápidos. A condutividade do material - que é tipicamente usado como um isolante - foi aumentada em mais de 19 ordens de grandeza.

As correntes elétricas detectadas atingem 8 petahertz, aproximadamente um milhão de vezes mais rápidas do que as correntes que circulam nos processadores de computador mais modernos - isto é, a abordagem pode abrir o caminho para a criação de chips eletrônicos que sejam um milhão de vezes mais rápidos do que os atuais.

Velocidade da corrente elétrica

As técnicas eletrônicas convencionais não conseguem gerar e nem capturar essas correntes elétricas rápidas porque, nos circuitos convencionais, os elétrons são empurrados pelo campo elétrico das fontes elétricas que os alimentam - como as baterias - para oscilarem e saírem disparados pelos condutores e semicondutores.

Contudo, ainda que todos os elétrons inicialmente acompanhem a força dos campos da bateria, eles eventualmente colidem com outras partículas mais lentas - átomos ou íons -, o que faz com que percam a sincronia uns com os outros, diminuindo a velocidade da corrente elétrica como um todo.

Já os campos de luz muito fortes podem empurrar os elétrons a uma velocidade muito mais rápida porque o laser os faz oscilarem muito rapidamente, criando correntes antes que qualquer outra partícula no sólido tenha a oportunidade de se mover.

Unificação da fotônica com a eletrônica

A possibilidade de substituir por luz as fontes convencionais de energia elétrica, a fim de gerar correntes elétricas dentro dos materiais sólidos - sejam fios ou transistores -, tem capturado a imaginação dos físicos há mais de um século, mas só recentemente as tecnologias necessárias para isso ganharam momento.

"Conforme os elétrons se movem de forma coerente, eles também geram luz, que é o elemento-chave da fotônica. Por este motivo, poderemos em breve unificar duas importantes áreas da ciência e da tecnologia modernas: a eletrônica e a fotônica," prevê o professor Eleftherios Goulielmakis, líder da equipe.

Bibliografia:

Multi-petahertz electronic metrology
M. Garg, M. Zhan, T. T. Luu, H. Lakhotia, T. Klostermann, A. Guggenmos, E. Goulielmakis
Nature
Vol.: 538, 359-363
DOI: 10.1038/nature19821

Catalisador barato converte CO2 diretamente em etanol

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/10/2016

Protótipo do conversor de CO2 em etanol (esquerda) e detalhe do nanocatalisador, feito de metais de baixo custo. [Imagem: ORNL]

Combustão reversa

Esta pequena célula transforma diretamente dióxido de carbono (CO2), um gás de efeito estufa, em etanol, um combustível que pode ser utilizado em automóveis.

Esta conversão direta é um sonho antigo da comunidade científica e, quando totalmente desenvolvida, poderá ajudar a enfrentar o problema da contribuição humana ao aquecimento global ou servir como meio de armazenamento temporário de energia para fontes intermitentes, como a solar e a eólica.

A inovação foi possível graças a um catalisador formado por carbono, cobre e nitrogênio que, sob ação de uma corrente elétrica, dispara uma complexa reação química que essencialmente reverte o processo de combustão.

"Nós descobrimos, de certa forma por acaso, que esse material funcionava. Nós estávamos tentando estudar o primeiro passo da reação quando nos demos conta de que o catalisador estava fazendo sozinho a reação inteira," disse Adam Rondinone, do Laboratório Nacional Oak Ridge, nos EUA.

CO2 vira etanol

O catalisador forma estruturas em nanoescala que aumentam sua área útil e dispensa o uso de metais raros, como a platina, que tem inviabilizado economicamente processos desse tipo.

Com os inúmeros pontos de reação, a solução com dióxido de carbono dissolvido em água transforma-se em etanol com um rendimento de 63%. Esta é outra vantagem em relação a técnicas similares, que geralmente produzem vários produtos diferentes em pequenas quantidades: a célula experimental produz apenas etanol puro.

Como a técnica usa apenas materiais de baixo custo e opera a temperatura ambiente em água, os pesquisadores acreditam que ela poderá ser escalonada para aplicações industrialmente relevantes.

