Brasileiros fazem plástico e acrílico com nanofibras de celulose

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/09/2017

As nanofibras de celulose dão maior resistência ao polímero, tornam-no mais fácil de degradar e diminuem seu custo. [Imagem: Emanoele Maria Santos Chiromito]

Plásticos biodegradáveis

Ao trabalhar com compostos em escala extremamente reduzida (nanométrica) e que, ao mesmo tempo, são biodegradáveis, pesquisadores da Escola de Engenharia da USP em São Carlos (SP) estão lançando um novo material com um amplo potencial de utilização, que vai da construção civil à indústria automobilística e até em componentes eletrônicos.

Eles desenvolveram um método para produzir poliestireno - um tipo de plástico - e polimetacrilato de metila - o conhecido acrílico - utilizando fibras e nanofibras de celulose de eucalipto, bagaço de cana e outros vegetais.

O processo pode ser utilizado para produzir materiais que, além de elevada resistência mecânica, têm baixo custo, já que as matérias-primas empregadas no processo são derivadas de fontes renováveis - basicamente a celulose.

O trabalho, realizado por Caíque Casale, Eliane Trovatti, Emanoele Chiromito e Antônio José Félix de Carvalho, já está patenteado e pronto para ser usado pela indústria.

Dispersão das fibras de celulose

Devido à importância comercial do poliestireno (resina do grupo dos termoplásticos) e por ele ser derivado do petróleo, a equipe decidiu testar o que aconteceria com a adição de fibras e nanofibras de celulose, uma vez que as propriedades mecânicas da celulose a tornam tão rígida quanto o próprio aço.

O coração da inovação está na técnica para evitar que a celulose forme aglomerados, dispersando as fibras nos termoplásticos de poliestireno e acrílico de forma homogênea.

A solução consistiu no desenvolvimento de um processo de coprecipitação, que permite a separação das substâncias sólidas do líquido. O resultado é um compósito com propriedades mecânicas bastante melhoradas em relação aos materiais originais, comparáveis a outros compósitos produzidos a partir de fibras sintéticas.

Compósitos

Os materiais compósitos estão presentes na natureza, no corpo humano ou em qualquer outro lugar. São produzidos a partir da junção de dois ou mais materiais distintos, que combinados resultam em um produto com propriedades de melhor qualidade do que os materiais de partida.

A engenharia de materiais inova criando compósitos sob medida para atender à demanda de fabricação de determinados produtos que substituem os materiais convencionais (aço, ferro, alumínio), que possuem aplicações limitadas. Os compósitos produzidos em laboratório possuem características singulares e mais satisfatórias: leveza, resistência mecânica e tolerância a mudanças de temperaturas e ao contato de compostos químicos e água.

Celulares poderão contar com câmera científica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

O protótipo já é adequado para inserção no gabinete de um celular comercial. [Imagem: Micro and Nanotechnology Lab/University of Illinois at Urbana-Champaign]

Laboratório em um celular

Embora já existam celulares com até três câmeras, pesquisadores da Universidade de Illinois, nos EUA, estão tentando vender para a indústria a ideia de adicionar aos aparelhos o que eles de "câmera científica".

Trata-se de um sensor de imagem especial projetado para ser usado em aplicações médicas, monitoramento ambiental e, por que não, para captar algumas imagens interessantes com outros espectros de cor.

Os professores Brian Cunningham e John Dallesasse estão nesse projeto há três anos, quando a Fundação Nacional de Ciências dos EUA lhes deu a incumbência de desenvolver um "laboratório em um celular" - ou dito de outra forma, de transformar um telefone celular em um pequeno laboratório portátil de múltiplos propósitos.

Agora eles apresentaram a primeira versão de uma câmera espectroscópica que cabe dentro de um celular comum e utiliza apenas componentes disponíveis comercialmente - principalmente os LEDs para iluminação das amostras.

Câmera espectroscópica

A câmera foi projetada para captar os comprimentos de ondas da luz - o espectro - que revelam como a luz é absorvida pelos líquidos e refletida pelos sólidos. Esse espectro dá informações precisas sobre os materiais, permitindo desde analisar a composição química de uma amostra, até realizar exames médicos.

