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Nanopirâmides para manipular a luz não são mais obras faraônicas Redação do Site Inovação Tecnológica

Nanopirâmides para manipular a luz não são mais obras faraônicas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

A abertura no alto da pirâmide mede 0,000007 centímetro.[Imagem: Molecular Foundry/Berkeley Lab]

Nano-óptica

Combinando velocidade com uma precisão incrível, engenheiros dos Laboratórios Berkeley, nos EUA, desenvolveram uma técnica para imprimir estruturas extremamente pequenas na ponta de uma fibra óptica, que é tão fina quanto um fio de cabelo humano.

Esses minúsculos dispositivos comprimem a luz e a manipulam de maneiras que não são possíveis pela óptica convencional.

A técnica, chamada de nanomoldagem sobre fibra, fabrica nanoestruturas 30 vezes mais rapidamente do que a abordagem do tipo escultura usada hoje.

A óptica em nanoescala pode ajudar a melhorar o design das células solares e dos semicondutores, e também a manipular reações químicas como mais precisão para sintetizar novos fármacos.

O problema é que até hoje essas estruturas são fabricadas manualmente, um trabalho de dedicação e arte feito sob a lente de um microscópio. A nova técnica ainda não opera em escala industrial, mas é um passo importante para isso.

O segredo da pirâmide está na forma como ela manipula a luz em seu interior - daí a importância do revestimento de ouro. [Imagem: Giuseppe Calafiore et al. - 10.1038/s41598-017-01871-5]

Sonda campanário

A pirâmide usada nesta demonstração é um componente chamado "sonda campanário" - uma pirâmide de quatro lados, muito usada na arquitetura de igrejas -, que permite gerar imagens espectroscópicas com uma resolução 100 vezes maior do que a espectroscopia convencional.

O primeiro passo para sua fabricação consiste na criação de um molde com as dimensões precisas do dispositivo nano-óptico que se deseja imprimir. Para a sonda campanário isso significa um molde em nanoescala que inclui os quatro lados e o espaço de emissão de luz de 70 nanômetros no cume da pirâmide.

Depois que o molde é criado, ele é preenchido com uma resina e, em seguida, posicionado sobre a fibra óptica. Um feixe de luz infravermelha é enviado através da fibra, o que permite ajustar o alinhamento exato do molde em relação à fibra. Depois disso, a fibra é usada para transmitir luz ultravioleta, que endurece a resina. Um passo final de metalização cobre os lados da sonda com camadas de ouro.

Enquanto um dispositivo desses levava dias para ser construído pelo método de nanoescultura, a nova técnica permite fabricá-lo em poucos minutos.

Bibliografia:

Campanile Near-Field Probes Fabricated by Nanoimprint Lithography on the Facet of an Optical Fiber
Giuseppe Calafiore, Alexander Koshelev, Thomas P. Darlington, Nicholas J. Borys, Mauro Melli, Aleksandr Polyakov, Giuseppe Cantarella, Frances I. Allen, Paul Lum, Ed Wong, Simone Sassolini, Alexander Weber-Bargioni, P. James Schuck, Stefano Cabrini, Keiko Munechika
Nature Scientific Reports
Vol.: 7, Article number: 1651
DOI: 10.1038/s41598-017-01871-5

Motor magnético sem partes móveis é acionado por calor Redação do Site Inovação Tecnológica

Motor magnético sem partes móveis é acionado por calor

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Esquema do enigmático motor magnético. [Imagem: Sebastian Gliga et al. - 10.1038/nmat5007]

Motor magnético de estado sólido

Magnetismo e movimento estão intimamente relacionados, como demonstrado em todos os motores elétricos. Mas que tal um motor cujo movimento é induzido pelo magnetismo sem partes móveis e sem um motivo óbvio para que a magnetização dos ímãs se ponha em movimento giratório?

Essa nova forma de motor magnônico, que funciona em nanoescala, tem possibilidade de uso como nanomotor mesmo, para movimentar equipamentos ultraminiaturizados, como MEMS e NEMS, mas também para armazenamento de dados, sensores e outras aplicações no campo da eletrônica.

O nanomotor foi feito com uma liga magnética de níquel e ferro, formada por nanoímãs de 470 nanômetros de comprimento e 170 nanômetros de largura, cada um com apenas um domínio magnético, ou seja, a magnetização de cada um deles pode apontar para uma única de duas direções possíveis, ao longo do eixo do ímã.

Depois de usar um campo magnético externo para definir a magnetização em uma determinada direção, os pesquisadores observaram que a magnetização gira em apenas uma das duas direções possíveis, gerando um movimento típico de um motor, embora sem uma razão óbvia porque um caminho deveria ser preferido em relação ao outro.

Com a entrada de calor no sistema - que pode ser o calor ambiente - esse ordenamento magnético é afetado e o mecanismo é posto em movimento.

"Ficamos surpresos ao ver que a geometria das interações pode ser ajustada para se obter um material ativo, que exibe uma quiralidade dinâmica e, desta forma, funciona como uma catraca," disse Sebastian Gliga, da Universidade de Glasgow, no Reino Unido.

A quiralidade significa que um objeto não se sobrepõe à sua imagem no espelho, como nossas mãos esquerda e direita. A quiralidade também pode ocorrer em movimento: o exemplo mais conhecido é o anagiro, ou pião celta, um tipo de pião em forma de barco que prefere girar em uma única direção.