Bibliografia:

High-Selectivity Electrochemical Conversion of CO2 to Ethanol using a Copper Nanoparticle/N-Doped Graphene Electrode
Yang Song, Rui Peng, Dale K. Hensley, Peter V. Bonnesen, Liangbo Liang, Zili Wu, Harry M. Meyer III, Miaofang Chi, Cheng Ma, Bobby G. Sumpter, Adam J. Rondinone
ChemistrySelect
DOI: 10.1002/slct.201601169

Materiais Avançados

Fibra óptica flexível e biocompatível se dá bem com o cérebro

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/10/2016

Corantes são usados para encontrar o ponto preciso onde a fibra óptica biocompatível é flexionada. [Imagem: Jingjing Guo/MIT]

Óptica médica

Uma fibra óptica feita inteiramente de hidrogel - um material elástico, parecido com uma borracha, e composto quase inteiramente por água - deverá se tornar o instrumento preferido em uma série de tecnologias médicas.

As fibras ópticas já são largamente utilizadas em medicina, de exames e cirurgias, até as mais exploratórias técnicas optogenéticas, usadas, entre outras coisas, para controlar o cérebro com luz.

"Mas o cérebro é mais parecido com uma gelatina, enquanto as fibras ópticas comuns são como vidro, muito rígidas, podendo danificar os tecidos cerebrais. [Com fibras] que atinjam a flexibilidade e a maciez do cérebro, poderemos oferecer estimulação e terapias mais eficazes a longo prazo," disse o professor Xuanhe Zhao, do MIT, nos EUA.

Fibra óptica de hidrogel

A fibra óptica de hidrogel é formada por um material central encapsulado por uma camada de proteção.

O grande feito da equipe foi ajustar a composição dos dois materiais para que eles tivessem índices de refração bem distintos, o que é essencial para transmitir o máximo possível de luz - com índices similares, a luz que entra pelo núcleo simplesmente "vaza" pela proteção externa.

Inserindo corantes ao longo da fibra, é possível detectar exatamente onde a fibra se dobra, o que é importante para a inserção do dispositivo no corpo humano, para monitorar os movimentos de próteses e implantes ou para acompanhar a recuperação de membros, afirmam os pesquisadores.

Bibliografia:

Highly Stretchable, Strain Sensing Hydrogel Optical Fibers
Jingjing Guo, Xinyue Liu, Nan Jiang, Ali K. Yetisen, Hyunwoo Yuk, Changxi Yang, Ali Khademhosseini, Xuanhe Zhao, Seok-Hyun Yun
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201603160

áquina de Ising: Nasce um novo tipo de computador

Informática

Máquina de Ising: Nasce um novo tipo de computador

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/10/2016

Peter McMahon e Alireza Marandi examinam o protótipo do seu computador a laser - eles fazem parte das duas equipes, japonesa e norte-americana. [Imagem: L.A. Cicero]

Computação de problemas intratáveis

Combinando a tecnologia óptica com a eletrônica, uma equipe dos EUA e outra do Japão, trabalhando de forma colaborativa, construíram dois protótipos de um novo tipo de computador que consegue resolver problemas intratáveis para os computadores tradicionais, incluindo os supercomputadores.

As equipes afirmam que, quando conseguirem criar versões maiores e mais flexíveis desse tipo inteiramente novo de computador, essa forma não-convencional de computação poderá ajudar a encontrar soluções mais próximas do ideal para problemas que têm um número extremamente elevado de soluções possíveis.

"Há muitas, muitas questões que este desenvolvimento levanta e esperamos que, ao longo dos próximos anos, vários grupos investiguem esta classe de máquina e estudem como esta abordagem irá se desenvolver," disse Peter McMahon, da Universidade de Stanford.

A equipe japonesa, que construiu uma máquina idêntica, foi liderada por Takahiro Inagaki, da empresa NTT, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Tóquio.

Máquina de Ising

As duas equipes construíram o que se conhece como uma "máquina de Ising", em homenagem ao físico alemão Ernst Ising (1900-1998), que idealizou o modelo matemático do magnetismo. A máquina funciona como uma rede reprogramável de ímãs artificiais, na qual cada ímã aponta apenas para cima ou para baixo, ou norte e sul, como um sistema magnético de verdade.

A teoria é que, se as conexões entre a rede de magnetos puder ser programada para representar o problema em questão, a solução pode ser derivada do estado final da máquina, conforme seus componentes se encaminham naturalmente para o estado de mais baixa energia.

