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Coração bate dentro de um chip Redação do Site Inovação Tecnológica

Coração bate dentro de um chip

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/05/2017

O biochip cardíaco permite medições em larga escala e por longos períodos, a fim de validar fármacos e evitar testes em animais. [Imagem: Ryan Chen/LLNL]

Biochip cardíaco

Os "órgãos dentro de um chip" ainda estão longe de serem órgãos completos, mas estão melhorando rapidamente.

Uma equipe do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, nos EUA, apresentou sua mais recente versão de um "chip cardíaco" - ou um coração dentro de um chip.

É a primeira vez que se consegue medir simultaneamente duas funções cardíacas - a taxa de batimentos e a eletrofisiologia - de células cardíacas humanas cultivadas em um ambiente projetado para fazer isso de forma contínua e precisa.

O ambiente é um biochip dotado de microeletrodos biocompatíveis, que estabelecem uma interface com as células que crescem e se comunicam em cima deles. As células cardíacas começam a bater após dois dias em cultura e funcionam de forma consistente durante até nove dias.

Os pesquisadores afirmam que a capacidade de registrar essas duas funções será útil para as pesquisas de novos medicamentos ao identificar problemas cardíacos causados por um novo fármaco no início do processo, antes de grandes investimentos em ensaios clínicos. A cardiotoxicidade é um efeito secundário frequente de muitos medicamentos - os agentes de quimioterapia são conhecidos por serem cardiotóxicos.

"Ainda precisamos de mais dados e de validação, mas futuramente [o biochip cardíaco] poderá nos ajudar a reduzir a necessidade de testes em animais," acrescentou a professora Elizabeth Wheeler.

Bibliografia:

Simultaneous electrical recording of cardiac electrophysiology and contraction on chip
Fang Qian, Chao Huang, Yi-Dong Lin, Anna N. Ivanovskaya, Thomas J. O Hara, Ross H. Booth, Cameron J. Creek, Heather A. Enright, David A. Soscia, Anna M. Belle, Ronglih Liao, Felice C. Lightstone, Kristen S. Kulp, Elizabeth K. Wheeler
Lab on a Chip
DOI: 10.1039/C7LC00210F

Controle da luz com eletricidade pode mudar tecnologia de telas Redação do Site Inovação Tecnológica -

Controle da luz com eletricidade pode mudar tecnologia de telas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  30/05/2017

O controle elétrico da luz é feito com a mesma tecnologia empregada nos processadores de computador, abrindo caminho para o amplo uso da técnica. [Imagem: Yiling Yu - NCSU]

Controle elétrico da luz

Uma nova técnica para controlar feixes de luz com eletricidade pode mudar a forma como se fabricam telas e projetores e abrir caminho para tecnologias totalmente novas.

"Acreditamos que, assim como os computadores mudaram nossa maneira de pensar, esta nova técnica provavelmente mudará nossa maneira de ver. Por exemplo, ela permite moldar uma luz em padrões arbitrários, o que ser usado em lentes e projetores de realidade virtual sem óculos, na indústria de filmes de animação ou nas camuflagens," disse o professor Linyou Cao, da Universidade do Estado da Carolina do Norte.

Controlar a luz com eletricidade é difícil porque os fótons são neutros - eles não têm carga elétrica, de forma que geralmente não respondem a campos elétricos. Mas a luz pode ser controlada ajustando-se o índice de refração dos materiais que ela atravessa. O índice de refração refere-se à maneira como os materiais refletem, transmitem, dispersam e absorvem a luz. Quanto mais se puder controlar o índice de refração de um material, mais controle se terá sobre a luz que interage com esse material.

"Infelizmente, é muito difícil ajustar o índice de refração com campos elétricos," explica Cao. "Técnicas anteriores só podiam mudar o índice da luz visível entre 0,1 e 1%, no máximo."

Mudanças dinâmicas

Cao e seu aluno Yiling Yu deram um jeito nisto usando materiais semicondutores para mudar o índice de refração da luz visível em 60% - duas ordens de grandeza melhor do que qualquer coisa que havia sido conseguido antes. Eles usaram uma classe de materiais semicondutores atomicamente finos, ou monocamadas de metais de transição dicalcogenetos - especificamente, sulfeto de molibdênio, sulfeto de tungstênio e seleneto de tungstênio, materiais da família da molibdenita.

"Nós mudamos o índice de refração aplicando carga aos materiais semicondutores bidimensionais da mesma forma que se aplica uma carga aos transistores em um chip de computador," explica Cao. "Usando esta técnica, conseguimos mudanças significativas e ajustáveis no índice dentro do intervalo vermelho do espectro visível."

Como se baseiam nas mesmas técnicas usados nos chips e computadores, essas mudanças no índice de refração da luz são dinâmicas e podem ser feitas bilhões de vezes por segundo. "Esta técnica pode permitir controlar a amplitude e a fase da luz píxel por píxel de uma forma tão rápida quanto os computadores modernos," disse Yiling Yu.

O professor Cao afirma que já está procurando parceiros da indústria para desenvolver novas aplicações para a descoberta, embora ainda seja necessário ampliar seu funcionamento para todo o espectro visível, e não apenas no vermelho, com vistas às aplicações que o pesquisador tem em mente.

Bibliografia:

Giant Gating Tunability of Optical Refractive Index in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers
Yiling Yu, Yifei Yu, Lujun Huang, Haowei Peng, Liwei Xiong, Linyou Cao
Nano Letters
Vol.: 10.1021/acs.nanolett.7b00768
DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00768

Levitação magnética chega ao ambiente industrial Redação do Site Inovação Tecnológica

Levitação magnética chega ao ambiente industrial

Redação do Site Inovação Tecnológica -  30/05/2017

Levitação magnética para todos

A levitação magnética (Maglev) é bem conhecida por sua utilização em trens de alta velocidade, mas a tecnologia também pode ser aplicada em escalas menores.