Uma das principais preocupações da equipe foi eliminar a necessidade de que o celular fosse conectado a outro aparelho para completar as leituras, de forma a viabilizar o conceito de laboratório portátil. Com esta câmera espectroscópica, o celular pode ser colocado diretamente sobre a amostra sólida ou sobre um cartucho contendo a amostra líquida e dar os resultados na tela ou transmiti-los para o médico, por exemplo.

"Para que o conceito funcione, os fabricantes de smartphones adicionariam uma câmera para fins científicos [aos seus aparelhos]", explicou o professor Cunningham. "Os píxeis do sensor de imagem adicional teriam um filtro linear variável colado por cima, que transforma a câmera em um espectrômetro. Como o componente seria uma parte integral do telefone, as informações geradas por ele podem ser integradas perfeitamente com outras informações sobre o paciente e o teste que está sendo realizado, ao mesmo tempo interagindo com um sistema de serviço inteligente baseado na nuvem que fornece feedbackimediato."

Para demonstração do conceito, a equipe realizou um exame chamado ELISA, sigla em inglês para ensaio de imunoabsorção enzimática, que detecta a enzima fibronectina, uma proteína cuja concentração é usada para ajudar a determinar o risco de que uma mulher grávida dê à luz prematuramente.

Negociações

O professor Cunningham afirma que já está em contato com vários fabricantes de celulares para tentar vender a ideia, se possível em associação com prestadores de serviços de saúde.

"Eu acredito que a 'saúde móvel' vai significar testes de diagnóstico médico para a nutrição ou o bem-estar, um serviço que as principais empresas de smartphones podem ajudar a fornecer," disse ele. "Elas estão procurando maneiras pelas quais os cuidados com a saúde podem ser incorporados em suas capacidades. Esperamos encontrar empresas interessadas em diferenciar seus telefones de outros ao apresentarem essa capacidade".

Bibliografia:

Integrated spectroscopic analysis system with low vertical height for measuring liquid or solid assays
Yuhang Wana, John A. Carlson, Saoud A. Al-Mulla, Wang Peng, dKenneth D. Long, Benjamin A. Kesler, Patrick Su, John M. Dallesasse, Brian T. Cunningham
Sensors and Actuators B: Chemical
DOI: 10.1016/j.snb.2017.08.126

GPS magnético diz onde no corpo estão as pílulas inteligentes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

O chip imita as características dos átomos usadas pelos exames de ressonância magnética. [Imagem: Ella Marushchenko for Caltech]

Comprimidos inteligentes

Se os robôs capazes de entrar no corpo humano e curar doenças ainda são um sonho distante, os comprimidos inteligentes já estão sendo testados em diversos laboratórios ao redor do mundo.

Mas tão logo os testes começaram, os pesquisadores se deram conta de que não é fácil monitorar aonde essas pílulas robóticas estão depois que são engolidas.

Manuel Monge, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, acaba de criar uma tecnologia que permite fazer esse monitoramento das pílulas no interior do corpo de seres vivos com alta precisão.

GPS magnético

A nova técnica de rastreamento remoto foi batizada de ATOMS, sigla em inglês para transmissores endereçáveis operados como spins magnéticos.

O pequeno chip de silício opera sob o mesmo princípio dos exames de ressonância magnética (MRI), nos quais a localização dos átomos no corpo do paciente é determinada usando campos magnéticos. Em vez de depender dos átomos do corpo, o chip contém um conjunto de sensores, ressonadores e um chip de transmissão sem fios que imita as propriedades de ressonância magnética dos átomos.

"Um princípio-chave da MRI é que um gradiente de campo magnético faz com que átomos em localizações diferentes ressonem em frequências diferentes, tornando fácil dizer onde eles estão. Nós queremos embutir esse princípio elegante em um circuito integrado compacto. O dispositivo ATOMS também ressoa em diferentes frequências, dependendo de onde ele está em um campo magnético," explicou o professor Mikhail Shapiro.

O protótipo, que foi testado e funcionou em camundongos, tem uma área de 1,4 milímetro quadrado. Ele contém um sensor de campo magnético, antenas integradas, um dispositivo de alimentação sem fio e um circuito que ajusta seu sinal de radiofrequência com base na força do campo magnético. O chip de transmissão sem fios informa a localização do chip para um aparelho fora do corpo do animal.