As duas equipes trabalharam com o conhecido problema do caixeiro-viajante, que busca encontrar a melhor rota para um vendedor que precise visitar uma série de cidades. Tipicamente intratável pelos computadores tradicionais, esse tipo de problema é importante porque trata não apenas de encontrar as melhores rotas para vendedores ou entregadores, mas também para descobrir como rotear os pacotes de dados pelas redes de computadores de maneira mais eficiente ou como as proteínas se dobram.

• Computação híbrida usa memória externa para ganhar inteligência

Esquema conceitual da Máquina de Ising. [Imagem: Peter L. McMahon et al. - 10.1126/science.aah5178]

Computador de laser

Em vez de usar ímãs em uma grade, os pesquisadores usaram um tipo especial de sistema de laser conhecido como "oscilador paramétrico óptico degenerado". Quando ligado, esse sistema representa os estados para cima ou para baixo dos ímãs, enquanto cada pulso de laser representa a posição de uma cidade no caminho que o vendedor poderia tomar.

Por enquanto, a máquina Ising está bem aquém do poder de processamento dos computadores eletrônicos tradicionais quando se trata de otimização combinatória, mas estes primeiros resultados são promissores.

"Eu acredito que é uma rota entusiasmante de exploração para encontrar computadores alternativos. Ela pode nos levar mais perto de formas mais eficientes de lidar com alguns dos problemas computacionais mais difíceis que temos," disse Alireza Marandi, que faz parte das duas equipes. "Até agora, nós construímos um computador baseado em laser que pode resolver alguns desses problemas, e nós já mostramos alguns resultados promissores."

Barato e fácil de ampliar

Outro aspecto promissor da pesquisa é que praticamente todos os materiais e equipamentos utilizados para construir os dois computadores optoeletrônicos podem ser comprados no comércio porque já são utilizados em telecomunicações.

Em combinação com a simplicidade de programação, isto torna a máquina fácil de escalonar, para resolver problemas mais complexos. As versões atuais são capazes de resolver problemas de 100 variáveis com qualquer conjunto arbitrário de conexões entre as variáveis.

Bibliografia:

A fully-programmable 100-spin coherent Ising machine with all-to-all connections
Peter L. McMahon, Alireza Marandi, Yoshitaka Haribara, Ryan Hamerly, Carsten Langrock, Shuhei Tamate, Takahiro Inagaki, Hiroki Takesue, Shoko Utsunomiya, Kazuyuki Aihara, Robert L. Byer, M. M. Fejer, Hideo Mabuchi, Yoshihisa Yamamoto
Science
DOI: 10.1126/science.aah5178

A coherent Ising machine for 2000-node optimization problems
Takahiro Inagaki, Yoshitaka Haribara, Koji Igarashi, Tomohiro Sonobe, Shuhei Tamate, Toshimori Honjo, Alireza Marandi, Peter L. McMahon, Takeshi Umeki, Koji Enbutsu, Osamu Tadanaga, Hirokazu Takenouchi, Kazuyuki Aihara, Ken-ichi Kawarabayashi, Kyo Inoue, Shoko Utsunomiya, Hiroki Takesue
Science
DOI: 10.1126/science.aah4243

Primeiro circuito integrado fotônico totalmente elétrico

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/10/2016

O nanotubo de carbono, no centro, emite os fótons, que são detectados pelos nanofios. A corrente de 0s e 1s ilustra o fluxo das informações. [Imagem: W.Pernice/WWU]

Miniaturização da luz

No ano passado, uma equipe internacional demonstrou que "conta-gotas de luz"muito simples poderiam ser usados em tecnologias fotônicas.

Esses conta-gotas de luz são mais conhecidos como geradores de fótons individuais, lâmpadas em nanoescala que emitem um fóton de cada vez. Eles representam uma das tecnologias fundamentais para viabilizar os futuros computadores à base de luz e os processadores quânticos.

Agora, uma equipe alemã conseguiu embutir toda aquela técnica dentro de um único chip, criando o primeiro circuito fotônico inteiramente controlado por eletricidade.