Ao menos agora, graças ao trabalho de Teo Tat Joo e seus colegas da Universidade Nacional de Cingapura.

A equipe desenvolveu um sistema de controle que permite manipular precisamente os campos eletromagnéticos para que eles possam mover e girar objetos sem contato.

A mesa Maglev construída para demonstração - não precisa ser necessariamente uma mesa - produz movimento linear e rotacional em todas as três dimensões.

Além disso, o sistema fornece uma precisão em escala nanométrica nesses movimentos.

"Os atuais sistemas de mecatrônica de precisão só podem ser classificados como tendo uma precisão de posicionamento de um micrômetro por metro - uma parte por milhão ou 1 PPM. Por outro lado, a tecnologia Maglev tem o potencial para um sistema de posicionamento verdadeiramente nanométrico - 0,001 PPM," disse Teo.

Correia transportadora com levitação magnética

Esquema de funcionamento da mesa Maglev. [Imagem: A*STAR]

O sistema de manipulação por levitação magnética se baseia em um arranjo especial de ímãs permanentes chamado matriz Halbach, que produz um forte campo magnético de um lado, mas não do outro.

Quatro matrizes Halbach são posicionadas em uma plataforma quadrada, acima de várias bobinas energizadas. Controlando precisamente a corrente elétrica nas diferentes bobinas, torna-se possível mover ou girar a plataforma em qualquer velocidade, com um erro de posição de apenas 50 nanômetros.

Teo sugere que a tecnologia Maglev também pode substituir as correias transportadoras usadas nas fábricas. Ao contrário dos transportadores tradicionais, que só podem mover objetos em pistas predefinidas, um sistema Maglev poderia mover vários objetos simultaneamente, para diferentes locais.

Bibliografia:

Design and Modeling of a Six-Degree-of-Freedom Magnetically Levitated Positioner Using Square Coils and 1-D Halbach Arrays
Haiyue Zhu, Tat Joo Teo, Chee Khiang Pang
IEEE Transactions on Industrial Electronics
Vol.: 64, 440-450
DOI: 10.1109/TIE.2016.2598811

Menor fio metálico do mundo é criado por um brasileiro Redação do Site Inovação Tecnológica -

Menor fio metálico do mundo é criado por um brasileiro

Redação do Site Inovação Tecnológica -  30/05/2017

O nanofio é construído no interior de um nanotubo de carbono, que funciona como um revestimento inerte. [Imagem: Paulo V. C. Medeiros]

Nanofio

Acaba de ser criado o menor fio metálico do mundo - a rigor, o menor fio metálico que se pode fabricar.

O fio é composto por uma sequência de átomos de telúrio enfileirados, um atrás do outro.

Como é virtualmente impossível colocar átomos nessa disposição, o brasileiro Paulo Medeiros, atualmente na Universidade de Cambridge, no Reino Unido, foi inserindo cada átomo, um após o outro, no interior de um nanotubo de carbono.

Os nanofios são promissores para uma ampla gama de aplicações, mas é difícil fabricá-los e eles são instáveis porque os átomos ficam vibrando constantemente. O revestimento de nanotubo funciona como uma barreira física que elimina esse problema, evitando que o nanofio se desintegre.

Semicondutor e metal

Normalmente o telúrio é um semicondutor, mas quando fortemente aprisionado no interior do nanotubo ele passa a se comportar como um metal.

"Quando trabalhamos com materiais em escalas muito pequenas, como neste caso, os materiais em que estamos interessados tipicamente precisam ser depositados sobre uma superfície, mas o problema é que essas superfícies são muito reativas," disse Paulo.

"Mas os nanotubos de carbono são quimicamente inertes, de forma que eles resolvem um dos problemas quando tentamos criar materiais verdadeiramente unidimensionais," acrescentou, destacando que, antes de se pensar em aplicações práticas, será necessário entender a física básica desses nanocomponentes encapsulados.

Bibliografia:

Single-Atom Scale Structural Selectivity in Te Nanowires Encapsulated Inside Ultranarrow, Single-Walled Carbon Nanotubes
Paulo V. C. Medeiros, Samuel Marks, Jamie M. Wynn, Andrij Vasylenko, Quentin M. Ramasse, David Quigley, Jeremy Sloan, Andrew J. Morris
ACS Nano
DOI: 10.1021/acsnano.7b02225

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Blocos de montar moleculares formam componentes nanoeletrônicos Redação do Site Inovação Tecnológica -

Blocos de montar moleculares formam componentes nanoeletrônicos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/05/2017

As nanoestruturas se mostraram totalmente funcionais, adequadas para aplicações optoeletrônicas. [Imagem: Christian Steiner et al. - 10.1038/ncomms14765]

Nanotecnologia de baixo para cima

A incrível arte de montar objetos com átomos e moléculas ganhou novas possibilidades com as técnicas criadas por Christian Steiner e seus colegas da Universidade Friedrich-Alexander (FAU), na Alemanha.

"Agora temos algo parecido com um conjunto de blocos de Lego para usar no campo da nanoeletrônica, o que nos permitirá fabricar os objetos necessários 'de baixo para cima' ou, em outras palavras, começamos a partir da base e vamos colocando as pequenas unidades umas em cima das outras," explicou a professora Sabine Maier, coordenadora da equipe.