Como o sistema de localização funcionou, a equipe agora pretende incorporar funcionalidades ao chip, como a capacidade de procurar por biomarcadores específicos.

Bibliografia:

Localization of microscale devices in vivo using addressable transmitters operated as magnetic spins
Manuel Monge, Audrey Lee-Gosselin, Mikhail G. Shapiro, Azita Emami
Nature Biomedical Engineering
Vol.: 1, 736-744
DOI: 10.1038/s41551-017-0129-2

Aranhas que ingerem grafeno e nanotubos tecem teias mais fortes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/09/2017

O biocompósito foi tecido naturalmente pelas aranhas, que ingeriram uma solução de grafeno e nanotubos de carbono.[Imagem: F. Tomasinelli]

Reforço

Cientistas da Universidade de Cambridge (Reino Unido) e de Trento (Itália) descobriram um modo de fazer com que as aranhas teçam uma seda ainda mais forte e resistente.

Emiliano Lepore e seus colegas deixaram que algumas aranhas construíssem suas teias e depois aspergiram sobre suas casas uma solução de grafeno e de nanotubos de carbono, dois materiais conhecidos por sua extrema força e resistência.

As aranhas ingeriram - ou absorveram - o material a partir do seu ambiente e continuaram levando sua vida normal.

Os cientistas então coletaram as teias que elas teceram desde a aspersão dos nanomateriais e as compararam com as teias tecidas pelas mesmas aranhas antes da aspersão.

Seda biônica

As novas teias apresentaram aumentos significativos na força, tenacidade e elasticidade dos fios, que a equipe chama de "biocompósitos" - materiais compostos sintetizados biologicamente.

Os fios de seda mais fortes apresentaram uma resistência à fratura de até 5,4 GPa, mais de 3 vezes mais forte do que as sedas originais, bem como um aumento de 10 vezes no módulo de resistência, que chegou a 2,1 GPa.

A equipe espera usar as novas sedas superfortes em tecidos biodegradáveis ou têxteis para aplicações especiais, como em para-quedas e vestimentas médicas.

"Ainda estamos nos primeiros dias [dessa nova técnica], mas nossos resultados são uma prova de conceito que abre o caminho para explorar o naturalmente eficiente processo de fiação das aranhas para produzir fibras reforçadas de seda biônica, melhorando ainda mais um dos materiais fortes mais promissores," disse o professor Nicola Pugno.

Bibliografia:

Spider silk reinforced by graphene or carbon nanotubes
Emiliano Lepore, Federico Bosia, Francesco Bonaccorso, Matteo Bruna, Simone Taioli, Giovanni Garberoglio, Andrea C Ferrari, Nicola Maria Pugno
2D Materials
Vol.: 4, Number 3
DOI: 10.1088/2053-1583/aa7cd3

Cerâmica emissora de luz poderá substituir LEDs com vantagens

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

A equipe pretende agora escalonar o processo para que a cerâmica emissora de luz possa ser fabricada em escala industrial. [Imagem: TPU/Oleg Khasanov]

Cerâmica luminescente

Pesquisadores da Universidade Politécnica de Tomsk, na Rússia, acreditam que esta cerâmica emissora de luz pode se tornar uma alternativa mais barata do que todas as lâmpadas atuais, incluindo os LEDs.

Outra vantagem da cerâmica luminescente é uma maior resistência, em razão da qual os produtos serão mais duráveis.

"Na produção em massa, as fontes de luz de nanocerâmicas luminescentes custam menos em comparação com os LEDs modernos, com sua estrutura eletrônica mais complexa," disse o professor Oleg Khasanov.

Nanocerâmica

A equipe desenvolveu a cerâmica luminescente a partir de um pó cujas partículas têm dimensões nanométricas, daí o termo nanocerâmica - eles também já criaram cerâmicas transparentes.

O pó de cerâmica é posto em um molde especial que é eletricamente condutor e capaz de resistir a altas pressões e temperaturas. Comprimido, aquecido e submetido a uma corrente elétrica, tudo simultaneamente, gera-se um processo de sinterização, no qual as nanopartículas se aglomeram, formando um material sólido muito resistente.