"Experimentos investigando a aplicabilidade da tecnologia óptica quântica até agora usam espaços de laboratórios inteiros. Contudo, se essa tecnologia pretende ser aplicada de forma significativa, ela deve ser acomodada dentro de um espaço mínimo," explicou o professor Ralph Krupke, do Instituto de Tecnologia Karlsruhe.

Circuito integrado fotônico

Cada nanolâmpada, ou fonte de fótons individuais, consiste em um nanotubo de carbono dopado com um átomo oxigênio. Os fótons emitidos por ele navegam por guias de onda - os "fios" para a luz -, sendo finalmente detectados - ou lidos - por nanofios supercondutores.

Todo este sistema foi montado dentro de um único chip, facilitando os experimentos e permitindo a conexão de vários segmentos para formar circuitos mais complexos.

Como todos os componentes são acionados eletricamente, não há mais necessidade do laser externo, normalmente usado ou para fornecer os fótons, ou para induzir sua emissão por outro nanocomponente.

Embora componentes individuais com as mesmas capacidades já tenham sido demonstrados em temperatura ambiente, o circuito integrado fotônico ainda precisa ser resfriado à temperatura necessária para o funcionamento dos nanofios supercondutores - a exemplo da maioria dos experimentos comprocessadores quânticos.

Bibliografia:

Fully integrated quantum photonic circuit with an electrically driven light source
Svetlana Khasminskaya, Felix Pyatkov, Karolina Slowik, Simone Ferrari, Oliver Kahl, Vadim Kovalyuk, Patrik Rath, Andreas Vetter, Frank Hennrich, Manfred M. Kappes, G. Goltsman, A. Korneev, Carsten Rockstuhl, Ralph Krupke, Wolfram H. P. Pernice
Nature Photonics
DOI: 10.1038/nphoton.2016.178

Computação híbrida usa memória externa para ganhar inteligência

Com informações do Jornal da Unicamp -  20/10/2016

Impressão artística de um Computador Neural Diferenciável: a CPU (no centro) é visualizada como o operador de uma fábrica onde a informação (os 0s e 1s) é manipulada por braços robóticos encarregados de escrever, ler e apagar um rolo de papel em movimento que representa a memória.[Imagem: DeepMind]

Computador Neural Diferenciável

Uma nova estrutura computacional, que associa uma rede neural a uma memória externa, semelhante à dos computadores convencionais, mostrou-se capaz de realizar tarefas dificilmente realizáveis pelos sistemas computacionais atuais.

Essas tarefas incluem resolver um quebra-cabeça cujo objetivo é formulado em linguagem simbólica, navegar por árvores genealógicas ou decidir qual a rota mais eficiente em um sistema de metrô - que é uma versão do problema do caixeiro-viajante.

Essa estrutura foi batizada de Computador Neural Diferenciável (CND) por Alex Graves e seus colegas do laboratório Google DeepMind.

Inteligência Artificial

As redes neurais são programas capazes de aprender por tentativa e erro, reforçando as conexões que conduzem ao resultado desejado e eliminando as menos utilizadas. Sua deficiência está na dificuldade em representar e armazenar dados em forma simbólica e por longos períodos.

Os computadores tradicionais e seus programas, por sua vez, são bons em resolver problemas estruturados em forma simbólica e arquivar informações, mas não aprendem, exigindo alterações na programação para levar em conta qualquer alteração.

Já o Computador Neural Diferenciável é uma rede neural capaz de acessar uma memória externa, análoga à RAM de um computador comum, obtendo o melhor de cada uma das duas arquiteturas.

Solução do problema do caixeiro-viajante apresentado para o caso do metrô de Londres. [Imagem: Alex Graves et al. -10.1038/nature20101]

Máquinas que aprendem

"Como um computador convencional, ele pode usar sua memória para representar e manipular estruturas de dados complexas. Mas, como uma rede neural, ele pode aprender a fazer isso a partir dos dados apresentados.

"Quando treinado com aprendizado supervisionado, um CND pode responder com sucesso a questões (...) criadas para emular problemas de raciocínio e inferência em linguagem natural.

"Demonstramos como redes neurais e sistemas de memória podem ser combinados para construir máquinas que aprendem que podem armazenar conhecimento rapidamente e ponderar sobre ele de forma flexível", escrevem os pesquisadores.