"O quão pequeno nós poderemos fabricar essas estruturas será determinado pela qualidade do material e pelas nossas habilidades mecânicas," completou.

Nano-Lego

Os blocos de montar a que a pesquisadora se refere são semicondutores orgânicos sintéticos, o que significa que eles poderão ser usados para criar componentes menores do que é possível fabricar hoje com a técnica de litografia, usada para fazer os processadores de computador e todos os demais chips.

Enquanto os processadores mais modernos estão começando a usar componentes medindo 14 nanômetros, a equipe conseguiu criar componentes nanoeletrônicos funcionais com pouco mais de 1 nanômetro.

Tudo começa com um triângulo formado por 21 átomos de carbono e um átomo de nitrogênio no centro. Os cantos podem ser formados por átomos de hidrogênio, iodo ou bromo, dependendo da funcionalidade que se deseja do material. Esses blocos são colocados sobre uma superfície de ouro e tudo é levado ao forno. Os blocos começam a se encaixar uns nos outros aos 150º C. Aos 270º C, eles se ligam quimicamente, formando estruturas que lembram muito a aparência do grafeno.

Aplicações optoeletrônicas

Os componentes criados pela equipe ainda não estão devidamente aprimorados para serem usados diretamente nos chips, mas a plataforma está sendo desenvolvida para isso. E os componentes resultantes já apresentam ótima qualidade para uma prova de conceito inicial.

"Nós verificamos que o intervalo de banda [bandgap] das estruturas bidimensionais é menor do que a dos arranjos unidimensionais dos mesmos blocos de construção molecular. Esses insights nos ajudarão no futuro a prever as propriedades dessas estruturas e ajustá-las aos valores desejados para aplicações optoeletrônicas específicas," disse o Prof. Andreas Görling.

Bibliografia:

Hierarchical on-surface synthesis and electronic structure of carbonyl-functionalized one- and two-dimensional covalent nanoarchitectures
Christian Steiner, Julian Gebhardt, Maximilian Ammon, Zechao Yang, Alexander Heidenreich, Natalie Hammer, Andreas Görling, Milan Kivala, Sabine Maier
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 14765
DOI: 10.1038/ncomms14765

Bit quântico de grafeno é bem mais que um qubit Redação do Site Inovação Tecnológica

Eletrônica

Bit quântico de grafeno é bem mais que um qubit

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/05/2017

O qubit capacitivo é formado por duas camadas de grafeno ensanduichando uma camada de nitreto de boro. [Imagem: EPFL/ LPQM]

Qubit resistente

Nasceu um novo componente que deverá acelerar ainda mais uma corrida cujos competidores parecem cada vez mais próximos da linha de chegada: a criação de computadores quânticos práticos.

Trata-se de um qubit - a unidade básica de cálculo e armazenamento de dados desses computadores futurísticos - feito a partir de uma série de camadas empilhadas de materiais bidimensionais.

A grande vantagem é que o componente se mostrou muito estável, capaz de resistir às influências externas que fazem os qubits perderem os dados muito facilmente - e, nessas dimensões quânticas, virtualmente tudo é interferência, o que exige o uso de temperaturas criogênicas, para tentar diminuir a energia do meio circundante e sua capacidade de interferir com o qubit.

Capacitor como qubit

A grande novidade é que o qubit é na verdade um capacitor, um componente eletrônico básico capaz de armazenar energia e liberá-la em pulsos muito rápidos. A diferença é que, dadas suas dimensões, é um capacitor que opera segundo as leis da mecânica quântica.

Sina Khorasani e Akshay Koottandavida, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, tiveram a ideia de explorar o uso de um capacitor como qubit justamente porque seu princípio de funcionamento o torna mais resistente às interferências externas, já que, em vez de ser influenciado por partículas intrometidas, ele pode simplesmente guardá-las como energia.

Além disso, é mais fácil fabricar um nanocapacitor, que também fica menor do que outras arquiteturas de qubits atualmente sendo pesquisadas.

Mais do que qubits

O componente consiste em camadas do isolante nitreto de boro ensanduichadas entre duas camadas de grafeno. Graças às propriedades pouco usuais do grafeno, a carga que entra no capacitor não é proporcional à tensão - essa não-linearidade é uma etapa essencial no processo de gerar bits quânticos.

E essas características o tornam útil também para outras aplicações na interface entre a eletrônica e a óptica.

"Este componente pode melhorar significativamente a forma como a informação quântica é processada, mas também há outras aplicações em potencial. Ele pode ser usado para criar circuitos de alta frequência fortemente não-lineares - até o regime terahertz - ou em misturadores (mixers), amplificadores e para o acoplamento ultraforte entre fótons," escreveram os pesquisadores.

Bibliografia:

Nonlinear graphene quantum capacitors for electro-optics
Sina Khorasani, Akshay Koottandavida
npj 2D Materials and Applications
Vol.: 1, Article number: 7
DOI: 10.1038/s41699-017-0011-9

Bateria produz energia capturando nitrogênio do ar Redação do Site Inovação Tecnológica

Bateria produz energia capturando nitrogênio do ar

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/05/2017

Essa bateria - que é mais propriamente um gerador de eletricidade - produz energia a partir do nitrogênio, o gás mais abundante em nossa atmosfera.[Imagem: Jin-Ling Ma et al. - 10.1016/j.chempr.2017.03.016]

Bateria de lítio-nitrogênio

Químicos chineses descobriram uma técnica que usa o nitrogênio presente naturalmente na atmosfera para gerar eletricidade e armazená-la em uma bateria.