Motor enigmático

A dinâmica desse motor ainda é um tanto enigmática, e a equipe usou diversos tipos de análises de raios X para tentar interpretá-la. A conclusão é que o material magnético é um "gelo de spin", um material artificial, ou metamaterial, formado pela malha de nanoímãs organizados em um padrão geométrico específico - uma rede dipolar - que os faz interagirem uns com os outros.

Mas parece que o segredo da transformação do calor em movimento linear por meio do rearranjo magnético está nas bordas desse gelo de spin.

"Nós tentamos por um bocado de tempo compreender como o sistema funciona, até que percebemos que as bordas criam um potencial de energia assimétrico," contou o professor Gino Hrkac, da Universidade de Exeter e membro da equipe. Essa assimetria se reflete na distribuição do campo magnético nas bordas da matriz de nanomagnetos e faz com que a magnetização gire em uma direção preferencial, gerando o movimento.

"O gelo de spin artificial tem sido usado principalmente para responder questões científicas, por exemplo, em relação à física da frustração magnética. Esta é uma ótima demonstração de como o gelo artificial pode ser um material funcional e fornece um passo em direção às suas aplicações práticas," disse a professora Laura Heyderman, do Instituto Paul Scherrer.

Bibliografia:

Emergent dynamic chirality in a thermally driven artificial spin ratchet
Sebastian Gliga, Gino Hrkac, Claire Donnelly, Jonathan Büchi, Armin Kleibert, Jizhai Cui, Alan Farhan, Eugenie Kirk, Rajesh V. Chopdekar, Yusuke Masaki, Nicholas S. Bingham, Andreas Scholl, Robert L. Stamps, Laura J. Heyderman
Nature Materials
Vol.: 16, 1106-1111
DOI: 10.1038/nmat5007

Senhas são armazenadas na roupa sem eletrônica Redação do Site Inovação Tecnológica -

Senhas são armazenadas na roupa sem eletrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Além do remendo usado para abrir esta porta, a equipe fabricou gravatas, cintos, colares e pulseiras com os tecidos magnetizados. [Imagem: Dennis Wise/University of Washington]

Senha na roupa

O conceito de tecidos inteligentes e roupas eletrônicas apresenta, ao menos até agora, um pressuposto básico: a incorporação de circuitos eletrônicos nos tecidos e nas roupas - da forma menos intrusiva possível, é certo.

Mas dá para fazer roupas que lhe ajudem a interagir com toda a parafernália tecnológica sem precisar incorporar novos equipamentos eletrônicos nos tecidos.

Foi o que demonstraram Justin Chan e Shyamnath Gollakota, da Universidade de Washington, nos EUA.

Eles criaram tecidos sem qualquer componente eletrônico ou sensor integrados, e os utilizaram para tecer acessórios de vestuário que armazenam dados - como senhas ou códigos de identificação, por exemplo.

Os dados podem ser lidos usando um leitor específico ou um componente já incorporado na maioria dos celulares, sendo então usados para habilitar aplicativos de navegação ou de acesso.

"Este é um design totalmente isento de eletrônicos, o que significa que você pode passar o tecido inteligente ou colocá-lo na máquina de lavar e secar. Você pode pensar no tecido como um disco rígido - você está realmente fazendo esse armazenamento de dados nas roupas que você está vestindo," disse Gollakota.

Os tecidos podem ser magnetizados em casa, com um ímã comum, e depois lidos pelo magnetômetro presente na maioria dos celulares. [Imagem: Justin Chan/Shyamnath Gollakota]

Dados magnéticos em tecidos

Inúmeros protótipos de roupas inteligentes incorporam fios ou malhas eletricamente condutoras na trama do tecido. O que os dois pesquisadores perceberam é que esses tecidos condutores também têm propriedades magnéticas, que podem ser manipuladas para armazenar informações visuais ou dados digitais, como letras e números.

Eles então usaram máquinas de costura comuns para bordar tecidos com fios condutores já disponíveis comercialmente, cujos pólos magnéticos começam em uma ordem aleatória. Usando um ímã, esses pólos podem ser alinhados fisicamente em uma direção "positiva" ou "negativa", o que pode ser interpretado como os 0s e 1s dos dados digitais.

Esses dados podem ser lidos por um magnetômetro, um instrumento que mede a direção e a força dos campos magnéticos e que está incorporado na maioria dos celulares. "Estamos usando algo que já existe em um smartphone e usa quase nada de energia, então o custo de ler esse tipo de dado é insignificante," disse Gollakota.

Em outro teste, usando um leitor específico, o código de acesso para uma porta eletrônica foi armazenado em um remendo de tecido costurado na manga de uma camisa. A porta foi destrancada passando remendo à frente do leitor, composto por uma série de magnetômetros.

Como acontece com alguns sistemas de acesso temporário por cartão magnético já usados comercialmente, a intensidade do sinal magnético do tecido enfraquece cerca de 30% ao longo de uma semana, mas ele pode ser remagnetizado e reprogramado várias vezes. Em outros testes de estresse, o remendo de tecido manteve seus dados mesmo após a lavagem, secagem e passagem a ferro a temperaturas de até 160º C.