Bibliografia:

Hybrid computing using a neural network with dynamic external memory
Alex Graves, Greg Wayne, Malcolm Reynolds, Tim Harley, Ivo Danihelka, Agnieszka Grabska-Barwinska, Sergio Gómez Colmenarejo, Edward Grefenstette, Tiago Ramalho, John Agapiou, Adrià Puigdomènech Badia, Karl Moritz Hermann, Yori Zwols, Georg Ostrovski, Adam Cain, Helen King, Christopher Summerfield, Phil Blunsom, Koray Kavukcuoglu, Demis Hassabis
Nature
DOI: 10.1038/nature20101

DNA forma componentes eletrônicos de elétron único

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/10/2016

O elétron "tunela" pelo nanocomponente - ele o atravessa como uma onda, e não como uma partícula. [Imagem: Nano Letters]

Automontagem

Além de servir como manual de instruções para a estruturação da vida, o DNA parece também ser capaz de guiar a construção de estruturas inorgânicas - mais especificamente, de componentes eletrônicos.

Embora moléculas de DNA venham sendo extensivamente usadas pela nanotecnologia para a construção dos mais variados tipos de dispositivos -computadores de DNA, nanorrobôs e peças para nanomáquinas, entre muitos outros - o trabalho de Kosti Tapio e seus colegas das universidades de Jyvaskyla e Tampere, na Finlândia, é diferente.

A molécula de DNA propriamente dita não integra o dispositivo eletrônico, funcionando com um guia - graças à automontagem do DNA - sobre o qual três nanopartículas de ouro se ajeitam para formar o componente. Depois disso, a molécula permanece no local, servindo como suporte.

As nanopartículas não precisam nem mesmo encostar umas nas outras, já que a eletricidade flui pelo nanofio pelo fenômeno quântico do tunelamento - o que significa que os elétrons atravessam não apenas as partículas, mas também o espaço que restar entre elas.

Em outras palavras, cada nanocomponente produz seus efeitos a cada elétron que passa - é por isso que essa categoria é chamada de componentes de elétron único.

• Bomba de elétron único redefine corrente elétrica

Automontagem e temperatura ambiente

Todo o processo é baseado na capacidade de automontagem do DNA, o que permite fabricar milhares desses componentes em uma única batelada.

E a grande expectativa com estes resultados iniciais é que esses nanofios podem manter seu funcionamento de forma consistente até a temperatura ambiente - a maioria dos experimentos baseados em efeitos quânticos depende de temperaturas criogênicas.

A equipe agora pretende sintetizar componentes mais complexos, que possam ser usados para montar circuitos.

"As excelentes propriedades de automontagem do DNA, junto com técnicas já maduras para sua fabricação e modificação, oferecem uma grande variedade de possibilidades," disse o professor Vesa Hytonen, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Toward Single Electron Nanoelectronics Using Self-Assembled DNA Structure
Kosti Tapio, Jenni Leppiniemi, Boxuan Shen, Vesa P. Hytönen, Wolfgang Fritzsche, J. Jussi Toppari
Nano Letters
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02378

Bateria atômica para naves espaciais fica melhor com escuterudita

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/10/2016

Os novos termopares substituirão os atuais, mantendo todo o projeto dos geradores de radioisótopos já em uso, o que irá acelerar o uso da nova tecnologia.[Imagem: NASA/JPL-Caltech]

Baterias atômicas

Agora que as viagens interestelares e aexploração de luas distantes do Solcomeçaram a ser levadas a sério, pesquisadores da NASA estão trabalhando em novos tipos de geradores que possam suprir energia para naves que não possam contar com a energia solar para alimentar seus equipamentos.

E eles descobriram que um material natural com nome estranho - escuterudita - pode dar um novo impulso às chamadas "baterias nucleares", um meio caminho entre uma bateria e um reator nuclear.

Várias sondas espaciais usam esses "Geradores Termoelétricos de Radioisótopos", nos quais substâncias radioativas como o plutônio-238 geram calor naturalmente conforme decaem, transformando-se em outros elementos. Esse calor é então usado para gerar eletricidade para os equipamentos da nave.

Sistema termoelétrico

A equipe do Laboratório de Propulsão a Jato de Pasadena descobriu que as escuteruditas permitem construir um gerador de radioisótopos que gera 25% mais energia do que o utilizado pelo robô Curiosity.