O nitrogênio é o gás mais abundante na atmosfera da Terra, o que o torna uma opção atraente como fonte de energia renovável. Contudo, tem sido um desafio transformar a energia química das triplas ligações de suas moléculas em eletricidade - sob condições normais, essas moléculas não se quebram facilmente.

Jin-Ling Ma e seus colegas do Instituto de Química Aplicada de Changchun acreditam ter descoberto uma solução para esse dilema.

Eles conseguiram reverter a reação química que alimenta as baterias de lítio-nitrogênio. Em vez de gerar energia a partir da dissociação do nitreto de lítio (Li₃N) em lítio e nitrogênio, o protótipo de bateria captura o nitrogênio atmosférico em condições ambiente e o faz reagir com o lítio, formando o nitreto de lítio.

"Esta pesquisa promissora de um sistema de bateria por fixação de nitrogênio representa não apenas um progresso fundamental e tecnológico, mas também cria um ciclo avançado de N₂/Li₃N (gás nitrogênio/nitreto de lítio) para um processo de fixação de nitrogênio reversível," disse o professor Xin-Bo Zhang, coordenador da equipe.

O protótipo ainda não produz muita eletricidade, mas já supera os experimentos feitos até agora com a abordagem tradicional.

"O trabalho ainda está no estágio inicial. Esforços mais intensivos deverão ser devotados ao desenvolvimento do sistema de bateria [propriamente dito]," reconhece Zhang.

Bibliografia:

Reversible Nitrogen Fixation Based on Rechargeable Lithium-Nitrogen Battery for Energy Storage
Jin-Ling Ma, Di Bao, Miao-Miao Shi, Jun-Min Yan, Xin-Bo Zhang
Chem
DOI: 10.1016/j.chempr.2017.03.016

Processadores à base de som rivalizam com processadores quânticos Redação do Site Inovação Tecnológica

Processadores à base de som rivalizam com processadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/05/2017

Esta mesa experimental de lasers ultrassônicos está sendo utilizada no laboratório de um dos colaboradores da equipe - ela é usada para criar fônons com características que lembram as dos qubits.[Imagem: Nicholas Boechler]

Fonônica quântica

A emergente fonônica pode gerar computadores tão rápidos quanto os tão sonhados computadores quânticos.

Quem garante é o professor Pierre Deymier, da Universidade do Arizona, nos EUA, que acaba de receber US$1,8 milhão para comprovar suas ideias, o que ele planeja fazer construindo um chip experimental que, segundo ele, será um análogo de um processador quântico.

Até agora, os experimentos envolvendo a fonônica têm-se referido a uma espécie de "eletrônica do calor", que estaria circunscrita a aplicações mais exóticas, embora interessantes, envolvendo inclusive o reaproveitamento do calor residual dos processadores eletrônicos.

Ocorre que as partículas quânticas - ou quasipartículas - envolvidas na movimentação do calor, os fônons, são as mesmas usadas para explicar a propagação das ondas sonoras. Ou seja, é possível construir processadores que funcionam com som, em vez de eletricidade.

"A computação baseada em fônons tem o poder de mudar o mundo como nós o conhecemos, não apenas para fazer computadores mais poderosos, mas para a inteligência artificial, criptografia e análise de megadados. O computador fonônico poderia rapidamente mapear todo o genoma de uma pessoa para desenvolver terapias médicas mais direcionadas," disse Deymier, que se juntou na empreitada a seus colegas Keith Runge, Pierre Lucas e Nicholas Boechler, cuja equipe vem trabalhando em componentes lógicos acústicos há algum tempo.

Até agora a fonônica vinha se concentrando na construção de componentes lógicos termais - mas parece que ela é capaz de bem mais do que isso. [Imagem: Elzouka/Ndao - 10.1038/srep44901]

Phi-bits

Enquanto os computadores atuais têm seus bits e os emergentes computadores quânticos têm qubits, o processador à base de som terá o que Deymier chama de phi-bits, ou bits de fase, constituídos por ondas sonoras controladas.

A vantagem dos phi-bits em relação aos bits eletrônicos é que eles poderão existir em um estado similar à superposição, o fenômeno quântico que permite que os qubits guardem mais do que um dado de uma só vez. Em relação aos qubits, por sua vez, que são extremamente delicados, os phi-bits são mais estáveis, não sendo facilmente alterados pelas condições do ambiente.

"Eu já consigo fazer phi-bits a temperatura ambiente em meu laboratório," contou Deymier.

Contudo, como ele se encontra atualmente envolvido com o registro de uma série de patentes envolvendo seus phi-bits, o pesquisador não dá maiores detalhes de seu funcionamento, embora sua plataforma tecnológica pareça ser similar à dos processadores fotônicos - à base de luz.

O que ele faz é deixar a todos ansiosos por seus computadores movidos por som: "Vamos supor que você tenha um milhão de phi-bits, com cada um tendo ao mesmo tempo um 0 e um 1 em bits de computação convencionais. Isso significa que a quantidade de informação que você pode processar é de 2 elevado a 1 milhão - o que pode ser mais do que o número de átomos no universo!"

O pesquisador acredita que sua computação quântica baseada na fonônica poderá se tornar prática nos próximos 10 anos.

Supercondutor a temperatura ambiente é mesmo possível Redação do Site Inovação Tecnológica

Supercondutor a temperatura ambiente é mesmo possível

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/05/2017

Pulsos ultracurtos de laser permitiram tirar fotografias da estrutura eletrônica do material conforme ele retornava de uma fase de não-equilíbrio. [Imagem: Pixabay]

Laser revelador

Um experimento com raios laser pulsados, usados em pesquisas de materiais, revelou algo com que o mundo da tecnologia sonha há muito tempo: supercondutores que funcionam a temperatura ambiente são mesmo possíveis.