Bibliografia:

Data Storage and Interaction using MagnetizedFabric
Justin Chan, Shyamnath Gollakota
UIST 2017 Proceedings
http://smartfabrics.cs.washington.edu/smartfabrics.pdf

Transistores de diamante levam eletrônica de potência além do silício Redação do Site Inovação Tecnológica

Transistores de diamante levam eletrônica de potência além do silício

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Esquema de funcionamento e foto dos protótipos do transístor de diamante de alta potência (MOSFET). [Imagem: Institut NÉEL]

Semicondutores de bandgaplarga

Conforme o desempenho da eletrônica de potência baseada em silício se aproxima de sua capacidade máxima, aumenta o interesse nos semicondutores de grandes intervalos de energia, ou WBG (Wide BandGap) - esses intervalos referem-se à energia necessária para fazer um elétron sair de seu estado fundamental e passar para um estado condutor.

Considerados como significativamente mais eficientes em termos de energia, esses semicondutores emergiram como principais candidatos para o desenvolvimento de transistores de efeito de campo (FETs) para a próxima geração de eletrônicos envolvendo a conversão e o controle de energia elétrica em níveis mais elevados, como os utilizados nos veículos elétricos, nos geradores eólicos, na distribuição de energia e em uma infinidade de outras aplicações de alta potência.

O diamante é amplamente reconhecido como o material WBG ideal, devido às suas propriedades físicas, que permitem que os aparelhos funcionem a temperaturas, tensões e frequências muito mais altas, e com menores perdas de energia. Mas ainda havia desafios a vencer para seu uso prático.

• Primeiro chip feito com transistores de diamante

Transístor de diamante

Um dos principais desafios para tirar proveito de todo o potencial do diamante em um tipo importante de FET - o MOSFET (transístor de efeito de campo de óxido metálico semicondutor) - é aumentar a mobilidade do canal de cargas positivas, ou lacunas. Essa mobilidade, relacionada à facilidade com que a corrente flui, é essencial para ligar a corrente no MOSFET - um transístor pode ficar em um estado ligado ou em um estado desligado.

Agora, uma equipe da França, Reino Unido e Japão, adotou uma nova abordagem para resolver esse problema dopando os MOSFETs de diamante com boro, o que aumentou a mobilidade das cargas positivas em 10 vezes.

"Nós fabricamos um transístor em que o estado ligado é mantido pelo canal de condução inteiro através da epicamada de diamante dopado com boro," disse Julien Pernot, pesquisador do Instituto NEEL, na França. "Nossa prova de conceito abre caminho para explorar plenamente o potencial do diamante para aplicações MOSFET".

Pernot observa que o mesmo princípio pode ser aplicado a outros semicondutores WBG: "O boro é a solução de dopagem para o diamante, mas outras impurezas dopantes provavelmente seriam adequadas para permitir que outros semicondutores de grande intervalo de banda alcancem um regime estável de depleção profunda".

O resultado foi tão bom que os pesquisadores criaram uma empresa, a DiamFab, para começar a comercializar os transistores MOSFET de diamante.

• Menor transístor de diamante do mundo abre caminho para novas tecnologias

Bibliografia:

Deep depletion concept for diamond MOSFET
Thanh-Toan Pham, Nicolas Rouger, Cedric Masante, Gauthier Chicot, Florin Udrea, David Eon, Etienne Gheeraert, Julien Pernot
Applied Physics Letters
Vol.: 111, 173503
DOI: 10.1063/1.4997975

Vidro "invisível" acaba com reflexos de telas Redação do Site Inovação Tecnológica

Materiais Avançados

Vidro "invisível" acaba com reflexos de telas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

O "vidro invisível" (círculo à esquerda) em comparação com um vidro comum (à direita), ambos postos sob uma iluminação para reforçar a reflexão. [Imagem: BNL]

Vidro invisível

Todas as telas têm vidros que as protegem. O vidro é necessário, mas tem o grave inconveniente de gerar reflexos, principalmente em áreas de forte iluminação.

Andreas Liapis, do Laboratório Nacional Brookhaven, nos EUA, acredita ter encontrado um meio de fabricar o antirreflexo perfeito: tornar os vidros virtualmente invisíveis.

Ele fez isso produzindo estruturas em nanoescala na superfície do vidro, estruturas essas cuidadosamente projetadas para lidar com a luz de forma muito precisa.

Sempre que a luz encontra em seu caminho uma mudança abrupta no índice de refração, uma parte dela é refletida - o índice de refração é uma medida de quanto um raio de luz se curva à medida que passa de um material para outro, como do ar para o vidro.

As nanoestruturas em forma de pilar têm o efeito de fazer com que o índice de refração mude gradualmente daquele do ar para o do vidro, evitando reflexos.

O vidro ultratransparente nanotexturizado é antirreflexivo em uma ampla faixa de comprimentos de onda, incluindo todo o espectro visível e infravermelho próximo, e em uma ampla gama de ângulos de visão.

Vidro texturizado

Para texturizar as superfícies de vidro em nanoescala, Liapis usou uma abordagem chamada automontagem, que é a capacidade de certos materiais para formar espontaneamente arranjos ordenados por conta própria.

Neste caso, a automontagem de um copolímero de bloco gerou um modelo para gravar a superfície de vidro com uma floresta de cones nanométricos - é esta geometria que elimina quase completamente as reflexões da luz. Os copolímeros de bloco são polímeros industriais (cadeias repetitivas de moléculas) encontrados em muitos produtos, incluindo solas de sapato, fitas adesivas e interiores automotivos.