Além disso, como esses minerais se degradam naturalmente de forma mais lenta, isso significa que as naves e robôs espaciais poderão contar com pelo menos 50% mais potência no final da vida útil do gerador, estimada em 17 anos.

"Contar com um sistema termoelétrico mais eficiente significa que nós precisaremos usar menos plutônio. Nós poderemos ir mais longe, por mais tempo e fazer mais [experimentos]," disse Sabah Bux, membro da equipe.

Já existem também experimentos combaterias nucleares à base de água. [Imagem: Kim, Kwon - 10.1038/srep05249]

Escuteruditas

As escuteruditas são minerais sulfurosos, com fórmula geral (Co,Ni,Fe)As_2-3.

Elas conduzem eletricidade como os metais, mas se aquecem lentamente, como o vidro, quando então geram quantidades mensuráveis de eletricidade, o que as torna muito promissoras para uso em materiais termoelétricos.

"Nós precisamos de compostos de alta temperatura, com a melhor combinação de propriedades elétricas e de transferência de calor. As escuteruditas, com suas estruturas complexas compostas de átomos pesados, como o antimônio, nos permitem fazer isto," disse Bux.

Este é o protótipo de uma pequena bateria nuclear miniaturizada, para uso em aparelhos portáteis. [Imagem: University of Missouri]

Termopares

A equipe agora está trabalhando para transformar as escuteruditas em termopares, um dispositivo que gera eletricidade a partir de uma diferença de temperatura entre seus componentes - o gerador de radioisótopos do Curiosity usa 768 termopares.

Em comparação com outros materiais, as escuteruditas precisam de uma diferença de temperatura menor para produzir a mesma energia, o que as torna mais eficientes.

A expectativa é que esses minerais estejam a bordo dos novos geradores de radioisótopos que alimentarão as sondas espaciais lançadas a partir de 2018.

Sinterização a frio revoluciona fabricação de cerâmica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/10/2016

Interpretação artística da sinterização a frio de partículas cerâmicas (brancas) e fitas de polímeros (verdes) usando baixo calor para evaporar moléculas de água (azuis), que conduzem a reação. [Imagem: Jennifer M. McCann/MRI]

Revolução na cerâmica

Uma nova técnica, batizada de "processo de sinterização a frio", pode mudar a forma como são feitas peças e objetos de cerâmica, além de permitir a junção de materiais hoje considerados incompatíveis.

Usada pela humanidade desde a pré-história, a fabricação de cerâmica consiste basicamente no aquecimento das argilas até altas temperaturas, que fazem com que os grânulos do material sinterizem - a sinterização é um processo de aglutinação, pelo qual as partículas não se fundem, mas atingem um calor suficiente para que suas redes cristalinas se conectem.

Jing Guo e seus colegas da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, descobriram agora como fazer isto sem precisar de temperaturas tão elevadas - eles não conseguiram eliminar de vez o forno, mas a queda de temperatura é tamanha que se justifica o termo "a frio" com que batizaram sua tecnologia.

Sinterização a frio

O processo parte de um pó cerâmico sobre o qual são aspergidas algumas gotas de água ou solução ácida. As superfícies sólidas das partículas se decompõem e se dissolvem parcialmente na água, produzindo uma fase líquida nas interfaces partícula-partícula. Aumentando a temperatura e a pressão, a água flui e as partículas sólidas se reorganizam em um processo inicial de densificação.

Em seguida, aglomerados de átomos ou íons começam a se afastar dos pontos onde as partículas estão em contato, auxiliando na difusão, minimizando assim a energia livre superficial, permitindo que as partículas grudem firmemente umas nas outras.

A chave de tudo é descobrir a combinação exata de umidade, pressão, calor e o tempo necessário para cada reação, de modo que cada tipo de matéria-prima se cristalize totalmente e atinja a densidade mais elevada possível.

Junção de materiais incompatíveis

Como os testes mostraram que tudo funciona a temperaturas de apenas 120º C, a equipe percebeu que a sinterização a frio pode ser usada para unir materiais incompatíveis, como cerâmica e plástico.