A revelação veio quando um composto cerâmico de cobre, oxigênio e bismuto foi analisado por Simone Peli, da Universidade Católica do Sagrado Coração, na Itália.

Usando as fontes de raio laser pulsado do laboratório SISSA, Simone e seus colegas conseguiram identificar a condição exata em que os elétrons no material não se repelem mutuamente, o que é essencial para que a eletricidade flua sem resistência.

A novidade é que tudo ocorreu a temperatura ambiente, e não nas temperaturas criogênicas necessárias para que a supercondutividade se manifeste nos materiais usados hoje em máquinas de exames médicos ou em laboratórios como o LHC.

Supercondutor a temperatura ambiente

A equipe se concentrou em um supercondutor específico, que tem propriedades físicas e químicas altamente complexas, sendo composto por quatro tipos diferentes de átomos, incluindo cobre e oxigênio - ele pertence à família dos cupratos.

"Usando um pulso de laser, nós tiramos o material do seu estado de equilíbrio. Um segundo pulso, ultracurto, então nos permitiu desembaraçar os componentes que caracterizam a interação entre os elétrons enquanto o material estava retornando ao equilíbrio. Metaforicamente, foi como tirar uma série de fotografias das diferentes propriedades desse material em momentos diferentes," escreveu a equipe em seu artigo.

Por meio desta abordagem, Simone e seus colegas descobriram que "neste material, a repulsão entre os elétrons e, portanto, suas propriedades isolantes, desaparece mesmo a temperatura ambiente. É uma observação muito interessante, pois este é o pré-requisito essencial para transformar um material em um supercondutor."

O desafio agora é ir mudando cuidadosamente a estrutura química do material - sua receita - até conseguir que a supercondutividade se manifeste a temperatura ambiente. [Imagem: Simone Peli et al. - 10.1038/nphys4112]

Impactos ambientais positivos

Tendo descoberto que os pré-requisitos para a fabricação de um supercondutor à temperatura ambiente de fato existem, a equipe acredita que agora será uma questão de calibrar os ingredientes que formam o material para obter um supercondutor a temperatura ambiente.

"Poderemos usar este material como um ponto de partida e mudar sua composição química, por exemplo," explicaram os pesquisadores.

Quando conseguirem isto - além de ficarem todos milionários - eles estarão lançando as bases de uma verdadeira revolução industrial, mudando toda a infraestrutura energética, o que incluirá uma drástica redução no consumo de energia, com enormes impactos ambientais positivos.

Bibliografia:

Mottness at finite doping and charge instabilities in cuprates
Simone Peli, S. Dal Conte, R. Comin, N. Nembrini, A. Ronchi, P. Abrami, F. Banfi, G. Ferrini, D. Brida, S. Lupi, M. Fabrizio, A. Damascelli, M. Capone, G. Cerullo, C. Giannetti
Nature Physics
DOI: 10.1038/nphys4112

Material flexível pode ser alto-falante, microfone ou gerador de energia Redação do Site Inovação Tecnológica

Material flexível pode ser alto-falante, microfone ou gerador de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/05/2017

O material fino e flexível é um transdutor que opera em vários modos intercambiáveis. [Imagem: Wei Li et al. - 10.1038/NCOMMS15310]

Transdutor faz-tudo

Se um alto-falante que produz som sem vibrar não é o suficiente para você, que tal um alto-falante que pode funcionar como microfone ou usar as vibrações do ambiente para produzir eletricidade?

"Cada tecnologia começa com uma descoberta importante e esta é uma descoberta radical para esta tecnologia em particular. Este é o primeiro transdutor que é ultrafino, flexível, escalável e bidirecional, o que significa que ele pode converter energia mecânica em energia elétrica e energia elétrica em energia mecânica," disse o professor Nelson Sepulveda, da Universidade do Estado de Michigan, nos EUA.

Entre as potenciais aplicações do transdutor reversível estão alto-falantes dobráveis, sistemas de segurança acionados por voz para computadores e até mesmo jornais e revistas falantes.

Nanogerador

No ano passado, a equipe demonstrou o funcionamento de um FENG (Ferroelectret Nanogenerator), um tipo de nanogerador capaz de usar o movimento humano para alimentar pequenos aparelhos eletrônicos.

O que eles descobriram agora é que seu material é muito mais versátil do que haviam se dado conta a princípio, funcionando como um "tradutor" de energia mecânica em energia elétrica de forma intercambiável. Em uma de suas demonstrações, por exemplo, eles transformaram uma bandeira da universidade em um alto-falante, que pode tremular ao vento e tocar o hino simultaneamente.

O processo de fabricação do nanogerador FENG começa com folhas finas de silicone, que são empilhadas de forma intercalada com substâncias atóxicas, incluindo prata, poli-imida e ferroeletreto de polipropileno. Cada camada recebe uma injeção de íons, de modo a apresentar uma resposta elétrica. .

A eletricidade é criada quando o dispositivo é comprimido por alguma força mecânica, incluindo qualquer movimento do corpo humano. A força mecânica é criada pelas "pulsações" do material, que são produzidas de acordo com a corrente que o atravessa.