As reflexões são tão reduzidas que o vidro torna-se essencialmente invisível.

Esse "vidro invisível" poderá fazer mais do que melhorar a experiência dos usuários das telas de aparelhos eletrônicos. Ele também poderá aumentar a eficiência da conversão de energia das células solares, minimizando a quantidade de luz solar perdida pela reflexão.

Também pode se tornar uma alternativa aos relativamente frágeis revestimentos antirreflexo utilizados em lasers de alta potência presentes nos dispositivos médicos e componentes aeroespaciais.

Bibliografia:

Self-assembled nanotextures impart broadband transparency to glass windows and solar cell encapsulants
Andreas C. Liapis, Atikur Rahman, Charles T. Black
Applied Physics Letters
Vol.: 111 (18): 183901
DOI: 10.1063/1.5000965

Rede neural inspirada no cérebro detona CAPTCHAs Com informações da Science

Rede neural inspirada no cérebro detona CAPTCHAs

Com informações da Science -  01/11/2017

Ilustração do método de funcionamento da Rede Cortical Recursiva (RCR) analisando a letra A. [Imagem: Vicarious AI]

Cérebro artificial

Um novo modelo de inteligência artificial consegue interpretar CAPTCHAs - o sistema baseado no reconhecimento de texto largamente usado por sites para verificar se um usuário é humano - com muito poucos dados de treinamento.

Os CAPTCHAs são feitos para serem indecifráveis por algoritmos de computador, agrupando muitas combinações de letras e números em um milhão de estilos diferentes. Enquanto os seres humanos podem naturalmente reconhecer um objeto, mesmo entre camadas de sobreposição ou estilos, os computadores têm dificuldade em classificar cada letra nessa confusão.

Algoritmos já desenvolvidos para resolver esses enigmas são intensivos em dados, exigindo treinamento em milhões de exemplos de imagens CAPTCHA já resolvidas - a imagem mais sua interpretação - ou regras codificadas sobre como interpretar cada tipo de imagem.

Rede Cortical Recursiva

Dileep George e seus colegas elaboraram um modelo mais eficiente, que eles chamaram de Rede Cortical Recursiva (RCR), que incorpora insights da neurociência para ensinar ao programa como generalizar além do que lhe é ensinado no período de treinamento.

Trabalhando de forma mais parecida com o cérebro humano, o novo modelo tem a capacidade de aprender e generalizar usando relativamente poucos exemplos, especialmente em comparação com os modelos atuais de aprendizado profundo- ele é aproximadamente 300 vezes mais eficiente em termos de dados.

A chave do sucesso da RCR, dizem seus criadores, é que ela está codificada com pressupostos fortes, que são usados para reconhecer entradas que nunca encontrou no treinamento.

Com isso, o algoritmo consegue interpretar textos CAPTCHA, identificar letras e números manuscritos, delinear objetos em camadas complexas e reconhecer texto em fotos de cenários do mundo real.

Em comparação com as abordagens avançadas de aprendizado profundo para a leitura de texto, a RCR tem uma precisão comparável ou maior usando cerca de 5.000 vezes menos imagens de treinamento.

Se, por um lado, isso demonstra um avanço considerável no campo das redes neurais e da inteligência artificial, o feito também demonstra a necessidade da criação urgente de técnicas de controle de spam e verificação de dados mais robustas, que possam ir além do atual sistema CAPTCHA.

Bibliografia:

A generative vision model that trains with high data efficiency and breaks text-based CAPTCHAs
D. George, W. Lehrach, K. Kansky, M. Lázaro-Gredilla, C. Laan, B. Marthi, X. Lou, Z. Meng, Y. Liu, H. Wang, A. Lavin, D. S. Phoenix
Science
Vol.: eaag2612
DOI: 10.1126/science.aag2612

Muco de lesma mostra como fazer plástico reutilizável Redação do Site Inovação Tecnológica

Muco de lesma mostra como fazer plástico reutilizável

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

A ideia dos pesquisadores é usar o exemplo da natureza para criar materiais plásticos que dispensem a reciclagem, bastando ser dissolvidos em água para voltar a ser matéria-prima. [Imagem: Alexander Baer et al. - 10.1038/s41467-017-01142-x]

Bioinspiração

A natureza está fornecendo a inspiração para o desenvolvimento de um novo tipo de polímero que pode passar de um estado gelatinoso para uma conformação muito forte, abrindo novas gamas de aplicação.

A inspiração veio da observação de uma espécie de lesma conhecida como verme-aveludado (Onychophora), devido às inúmeras papilas que apresentam na superfície do corpo.

Para capturar sua presa, a lesma arremessa uma secreção grudenta e mole. Contudo, quando a presa começa a fazer força para escapar, essa força faz com que a secreção endureça na forma de fios muito fortes, que selam seu triste destino.

Mais do que isso, depois de cumprir sua função mecânica, os fios podem ser simplesmente dissolvidos em água, voltando à sua forma gelatinosa, ficando prontos para uma próxima seção de esticamento e endurecimento.

Gel forma fios rígidos

O fato de que fibras de polímeros reversíveis possam ser extraídas de uma secreção líquida e reutilizadas indefinidamente é um conceito muito interessante do ponto de vista tecnológico.

Por isso, Alexander Baer (Universidade de Kassel) e Georg Mayer (Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces) se debruçaram sobre a composição e os mecanismos moleculares que pudessem explicar essa mudança estrutural na meleca da lesma, de forma a reproduzi-los em materiais sintéticos.