"Dependendo da composição do luminóforo, é possível obter um espectro variável de cerâmica luminosa, isto é, branca, azul, amarela etc. Com esse objetivo, nós selecionamos os melhores luminóforos na composição geral da cerâmica transparente," relatou Khasanov.

Aparelhos de rádio FM terão ampliação na faixa de frequências

Com informações do MCTIC -  27/09/2017

FM larga

Uma portaria conjunta entre o Ministério da Ciência e Tecnologia (MCTIC) e o Ministério da Indústria e Comércio (MDIC) determinou a ampliação do espectro de rádio FM nos equipamentos fabricados no Brasil.

O espectro disponível para rádios FM vai aumentar devido à implementação da televisão digital e ao desligamento do sinal analógico de TV, que terá sua frequência de transmissão deixada livre.

Com a portaria, os aparelhos de rádio terão que prever o uso da faixa FM entre 76 e 108 MHz - hoje, a faixa vai de 88 a 108 MHz.

Além do desligamento das transmissões de TV analógica, o país está passando por uma migração das rádios AM para FM.

A expectativa é que os receptores com a faixa de 76 MHz a 108 MHz facilitem essa migração das emissoras de rádio AM, sobretudo nas grandes cidades, onde a faixa de 88 a 108 já está largamente ocupada, sem espaço para a inclusão das novas emissoras.

Até o final do ano, cerca de mil emissoras AM no país terão passado a utilizar o espectro FM, com áudio de melhor qualidade e menos ruído.

Pipa subaquática voará pelas marés para produzir energia

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Cada pipa tem sua própria turbina, que aproveita a velocidade do fluxo da maré - uma espécie de "vento subaquático". [Imagem: Powerkite/Divulgação]

Voando na água

Assim como uma raia manta parece voar pela água, é possível aproveitar as correntes submarinas para empinar uma pipa subaquática.

A ideia é aproveitar a força que esse "vento marítimo" impõe sobre a pipa para gerar eletricidade.

"É uma pipa, e ela é ancorada ao fundo do mar. Em uma maré, temos uma força de elevação: a pressão da água. A asa faz a pipa voar para a frente; ela realmente acelera, então faz girar a turbina. E quando a turbina gira, você produz eletricidade," explicou Heije Westberg, líder de um projeto europeu que está tentando viabilizar mais este conceito de produção de energia limpa.

A equipe já selecionou os materiais que acredita serem resistentes o suficiente e fez simulações computadorizadas para encontrar o melhor design para a pipa submersa.

"A velocidade de fluxo [das marés] difere conforme você olha através das diferentes profundidades na coluna de água. E podemos capturar isso; a pipa tem a flexibilidade para que possamos alterar alguns parâmetros e dizer-lhe para voar a uma altura diferente, dependendo de onde está a melhor velocidade de fluxo da maré," acrescentou Neil Laughlin, membro da equipe.

• Hidrelétricas marinhas para explorar energia das marés

Energia das marés

O próximo passo, que consistirá em identificar os melhores parâmetros de operação, exigirá um teste real usando um protótipo em escala reduzida, que já está pronto.

Esses primeiros testes serão feitos em Strangford Lough, na Irlanda do Norte, onde um braço de mar de 150 quilômetros apresenta uma das maiores amplitudes de maré do mundo, chegando a quatro metros, com a água movimentando-se a até 1,4 metro por segundo.

"O objetivo em si não é voar o mais rápido possível. O objetivo é alcançar a maior quantidade possível de conversão de energia. Se você voar muito rápido, isso vai naturalmente estressar o sistema; você pode ter falhas e quebras, qualquer problema. Então você precisa otimizar a velocidade para a produção de energia," acrescentou a engenheira Heije Westber.

Os testes incorporam um sonar, para que a equipe possa determinar como a vida marinha interage com a pipa subaquática.

Se os testes forem bem-sucedidos, a equipe pretende construir pipas aquáticas de 12 metros de envergadura, cada uma capaz de produzir até 1,6 Gw/hora de eletricidade por ano.

• Turbina que explora energia das marés pronta para ser instalada

Sintetizado um diamante amorfo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

O diamante amorfo também é duro e transparente. [Imagem: Zhidan Zeng]

Diamante amorfo

Diamante e grafite são ambos formados unicamente de carbono. O primeiro é uma das substâncias mais duras que se conhece, enquanto o outro é mole e se desmancha com facilidade, o que permite seu uso como lubrificante.