Bibliografia:

Nanogenerator-based dual-functional and self-powered thin patch loudspeaker or microphone for flexible electronics
Wei Li, David Torres, Ramón Díaz, Zhengjun Wang, Changsheng Wu, Chuan Wang, Zhong Lin Wang, Nelson Sepúlveda
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 15310
DOI: 10.1038/NCOMMS15310

Criado transístor que pode alternar entre 2 estados de energia Redação do Site Inovação Tecnológica -

Criado transístor que pode alternar entre 2 estados de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/05/2017

Com dois estados de energia dentro do mesmo componente torna-se possível fazer a interface entre os sinais eletrônicos dos processadores atuais e os sinais de luz. [Imagem: M. Feng et al. - 10.1063/1.4942222]

Transístor a laser biestável

Os professores Milton Feng e Nick Holonyak, inventores do transístor a laser, levaram seu componente fotônico a um novo patamar, diminuindo a distância que nos separa de processadores que funcionam à base de luz.

A dupla conseguiu dar biestabilidade ao transístor a laser, o que significa que o componente consegue manter dois estados de energia estáveis, podendo alternar entre os dois.

Com dois estados de energia dentro do mesmo componente torna-se possível formar uma chave optoelétrica, o primeiro passo tanto para fazer a interface entre os sinais eletrônicos dos processadores atuais e os sinais de luz, que permitirão acelerar muito a velocidade dos dados, quanto para construir uma lógica óptica de pleno direito.

"Construir um transístor com biestabilidade elétrica e óptica em um chip de computador irá aumentar significativamente as velocidades de processamento porque os componentes podem se comunicar sem a interferência que ocorre quando [eles estão] limitados aos transistores eletrônicos," disse o professor Milton Feng.

Optoeletrônica

A ideia de processadores ópticos, ou fotônicos, faz sentido porque a luz viaja mais rapidamente do que a eletricidade, além do que um chip óptico não dissiparia o calor dos processadores eletrônicos atuais.

Mas Feng e Holonyak são mais pés-no-chão, e acreditam que a teoria é bonita, mas o aumento da velocidade e do poder de processamento exige uma abordagem híbrida, ou optoeletrônica.

"Você não pode remover a eletrônica inteiramente porque você precisa se conectar a uma corrente e convertê-la em luz. Esse é o problema com o conceito de computador totalmente óptico que algumas pessoas falam, mas não é possível porque não existe um sistema totalmente óptico," desafia Feng.

Diagrama esquemático do transístor a laser biestável. [Imagem: M. Feng et al. - 10.1063/1.4942222]

É por isso que eles vêm trabalhando tão arduamente em um componente que mescle os dois sinais. O componente está pronto, mas até agora ele mantém sua biestabilidade apenas até -50º C. O próximo passo será fazê-lo operar a temperatura ambiente.

O professor Feng garante que já conseguiu isso, e vai demonstrar proximamente em um artigo que está sendo preparado para publicação: "Qualquer componente eletrônico é praticamente inútil se ele não puder funcionar a temperatura ambiente. Ninguém vai querer carregar um aparelho dentro de uma geladeira para evitar que ele fique muito quente."

Bibliografia:

Electro-optical hysteresis and bistability in the ring-cavity tunneling-collector transistor laser
M. Feng, N. Holonyak Jr, M. K. Wu, F. Tan
Journal of Applied Physics
Vol.: 121, 153103
DOI: 10.1063/1.4942222

Metamateriais impressos em 3D são 14 vezes mais eficientes Redação do Site Inovação Tecnológica

Metamateriais impressos em 3D são 14 vezes mais eficientes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/05/2017

Os metamateriais são compostos por células individuais, projetadas para interagir de forma específica com as ondas eletromagnéticas. [Imagem: Abel Yangbo Xie/Duke University]

Metamateriais 3D

Os metamateriais eletromagnéticos acabam de ser levados para a terceira dimensão - e usando impressoras 3-D de baixo custo vendidas no comércio.

Para quem não se lembra, os metamateriais estão produzindo uma revolução na transmissão de dados e energia sem fios, além de serem a base para tecnologias como os mantos da invisibilidade, escudos contra terremotos, barreiras sônicas contra tsunamis e uma série de outras possibilidades.

A vantagem é que os cubos impressos de metamaterial interagem com as ondas eletromagnéticas 14 vezes mais fortemente do que os metamateriais equivalentes em 2-D - os testes foram feitos nas faixas de frequência de rádio e micro-ondas.

O uso de impressoras 3D deverá revolucionar o projeto e a prototipagem de novas categorias de aparelhos usando essa tecnologia.

"Há um monte de estruturas 3D complexas de metamateriais que as pessoas têm imaginado, projetado e feito em pequenos números para provar que elas funcionam. O desafio na transição para esses projetos mais complicados tem sido o processo de fabricação. Com a capacidade de fazer isso em uma impressora 3-D comum, qualquer um poderá construir e testar um protótipo em questão de horas a um custo relativamente baixo," disse o professor Steve Cummer, da Universidade de Duke, nos EUA, que recentemente usou essa técnica para criar uma câmara do silêncio.

Material condutor para impressora 3D

Os metamateriais eletromagnéticos 3D foram impressos utilizando um material eletricamente condutor compatível com uma impressora 3-D padrão.

O desafio foi justamente encontrar o material condutor certo, que pudesse ser usado diretamente em impressora 3-D comuns, projetadas para usar plásticos - é claro que existem impressoras 3D que imprimem com metal, mas elas custam cerca de US$ 1 milhão e ocupam uma sala inteira.

Benjamin Wiley e Shengrong Ye criaram um material imprimível que é 100 vezes mais condutor do que qualquer coisa atualmente no mercado. Eles pretendem comercializar sua invenção sob a marca Electrifi, através da Multi3D LLC, uma empresa emergente que a universidade está ajudando os dois a estruturar.