Eles constataram que o muco é formado por moléculas grandes, de proteínas e ácidos graxos, que são produzidas separadamente e depois se juntam para formar glóbulos muito uniformes, todos com diâmetros na faixa dos 75 nanômetros. O material fica armazenado em uma glândula, até que o animal perceba a presença de um grilo ou de uma aranha. Nesse momento, ele arremessa o muco por meio de dois canais nos lados da cabeça, que sai impulsionado por contrações musculares.

"A princípio a consistência pegajosa não muda. No entanto, assim que a presa começa a se sacudir, as forças de cisalhamento agem sobre o limo para romper os nanoglóbulos, separando as proteínas e ácidos graxos. Enquanto as proteínas formam fibras longas no interior do limo, as moléculas de lipídeos e água são deslocadas para o exterior e formam uma espécie de bainha," conta Baer.

É essa bainha, uma espécie de cobertura alongada, que passa a revestir e dar rigidez às fibras que a presa forma a partir do muco ao tentar se desvencilhar.

Tudo acontece quando o muco é tracionado, transformando-se em fios rígidos pelo rearranjo de suas moléculas. [Imagem: Alexander Baer et al. - 10.1038/s41467-017-01142-x]

Polímeros reutilizáveis

A equipe espera que, no futuro, essa combinação de nanoglóbulos e macromoléculas solúveis em água possa servir como modelo para a fabricação de polímeros sintéticos reutilizáveis, que não precisem passar por processos complicados de reciclagem.

No caso do muco do animal, basta dissolver os fios em água para que eles voltem à consistência original - o animal não o reutiliza, mas o material fica pronto para um novo uso.

Antes disso, porém, a equipe afirma que será necessário descobrir detalhadamente como é que as proteínas do muco se combinam para formar fibras rígidas sem formar ligações químicas fixas.

Bibliografia:

Mechanoresponsive lipid-protein nanoglobules facilitate reversible fibre formation in velvet worm slime
Alexander Baer, Stephan Schmidt, Sebastian Haensch, Michaela Eder, Georg Mayer, Matthew J. Harrington
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 974
DOI: 10.1038/s41467-017-01142-x

Olho de inseto inspira painéis solares eficientes e belos Redação do Site Inovação Tecnológica

Olho de inseto inspira painéis solares eficientes e belos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

A estrutura de suporte e separação dos olhos dos insetos deu maior durabilidade às células solares.[Imagem: Thomas Shahan/Creative Commons]

Painel solar composto

Colocar minúsculas células solares em uma estrutura similar às microlentes que formam o olho composto de um inseto pode ajudar a superar os obstáculos para o desenvolvimento das promissoras células fotovoltaicas de perovskita.

Uma estrutura biomimética inspirada nos olhos dos insetos mostrou-se capaz de proteger essas frágeis células solares, retardando sua deterioração quando expostas ao calor, à umidade ou ao estresse mecânico.

"As perovskitas são materiais promissores e de baixo custo que transformam a luz solar em eletricidade de forma tão eficiente quanto as células solares convencionais feitas de silício. O problema é que as perovskitas são extremamente instáveis e mecanicamente frágeis. Elas mal sobrevivem ao processo de fabricação, o que dizer então da durabilidade a longo prazo no meio ambiente," explicou o professor Reinhold Dauskardt, da Universidade de Stanford, nos EUA.

Essa fragilidade tem a ver com a estrutura cristalina das perovskitas, que tornam o material parecido com o sal de cozinha.

Células solares belas

Para enfrentar o desafio da durabilidade, a equipe voltou-se para os olhos compostos das moscas, que consistem em centenas de pequenos olhos segmentados.

"Eles têm uma linda forma de favo de mel, com uma redundância interna: se você perder um segmento, centenas de outros continuarão operando. Cada segmento é muito frágil, mas está protegido por uma parede de suporte em torno dele," explicou Dauskardt.

Estrutura das células solares individuais inseridas no andaime de polímero. [Imagem: Brian L. Watson - 10.1039/C7EE02185B]

A célula solar composta construída pela equipe é formada por centenas de microcélulas de perovskita dispostas em um andaime de forma hexagonal, no qual cada "favo" mede apenas 500 micrômetros de largura. O andaime é feito de uma resina epóxi de baixo custo amplamente utilizada na indústria microeletrônica.

Para ver se o dispositivo conseguiria suportar o calor e a umidade que os painéis solares convencionais experimentam sobre um telhado, a equipe expôs suas células compostas a temperaturas de 85 graus Celsius e umidade relativa de 85 por cento durante seis semanas. Apesar dessas condições extremas, que as teriam feito parar de funcionar totalmente, as células continuaram a gerar eletricidade a taxas de eficiência elevadas.

"Estamos muito entusiasmados com esses resultados," disse Dauskardt. "É um novo modo de pensar sobre o projeto de células solares. Essas células em andaimes também são realmente belas, então existem algumas possibilidades estéticas interessantes para aplicações do mundo real."