Eles escolheram três tipos de polímeros que poderiam complementar as propriedades de três tipos de cerâmicas - um dielétrico de micro-ondas, um eletrólito e um semicondutor. Os novos compósitos foram sinterizados plenamente em períodos entre 15 e 60 minutos.

A equipe agora está trabalhando com novos tipos de materiais, incluindo materiais arquitetônicos, como tijolos, pisos e revestimentos, materiais refratários, implantes biomédicos e materiais cerâmicos usados na fabricação de componentes eletrônicos.

Bibliografia:

Cold Sintering Process of Composites: Bridging the Processing Temperature Gap of Ceramic and Polymer Materials
Jing Guo, Seth S. Berbano, Hanzheng Guo, Amanda L. Baker, Michael T. Lanagan, Clive A. Randall
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.201602489

Primeira tela holográfica realística, com 3D em 360º

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/10/2016

Esquema (esquerda) e foto real do protótipo (direita). [Imagem: Y. Lim et al. - 10.1364/OE.24.024999]

Tela 3D em 360º

Pesquisadores coreanos apresentaram o primeiro projetor holográfico que permite uma visualização completa em 3D em 360 graus.

Ou seja, é possível ver a imagem 3D dando a volta completa ao redor dela.

O aparato ainda é grande e não daria para embuti-lo no R2D2, mas é a primeira vez que a tão sonhada tela holográfica se apresenta em todo o esplendor previsto pela ficção científica.

Yongjun Lim e seus colegas do Instituto de Pesquisas em Eletrônica e Telecomunicações conseguiram o feito deixando de lado as técnicas mais utilizadas até hoje no campo da holografia 3D.

Holograma virtual e projetores giratórios

Tipicamente, os hologramas 3D têm usado técnicas baseadas em moduladores espaciais de luz e em técnicas de multiplexação por divisão espacial ou temporal (SDM e TDM, respectivamente).

Em vez disso, a equipe coreana criou um aparato que usa um holograma virtual amplificado, por sua vez projetado em dois espelhos parabólicos giratórios. Uma lente asférica - uma lente cujo perfil não é uma parte de uma esfera ou cilindro - corrige a distorção gerada pela superfície parabólica dos espelhos.

"Como resultado, múltiplos observadores podem observar hologramas de até 8,1 centímetros de altura, a partir de qualquer posição ao redor da mesa," disse Lim.

Janela de visualização

Segundo o pesquisador, o avanço-chave foi dimensionar estrategicamente a janela de visualização para que ela esteja intimamente relacionada com o tamanho efetivo dos píxeis da imagem rotativa do holograma virtual.

Olhando através dessa janela, os olhos dos observadores ficam aptos a captar o campo de luz da imagem holográfica a partir de qualquer posição porque o sistema inclina o plano do holograma virtual em relação ao eixo de rotação.

O melhor efeito foi obtido fazendo o sistema de espelhos girar a uma velocidade de 20 quadros por segundo.

Devido à velocidade de rotação (20 quadros por segundo), há 434 posições possíveis de visualização do holograma com qualidade total. [Imagem: Y. Lim et al. - 10.1364/OE.24.024999]

Hologramas 3D coloridos

Os testes realizados com modelos 3-D gerados por computador são promissores - embora ainda apareçam monocromáticos, em tons de verde.

Agora a equipe pretende acrescentar cores ao seu projetor holográfico e resolver questões relacionadas com a aberração e problemas de incompatibilidade de brilho entre os quatro dispositivos de microespelhos usados na tela.

"Nós estamos desenvolvendo uma outra versão do nosso sistema para resolver essas questões e esperamos ter o modelo seguinte no futuro próximo, incluindo o aumento da expressão de cor," disse Lim.

Bibliografia:

360-degree tabletop electronic holography display
Y. Lim, K Hong, H. Kim, E. Chang, S. Lee, T. Kim, H. Choo, J. Kim, J. Hahn
Optics Express
Vol.: 24, 24999-25009
DOI: 10.1364/OE.24.024999

Motor flexível e programável para microrrobôs

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/10/2016

Qualquer que seja o movimento escolhido, os robôs movem-se em alta velocidade, controlados por um campo magnético externo. [Imagem: Phil Loubere]

Movimento biomimético

Há poucos dias, engenheiros coreanos apresentaram o primeiro microrrobô a se mover como um paramécio, usando o movimento ciliar.