O que diferencia um do outro é a estrutura cristalina, a forma como os átomos de carbono se organizam. No diamante, eles se arranjam em uma estrutura precisa, que se repete ao longo de todo o cristal. No grafite, não há estrutura cristalina, o que lhe dá o nome de "material amorfo".

Agora, Zhidan Zeng, do centro de pesquisas HPSTAR, na China, especializado em materiais sob alta pressão, sintetizou um material que ela chama de "diamante amorfo".

É um material de carbono, duro como o diamante, mas sem a estrutura cristalina repetitiva. Os átomos de carbono se unem por ligações conhecidas como sp3, típicas do diamante, e não por sp2, típicas do carvão ou do grafite, mas ainda assim criando uma estrutura amorfa.

Outros elementos semelhantes ao carbono - germânio e silício, por exemplo - possuem formas que são inteiramente constituídas de ligações sp3, extremamente fortes, e ainda assim são amorfas. Mas, até agora, uma fase similar de carbono nunca havia sido sintetizada.

• Nova fase do carbono: Diamante a temperatura ambiente

Propriedades incríveis

Zeng conseguiu o feito levando uma forma estruturalmente desordenada do carbono, conhecida como carbono vítreo, a uma pressão 5.000 vezes maior do que a pressão atmosférica (50 gigapascals) e a temperatura de 2.780º C.

A amostra manteve sua mudança estrutural e sua incompressibilidade quando retornou à temperatura e pressão ambientes e exames de espectroscopia demonstraram que o novo material possui ligações de carbono sp3, apesar de ser amorfo e sem a ordem de um cristal.

O material que entrou no experimento (a), carbono vítreo, e o material que saiu (b), diamante amorfo. [Imagem: Zhidan Zeng et al. - 10.1038/s41467-017-00395-w]

"Nosso diamante amorfo é denso, transparente, superforte e potencialmente superduro, com propriedades mais incríveis ainda por descobrir," disse Zeng.

Agora a equipe vai começar uma rodada de experimentos justamente para medir a dureza, força, resistência, estabilidade termal e propriedades ópticas do diamante amorfo.

• Descoberto carbono mais duro que diamante

Bibliografia:

Synthesis of quenchable amorphous diamond
Zhidan Zeng, Liuxiang Yang, Qiaoshi Zeng, Hongbo Lou, Hongwei Sheng, Jianguo Wen, Dean J. Miller, Yue Meng, Wenge Yang, Wendy L. Mao, Ho-kwang Mao
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 322
DOI: 10.1038/s41467-017-00395-w

Músculo artificial levanta 165 vezes seu próprio peso

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

A equipe agora quer fabricar versões maiores, para levantar pesos-pesados. [Imagem: Muharrem Acerce]

Músculo elétrico

Imagine levantar repetidamente 165 vezes seu próprio peso sem derramar uma gota de suor.

Este músculo artificial em microescala faz isto, e faz de forma simples e a um custo baixo.

As pequenas fitas pesam 1,6 miligrama e levantam 265 miligramas usando um décimo da tensão elétrica existente em uma pilha comum.

Neste experimento inicial, cada fita mede 6 centímetros, tem 0,5 centímetro de largura e apenas 3 micrômetros de espessura.

Além da robótica, esses músculos artificiais estão encontrando um campo crescente de usos na biomedicina, como catéteres que se dobram sob comando para andar pelo corpo sem ferimentos, e na aeronáutica, sobretudo nas asas morfológicas, asas que mudam de formato de acordo com a velocidade do avião.

Atuador eletroquímico

Os músculos artificiais são feitos de dissulfeto de molibdênio (MoS₂), um material de ponta na eletrônica, mas que também é utilizado como lubrificante em motores de alto desempenho.

É um material em camadas, como o grafite - formado por folhas de grafeno -, com forte ligação química internamente às camadas, mas com uma ligação fraca entre as camadas. Assim, camadas individuais de MoS₂ podem ser facilmente separadas em folhas finas individuais.