Embora ainda não seja tão condutivo quanto o cobre, a equipe acredita que o material é condutor o suficiente para criar metamateriais eletromagnéticos significativamente superiores aos atuais.

Bibliografia:

Microwave Metamaterials Made by Fused Deposition 3D Printing of a Highly Conductive Copper-based Filament
Yangbo Xie, Shengrong Ye, Christopher Reyes, Pariya Sithikong, Bogdan Popa, Benjamin J. Wiley, Steven A. Cummer
Applied Physics Letters
DOI: 10.1063/1.4982718

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Energia biologicamente compatível para implantes médicos sem baterias Redação do Site Inovação Tecnológica

Energia biologicamente compatível para implantes médicos sem baterias

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/05/2017

A demonstração de conceito é promissora porque torna-se possível gerar energia continuamente, dispensando-se cirurgias para troca de baterias.[Imagem: Islam Mosa (Universidade de Connecticut)/Maher El-Kady(UCLA)]

Energia corporal

Um novo sistema de armazenamento de energia opera a partir de fluidos presentes no corpo humano.

Batizado por seus criadores de "supercapacitor biológico", o dispositivo opera usando íons - átomos com carga elétrica - de fluidos corporais, como o soro sanguíneo ou a urina.

Assim, ao contrário das baterias usadas atualmente nos implantes médicos, ele não representa risco biológico ao corpo humano.

Além disso, o dispositivo pode funcionar acoplado com nanogeradores, usados na chamada colheita de energia, que convertem calor e movimento do corpo humano em eletricidade - de forma comparável à que os relógios mecânicos automáticos dão corda em si mesmos usando o movimento do braço de quem os usa.

A eletricidade colhida pelo nanogerador é então capturada e armazenada pelo supercapacitor, uma combinação com potencial para fornecer energia de forma contínua, eliminando a necessidade de cirurgias para troca de baterias nos implantes.

Biossupercapacitor

O novo supercapacitor biologicamente compatível é feito de um nanomaterial de carbono - grafeno - mesclado com camadas com proteínas humanas modificadas, tudo combinado de modo a formar um eletrodo, um condutor através do qual a eletricidade gerada pelo nanogerador pode entrar ou sair.

"Ao contrário das baterias, que usam reações químicas, que envolvem produtos químicos tóxicos e eletrólitos para armazenar energia, esta nova classe de biossupercapacitores armazena energia utilizando íons prontamente disponíveis ou moléculas carregadas do soro sanguíneo," disse Islam Mosa, responsável pela criação do dispositivo juntamente com colegas das universidades de Connecticut e da Califórnia em Los Angeles.

Os marcapassos mais modernos têm tipicamente de 6 a 8 milímetros de espessura, e cerca da metade desse espaço é ocupada pela bateria. O novo supercapacitor tem apenas 1 micrômetro de espessura - muito menor do que a espessura de um cabelo humano, além de ser flexível, podendo se dobrar ou torcer dentro do corpo sem qualquer dano mecânico. Ele também armazena mais carga do que as baterias de lítio de tamanho similar usadas nos marcapassos.

Embora ainda não tenham sido feitos testes com implantes reais, a equipe garante que o supercapacitor é inofensivo para os sistemas biológicos do corpo. Ainda que esses dispositivos de armazenamento de energia - os supercapacitores - não venham sendo amplamente utilizados em dispositivos médicos, este protótipo mostra que eles podem ser uma opção viável.

Bibliografia:

Ultrathin Graphene-Protein Supercapacitors for Miniaturized Bioelectronics
Islam M. Mosa, Ajith Pattammattel, Karteek Kadimisetty, Paritosh Pande, Maher F. El-Kady, Gregory W. Bishop, Marc Novak, Richard B. Kaner, Ashis K. Basu, Challa V. Kumar, James F. Rusling
Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.201700358

Revolução holográfica: Hologramas 3D próximos das telas Redação do Site Inovação Tecnológica -

Revolução holográfica: Hologramas 3D próximos das telas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/05/2017

(a) Imagem original de um dinossauro. (b,c) Microfotografias dos padrões impressos a laser que geram o holograma. As barras de escala medem 50 micrômetros e 10 micrômetros, respectivamente. Embaixo (d-f), hologramas gerados iluminando o filme com lasers de comprimentos de onda de 445, 532 e 632 nanômetros - a barra de escala mede 1 micrômetro.[Imagem: Zengji Yue et al. - 10.1038/NCOMMS15354]

Revolução na holografia

O caminho para a integração da holografia 3-D em aparelhos eletrônicos do dia a dia, como celulares, computadores e TVs, está finalmente aberto com o desenvolvimento de um nano-holograma 1.000 vezes menor do que um fio de cabelo humano.

Essa miniaturização é essencial para a integração dos hologramas com a eletrônica porque as técnicas holográficas desenvolvidas até agora tinham uma relação direta de tamanho com o comprimento de onda da luz visível - e, enquanto o comprimento de onda da luz visível fica entre 400 e 790 nanômetros, os componentes eletrônicos atuais estão abaixo dos 20 nanômetros.

Uma equipe da Austrália e da China criou agora uma tecnologia para gerar hologramas usando materiais ultrafinos, quase bidimensionais. Usando essa tecnologia de filmes finos, já largamente empregada na microeletrônica e em pesquisas de materiais, a equipe criou um nano-holograma que é simples de fabricar, além de poder ser visto sem óculos 3D.