Essa imitação do movimento dos microrganismos agora vai ficar mais fácil e versátil graças ao impulso dado por Guo Zhan Lum e seus colegas do Instituto de Sistemas Inteligentes em Stuttgart, na Alemanha.

Lum criou um material flexível que responde a campos magnéticos externos.

Com isto, torna-se possível imitar não apenas os cílios, mas também outras formas de movimentos, como os flagelos, caudas e até o jeitão simpático de deslocamento das águas-vivas - isto porque, além de funcionar como motor, o elastômero pode ser usado para fabricar o robô inteiro.

O músculo artificial flexível, contudo, é apenas a primeira parte do trabalho para fazer o robô se movimentar efetivamente: A equipe precisou desenvolver um algoritmo que calcula as condições ótimas de controle do campo magnético para que cada estrutura se movimente de forma a prover o impulso necessário para cada robô.

Elastômero funcionalizado

O músculo artificial é um elastômero funcionalizado, uma borracha de silicone na qual é incorporada uma mistura de nanopartículas de neodímio, ferro e boro. As nanopartículas são adicionadas como um gradiente, de modo que diferentes partes apresentem diferentes intensidades de magnetização.

Assim que a borracha é colocada sob a ação do campo magnético controlado pelo algoritmo, seu formato se altera de modo coordenado, fazendo-a ondular e prover impulso para o microrrobô.

De acordo com a equipe, outras aplicações poderão se beneficiar dessa "tecnologia de programação da forma das estruturas", incluindo dispositivos em microescala como os biochips e os microlaboratórios, nos quais os processos químicos e físicos são implementados em escala minúscula.

Bibliografia:

Shape-Programmable Magnetic Soft Matter
Guo Zhan Lum, Zhou Ye, Xiaoguang Dong, Hamid Marvi, Onder Erin, Wenqi Hu, Metin Sitti
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1608193113

Papel eletrônico mostra todas as cores

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/10/2016

A base do papel eletrônico é o conhecido PET, sendo os metais das nanoestruturas consumidos em quantidades mínimas. [Imagem: Mats Tiborn]

Tela colorida passiva

Este novo papel eletrônico tem menos de um micrômetro de espessura, é totalmente flexível e fornece toda a gama de cores oferecida pelos LEDs - tudo isso gastando 10 vezes menos energia do que a tela de um leitor eletrônico atual, como o Kindle ou o Kobo - que são monocromáticos.

Kunli Xiong, da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, descobriu uma combinação de materiais quase perfeita para criar telas eletrônicas finas e flexíveis quando tentava fabricar um metamaterial fotônico cobrindo nanoestruturas metálicas com plásticos condutores de eletricidade.

São essas nanoestruturas que refletem a luz de forma controlável. Ou seja, o papel eletrônico não emite luz como uma tela normal, ele apenas reflete a luz que o ilumina.

"Por isso, ele funciona muito bem onde há luz brilhante, como sob o Sol, ao contrário das telas tradicionais de LED, que funcionam melhor no escuro. Ao mesmo tempo, ele precisa de apenas um décimo da energia que um tablet Kindle usa, que já consome muito menos energia do que uma tela normal de LED," explicou o professor Andreas Dahlin.

Trabalho de engenharia

A equipe construiu e testou pequenas telas com o novo papel eletrônico, comprovando seu funcionamento e sua eficiência.

"Nós estamos trabalhando em um nível fundamental, mas, mesmo assim, o passo para a fabricação de um produto a partir dele não deve estar muito longe. O que precisamos agora são engenheiros," disse Dahlin.

O grande trabalho dos engenheiros será tentar baixar o custo de produção do papel eletrônico colorido, já que sua alta eficiência, com uma gama enorme de cores, exigiu o uso de algumas nanoestruturas de ouro e prata, o que encareceria um produto final.

Mas mesmo uma versão com uma eficiência menor poderia mudar o campo dosoutdoors e grandes painéis eletrônicos para entretenimento.

Bibliografia:

Plasmonic Metasurfaces with Conjugated Polymers for Flexible Electronic Paper in Color
Kunli Xiong, Gustav Emilsson, Ali Maziz, Xinxin Yang, Lei Shao, Edwin W H Jager, Andreas B. Dahlin
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201603358