Bibliografia:

Scaffold-reinforced perovskite compound solar cells
Brian L. Watson, Nicholas Rolston, Adam D. Printz, Reinhold H. Dauskardt
Energy & Environmental Science
DOI: 10.1039/C7EE02185B

Manta-Droide voa pelas águas durante 10 horas Redação do Site Inovação Tecnológica

Manta-Droide voa pelas águas durante 10 horas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

O robô usa uma mistura de propulsão ativa e passiva, graças às suas "asas" flexíveis. [Imagem: NUS]

Voo aquático

Esta "manta-droide" - um robô inspirado na estrutura das belíssimas raias manta, que parecem voar em vez de nadar - promete ajudar a levar os robôs submarinos a um novo patamar de eficiência.

Ao contrário da maioria das espécies subaquáticas, as raias manta possuem um mecanismo de propulsão único que lhes permite cruzar águas turbulentas batendo suas barbatanas peitorais com um mínimo de esforço. Isso tem gerado grande interesse na compreensão da ciência por trás desse mecanismo com vistas à sua incorporação em veículos subaquáticos autônomos.

O esforço valeu a pena - enquanto os robôs tipicamente têm que retornar à base a cada poucos minutos para recarregar, a MantaDroide nada por até 10 horas a uma velocidade de até 0,7 metro por segundo, o que significa que ela avança duas vezes seu comprimento - 35 centímetros - a cada segundo.

"Ao contrário de outros robôs subaquáticos que se movimentam pelo bater de asas, que replicam a cinemática de aletas das raias manta usando múltiplos motores para obter atuações ativas em todas as aletas, a MantaDroide é impulsionada por apenas um motor elétrico em cada barbatana. Para isso, deixamos a flexibilidade passiva das barbatanas interagir naturalmente com a dinâmica dos fluidos da água para impulsionar os movimentos subsequentes," explicou o professor Chew Chee Meng, da Universidade Nacional de Cingapura.

Ciência e busca e salvamento

O protótipo mede 35 centímetros de comprimento, 63 centímetros de largura e pesa 700 gramas.

A eficiência da MantaDroide mostrou que essa é uma alternativa promissora aos propulsores tradicionais baseados em hélices utilizados nos robôs submarinos convencionais, permitindo um alcance mais longo com uma velocidade excepcional.

O corpo plano e largo do robô também permite acomodar uma variedade de sensores para diferentes finalidades de observação, como o estudo da biodiversidade marinha, a medição de dados hidrográficos e a realização de operações de busca.

Agora a equipe se prepara para deixar a piscina e testar o robô em ambiente real, enfrentando as correntes de mar aberto. Futuramente, o objetivo é construir versões maiores para observações reais.

A vida pulsa continuamente - e esta balança mede essa pulsação Redação do Site Inovação Tecnológica

A vida pulsa continuamente - e esta balança mede essa pulsação

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Nanobalança revela pulsação da vida ao pesar uma única célula viva.[Imagem: Martin Oeggerli/ETH Zurique/Universidade da Basileia]

Nanobalanças

Já existem balanças capazes de pesar moléculas individuais e até um único próton.

As escalas de medição dessas superbalanças encontram-se na faixa dos attogramas (10^-18 grama), mas já tem gente trabalhando para medir um zeptograma(10^-21 grama).

Contudo, quando se trata de mexer com coisas vivas - células - as coisas são mais complicadas porque tudo é mole, molhado e não pode ser colocado em qualquer equipamento porque senão morre, destruindo toda a validade do experimento.

Balança para células vivas

Como a boa definição de todo problema engendra sua própria solução, David Martínez-Martín, juntamente com uma equipe da Universidade da Basileia (Suíça) e College de Londres (Reino Unido), usou tudo o que já se sabia sobre medições ultraprecisas para criar uma balança adequada a medir coisas vivas.

A balança consiste em um cristal finíssimo de silício transparente recoberto com um colágeno ou com a proteína fibronectina. O cristal é fixo por uma extremidade, enquanto a outra pode oscilar livremente. As células, que tipicamente pesam entre dois e três nanogramas - 10^-9 grama - são pesadas em condições controladas no interior de uma câmara de cultura.

Primeiro, um pulso de laser azul é dirigido para a porção fixa do braço, medindo-se então a oscilação que o laser gera na sua extremidade livre. A seguir, o braço é descido até o meio de cultura, onde ele captura uma célula individual. O processo de geração de oscilação é repetido, com o peso da célula sendo determinado pela diferença nas oscilações com o braço vazio e com ele sustentando a célula.

Esquema e microfotografia da balança de células. [Imagem: David Martínez-Martín et al. - 10.1038/nature24288]

Pulsação das coisas vivas

O dispositivo não apenas permite pesar células individuais, como também monitora em tempo real quaisquer mudanças na massa da célula, o que acabou por trazer surpresas inesperadas.

A resolução da balança está na faixa dos trilionésimos de grama para a massa - 10^-12 grama, ou picogramas - e dos milissegundos para as alterações dos valores lidos - 10^-3 segundo.

Como, com o laser ligado, o processo de pesagem prossegue continuamente, a tela do computador mostra em tempo real qualquer alteração no peso da célula, tornando possível medir a influência que várias substâncias têm sobre a massa celular, o que acontece quando ela é infectada por um vírus ou como sua massa se altera com a divisão celular, entre muitas outras possibilidades.

E os testes iniciais da biobalança já apresentaram alguns desafios para os biólogos: "Nós estabelecemos que o peso das células vivas flutua continuamente em cerca de um a quatro por cento, pois elas regulam seu peso total," explicou Martínez-Martín.