"Os hologramas convencionais gerados por computador são muito grandes para os aparelhos eletrônicos, mas nosso holograma ultrapassa essas barreiras de tamanho," disse o professor Min Gu, da Universidade RMIT, na Austrália. "Nosso nano-holograma também é fabricado usando um sistema simples e rápido de gravação direta a laser, o que torna o nosso projeto adequado para grandes usos e fabricação em massa."

"Integrar a holografia na eletrônica diária vai tornar o tamanho da tela irrelevante - um holograma 3D que salta da tela pode exibir uma riqueza de dados que não se encaixa adequadamente em um celular ou relógio. Do diagnóstico médico à educação, armazenamento de dados, defesa e segurança cibernética, a holografia 3D tem o potencial para transformar uma gama de indústrias, e esta pesquisa traz essa revolução um passo crítico mais perto," acrescentou Gu.

Nano-holograma

Os hologramas tipicamente modulam a fase da luz para dar a ilusão de profundidade tridimensional. Mas, para gerar mudanças de fase suficientes, esses hologramas precisam estar na espessura dos comprimentos de onda ópticos, ou seja, dentro da faixa visível do espectro eletromagnético.

A equipe quebrou essa limitação com um holograma de apenas 25 nanômetros de espessura, baseado em um filme fino de um isolante topológico, um material que mantém um baixo índice de refração na sua camada superficial, mas um índice de refração muito alto no seu interior - isolantes topológicos são materiais com essa característica peculiar de apresentarem propriedades na superfície diferentes das propriedades no seu interior.

O filme fino de isolante topológico funciona como uma cavidade óptica ressonante intrínseca, o que, na prática, significa que ele otimiza os desvios de fase para gerar as imagens holográficas.

Nanofabricação do holograma usando uma película de Sb2Te3 (antimônio e telúrio) por um processo de escrita a laser. O holograma também é gerado fazendo um laser incidir sobre o material já pronto. [Imagem: Zengji Yue et al. - 10.1038/NCOMMS15354]

O que falta fazer

"O próximo passo para esta pesquisa será o desenvolvimento de um filme fino rígido, que possa ser colocado em uma tela LCD para permitir a exibição holográfica 3D. Isso envolve encolher o tamanho do píxel do nano-holograma, tornando-o pelo menos 10 vezes menor," advertiu Zengyi Yue, do Instituto de Tecnologia de Pequim e principal responsável pelo desenvolvimento do nano-holograma.

"Além disso, estamos tentando criar filmes finos flexíveis e elásticos que possam ser usados em toda uma gama de superfícies, abrindo os horizontes das aplicações holográficas," anunciou ele.

Bibliografia:

Nanometric holograms based on a topological insulator material
Zengji Yue, Gaolei Xue, Juan Liu, Yongtian Wang, Min Gu
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 15354
DOI: 10.1038/NCOMMS15354

Impressão de telas flexíveis por jato de tinta próximo das fábricas Redação do Site Inovação Tecnológica

Impressão de telas flexíveis por jato de tinta próximo das fábricas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/05/2017

Protótipo da tela flexível sensível ao toque. [Imagem: Gabi Klein/INM]

Telas flexíveis baratas

A tecnologia das telas flexíveis está batendo às portas da indústria, o que talvez tire os monitores e celulares flexíveis e dobráveis do horizonte da tecnologia e os coloque nas prateleiras, bem ao alcance dos consumidores.

A Feira de Tecnologia de Hannover deste ano esteve repleta de demonstrações de processos industriais que poderão viabilizar a fabricação de circuitos e telas inteiras por impressão, alguns deles no rápido e barato sistema rolo a rolo.

Engenheiros do Instituto Leibniz de Novos Materiais, por exemplo, apresentaram um sistema de fabricação de telas sobre folhas plásticas usando tintas compostas por nanopartículas semicondutoras. Estas tintas são compostas predominantemente por óxidos transparentes e condutores e são adequadas para um processo de impressão de um só passo, o que elimina os problemas de imprecisão da aplicação de camadas sucessivas.

Desta forma, linhas e padrões transparentes são obtidos por impressão a jato de tinta ou, alternativamente, por impressão de gravura direta, viabilizando um processo de baixo custo. De acordo com a equipe, todos os circuitos mantêm sua funcionalidade não apenas se enrolados, mas também se dobrados.

"A condutividade é mantida mesmo quando as películas são dobradas. Usando um padrão especial de eletrodos, podem ser impressos sensores capacitivos de telas sensíveis ao toque, de alta sensibilidade e resolução, em um processo simples," explicou Peter William de Oliveira, líder da equipe que desenvolveu a tecnologia.

Rígidos ou flexíveis, os circuitos eletrônicos continuam precisando de fiações. [Imagem: Gabi Klein/INM]

Fiação flexível

Outra tecnologia apresentada às indústrias foi a metalização fotoquímica aplicada aos polímeros flexíveis que servirão como substrato para as telas de enrolar e dobrar.

Para que os circuitos eletrônicos possam ser totalmente flexíveis ou possam ser acoplados a telas flexíveis, é necessário prover a fiação adequada entre as diversas partes do aparelho - é algo como a tampa do seu notebook sendo aberta e fechada sem que os fios se rompam, só que levado ao extremo.

A solução encontrada foi imprimir rotas microscópicas de fiação feitas de nanopartículas de óxido de prata. Depois de aplicado na forma de uma tinta, o composto de prata se desintegra sobre uma camada adicional de material fotoativo sob irradiação UV. Isto faz com que os íons de prata sejam reduzidos para formar prata metálica, que passa a constituir os condutores.

De acordo com a equipe, o processo é "rápido, flexível, ambientalmente correto e permite a fabricação de circuitos de qualquer tamanho".