Para não pagar mico, a equipe trabalhou duro para descartar quaisquer possibilidades de erros de medição: eles conseguiram provar que as células apenas param essas flutuações segundo a segundo quando morrem. "Estamos vendo coisas que ninguém nunca observou," entusiasma-se Gotthold Flaschner, que ajudou a construir a balança.

O problema agora passa para os biólogos, que poderão usar a balança para tentar explicar essa "pulsação da vida" - de onde vem e para onde vai a porção da massa da célula que se altera continuamente?

E não serão apenas os biólogos que tirarão proveito da balança. A equipe afirma que já foi contatada por pesquisadores que trabalham com a funcionalização de nanopartículas, que querem usar a nanobalança para controlar a adição de moléculas específicas às nanopartículas para detectar doenças ou levar medicamentos para o interior do corpo humano.

Bibliografia:

Inertial picobalance reveals fast mass fluctuations in mammalian cells
David Martínez-Martín, Gotthold Fläschner, Benjamin Gaub, Sascha Martin, Richard Newton, Corina Beerli, Jason Mercer, Christoph Gerber, Daniel J. Müller
Nature
Vol.: 550, 500-505
DOI: 10.1038/nature24288

Reforçador de Wi-Fi de alumínio funciona mesmo Redação do Site Inovação Tecnológica -

Reforçador de Wi-Fi de alumínio funciona mesmo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Parece mesmo uma das bugigangas vistas nos vídeos do Youtube, que foram usadas como inspiração: mas os cientistas a chamam de "refletor Wi-Fi computacionalmente otimizado".[Imagem: Xia Zhou]

Solução caseira generalizada

É possível amplificar os sinais de Wi-Fi em sua casa ou escritório sem precisar usar outros aparelhos eletrônicos.

Uma equipe da Universidade de Colúmbia, nos EUA, criou um refletor de sinais Wi-Fi simples usando uma impressora 3D.

"Nós não apenas reforçamos os sinais do roteador, nós também os tornamos mais seguros," apressa-se em dizer a professora Xia Zhou. "Por meio dessa solução única, nós resolvemos uma série de desafios que atormentam os usuários dos serviços sem fios."

A equipe partiu de um experimento muito comum em vídeos do tipo "Faça você mesmo" encontrados no Youtube: colocar um pedaço de papel alumínio ou uma lata de alumínio atrás da antena do roteador para reforçar o sinal na direção oposta.

A seguir eles generalizaram esse princípio a fim de otimizar os formatos do refletor para permitir uma distribuição dos sinais Wi-Fi de forma mais planejada e consistente com o ambiente, não apenas reforçando-os numa direção, mas também anulando-se onde eles não são necessários.

Refletor de Wi-Fi

Devido ao formato complexo resultante, o "refletor Wi-Fi computacionalmente otimizado", como diz a equipe, foi fabricado em uma impressora 3D e depois revestido com papel alumínio.

Os testes mostraram que o refletor passivo diminui a intensidade do sinal em até 10 dB onde a cobertura Wi-Fi é desnecessária, e aumenta a intensidade em 6 dB onde ele é mais desejado.

Como o design atual é limitado a uma forma estática para cada local, a equipe pretende a seguir testar refletores feitos de outros materiais, para que o dispositivo possa ter sua forma adaptada para diferentes ambientes.

Quanto à segurança adicional anunciada pela equipe, ela se refere à limitação dos sinais aos locais onde os usuários precisam deles, evitando que se espalhem para áreas fora da residência ou do escritório, onde possam ser alvo de ataques.

Bibliografia:

Customizing Indoor Wireless Coverage via 3D-Fabricated Reflectors
X. Xiong, J. Chan, E. Yu, N. Kumari, A. Sani, C. Zheng, X. Zhou
BuildSys 2017 Proceedings
DOI: 10.1145/3137133.3137148

Computação totalmente à base de carbono é viável Redação do Site Inovação Tecnológica

Computação totalmente à base de carbono é viável

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/11/2017

Os componentes spintrônicos de carbono não precisam de fios de conexão, comunicando-se uns com os outros por ondas eletromagnéticas. [Imagem: Joseph S. Friedman et al. - 10.1038/ncomms15635]

Computação de carbono

Um sistema computacional inovador, feito exclusivamente com componentes de carbono, pode ser uma alternativa mais barata e mais eficiente para substituir a atual eletrônica do silício, e dar sustentação à ideia de uma tecnologia à base de carbono.

"O conceito reúne uma variedade de tecnologias em nanoescala já existentes e as combina de uma maneira nova," disse o professor Joseph Friedman, da Universidade do Texas, nos EUA.

Essa combinação resulta em um tipo de lógica baseada no spin dos elétrons - spintrônica -, feita com componentes com potencial para serem menores do que qualquer transístor de silício, apresentarem maior desempenho e consumirem apenas uma fração da energia usada na eletrônica atual.

Transístor spintrônico de carbono

O transístor spintrônico totalmente de carbono funciona como uma porta lógica fundamentada em um princípio básico do eletromagnetismo: à medida que uma corrente elétrica se move através de um fio, ela cria um campo magnético que envolve o fio. Além disso, um campo magnético próximo a uma fita de carbono bidimensional - uma nanofita de grafeno - afeta a corrente que flui através da fita.

Nos computadores tradicionais, e em toda a eletrônica, os transistores não podem explorar esse fenômeno. Em vez disso, seus componentes precisam estar conectados uns aos outros por fios metálicos. A saída de um transístor é conectada por um fio à entrada do próximo transístor, e assim por diante.

No circuito spintrônico, os elétrons que se movem através de nanotubos de carbono - essencialmente pequenos fios ocos feitos de carbono - criam um campo magnético que afeta o fluxo de corrente em uma nanofita de grafeno próxima, o que permite criar portas lógicas em cascata - exatamente como no caso dos circuitos transistorizados - mas que não estão fisicamente conectadas. Ou seja, dentro do chip é tudo wireless.

Processadores THz

Como a comunicação entre cada nanofita de grafeno ocorre através de uma onda eletromagnética, em vez do movimento físico dos elétrons por um fio, a comunicação é muito mais rápida, com potencial para processadores que alcancem velocidades de clock na faixa dos terahertz - 1.000 GHz.

Além disso, esses materiais de carbono podem ser menores do que os transistores de silício, que estão se aproximando dos seus limites de tamanho devido às propriedades físicas do silício - tanto os nanotubos quanto o grafeno são formados por camadas de carbono com apenas um átomo de espessura.

Embora se baseie em ciência já estabelecida - e em várias demonstrações práticas isoladas -, o conceito de uma computação baseada em carbono como um todo foi demonstrada apenas teoricamente.

Mas Friedman disse que sua equipe já está trabalhando na construção de um protótipo do sistema de computação spintrônica em cascata, feito apenas de carbono, tudo dentro de um chip essencialmente sem fios.

Bibliografia:

Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon
Joseph S. Friedman, Anuj Girdhar, Ryan M. Gelfand, Gokhan Memik, Hooman Mohseni, Allen Taflove, Bruce W. Wessels, Jean-Pierre Leburton, Alan V Sahakian
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 15635
DOI: 10.1038/ncomms15635

Pulso de luz mais rápido do mundo mostra elétrons em câmera lenta Redação do Site Inovação Tecnológica -

Pulso de luz mais rápido do mundo mostra elétrons em câmera lenta

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

O homem nunca havia feito nada nessa escala temporal: 1 attossegundo está para 1 segundo assim como 1 segundo está para a idade do Universo.[Imagem: Thomas Gaumnitz et al. - 10.1364/OE.25.027506]

Frações de segundo

As medições do tempo estão ficando tão inimaginavelmente precisas que muitos físicos já falam em parar o tempo.

Em 2010, quando o recorde mundial do menor tempo já medido foi batido em um experimento inovador, físicos alemães geraram um pulso de luz com duração de 4,3 femtossegundos, com uma precisão de 12 attossegundos para mais ou para menos.

Agora, o que era margem de erro virou marca: uma equipe do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) produziu um pulso de laser de raios X que dura 43 attossegundos.

Um piscar de olhos é literalmente uma eternidade para eventos que acontecem nessa escala temporal. Femtossegundos equivalem a 10^-15 segundos e attossegundos a 10^-18 segundos - 1 attossegundo está para 1 segundo assim como 1 segundo está para a idade do Universo.

Escala temporal dos elétrons

Essa precisão suíça é necessária porque os estudos estão se aprofundando tanto na matéria que torna-se necessário captar processos que ocorrem em escalas temporais muito diferentes das humanas.

As moléculas, por exemplo, rotacionam na casa dos picossegundos (10^-12segundos), seus átomos vibram na faixa dos femtossegundos e os elétrons se movem na casa dos attossegundos.

Isso significa que, usando o laser pulsado agora desenvolvido será possível observar como os elétrons se movem dentro de uma molécula ou como as ligações químicas são formadas.

Esquema do experimento onde são gerados os pulsos de luz que permitem rastrear elétrons individuais. [Imagem: Thomas Gaumnitz et al. - 10.1364/OE.25.027506]

Espectroscopia do atemporal

Thomas Gaumnitz e seus colegas até já deram um nome para essa nova forma de ver as coisas: espectroscopia de attossegundos.

Eles esperam que sua técnica ajude a fabricar células solares mais eficientes, uma vez que é agora será possível acompanhar o processo de excitação da luz solar desde a chegada do fóton até a geração da eletricidade, passo a passo.

Ou conhecer melhor o olho humano. Nossa retina é tão eficiente para converter fótons em sinais nervosos - detectando a luz - graças a uma molécula chamada rodopsina, que tem uma estrutura que pode se alterar tão rapidamente que a permite detectar a chegada de um único fóton. Se a reação na rodopsina fosse só um pouco mais lenta, nossa visão não funcionaria porque a energia de um fóton é convertida em calor em uns poucos picossegundos.

E a ferramenta também poderá ser usada de forma ativa, manipulando diretamente as reações químicas - mesmo ligações químicas podem ser quebradas brecando o deslocamento das cargas elétricas em pontos definidos no interior de uma molécula. Essa intervenção nas reações químicas não era possível até agora porque a escala temporal do movimento dos elétrons nunca havia sido alcançada.

Bibliografia:

Streaking of 43-attosecond soft-X-ray pulses generated by a passively CEP-stable mid-infrared driver
Thomas Gaumnitz, Arohi Jain, Yoann Pertot, Martin Huppert, Inga Jordan, Fernando Ardana-Lamas, Hans Jakob Wörner
Optics Express
Vol.: 25, Issue 22, pp. 27506-27518
DOI: 10.1364/OE.25.027506