As nanofolhas podem ser montadas em pilhas sobre um material flexível apenas deixando que o solvente no qual estão se evapore. Essas pilhas podem então ser usadas como eletrodos - semelhantes aos das baterias - com alta condutividade elétrica para inserir e remover íons.

A inserção e a remoção de íons leva à expansão e à contração das nanofolhas, resultando em força sobre sua superfície. É esta força que desencadeia o movimento - ou a atuação - do material flexível.

"Esta é uma descoberta importante no campo dos atuadores eletroquímicos. O simples re-empilhamento das folhas atômicas finas de MoS₂ metálico leva a atuadores que podem suportar estresse e tensões comparáveis ou maiores do que outros materiais atuadores," disse Manish Chhowalla, da Universidade Rutgers, nos EUA.

"O próximo passo é ampliar a escala e tentar fazer atuadores que possam mover coisas maiores," finalizou Chhowalla.

Bibliografia:

Metallic molybdenum disulfide nanosheet-based electrochemical actuators
Muharrem Acerce, E. Koray Akdogan, Manish Chhowalla
Nature
DOI: 10.1038/nature23668

Bioeletrônica de plástico coleta sinais neurais

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

As saliências no polímero condutor (micrografia real ao fundo) permitirão melhor eficiência dos chips bioeletrônicos (ilustração em primeiro plano). [Imagem: Milad Khorrami/Mohammad Reza Abidian/University of Houston]

Eletrodos neurais biocompatíveis

Uma nova técnica de fabricação de dispositivos neurais biocompatíveis permite um ajuste mais preciso do desempenho elétrico das sondas neurais - e dispensa o uso de materiais metálicos.

"Há anos os cientistas têm tentado interagir com o sistema nervoso, para diagnosticar doença de Parkinson, epilepsia, esclerose múltipla, tumores cerebrais e outros distúrbios e doenças neurais mais precocemente," disse o professor Mohammad Reza Abidian, da Universidade de Houston, nos EUA. "Em nosso laboratório, criamos micro e nano-dispositivos para nos comunicarmos com os neurônios".

Abidian vem tentando substituir os eletrodos neurais por eletrodos feitos de plástico condutor de eletricidade há vários anos, em busca de melhor eficiência e de biocompatibilidade, uma vez que o cérebro rapidamente envolve os eletrodos como corpos estranhos, fazendo-os perder a capacidade de detectar os sinais elétricos.

• Interface neural interliga cérebros de animais

Vantagens dos eletrodos de polímeros

Agora, a equipe usou técnicas de eletrojateamento e eletrodeposição para fabricar minúsculas saliências no polímero condutor diretamente na superfície da sensor bioeletrônico. Essa possibilidade de controlar com precisão a morfologia da superfície dos eletrodos melhorou muito o desempenho do eletrodo de plástico, sem que ele perdesse sua biocompatibilidade.

"O principal requisito dos dispositivos neurais é fornecer eletrodos de alta densidade que sejam biologicamente compatíveis com o tecido neural, traduzir eficientemente os sinais biológicos em sinais eletrônicos e permanecer funcionais por longos períodos de tempo," escreveu a equipe em seu artigo.

Eles acreditam estar muito próximo disso com seus eletrodos de plástico condutor.

Em comparação com os eletrodos metálicos, os eletrodos de polímeros imitam melhor o tecido biológico em pelo menos quatro maneiras diferentes: suas propriedades mecânicas mais macias simulam as estruturas biológicas; sua condutividade eletrônica/iônica permite uma transdução de sinal mais eficiente; sua transparência permite a utilização simultânea de técnicas de análise óptica; e sua fácil funcionalização com biomoléculas ajuda a configurar e ajustar as respostas biológicas.

• Sinapse artificial multiplica poder dos implantes neurais

Bibliografia:

Conducting Polymer Microcups for Organic Bioelectronics and Drug Delivery Applications
Martin Antensteiner, Milad Khorrami, Fatermeh Fallahianbijan, Ali Borhan, Mohammad Reza Abidian
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201702576

Primeiro robô molecular capaz de construir moléculas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Idealização artística de um nanorrobô molecular. [Imagem: Stuart Jantzen]

Robôs moleculares

Estão prontos os primeiros robôs moleculares do mundo capazes de realizar tarefas básicas, incluindo a construção de outras moléculas.

Os pequenos nanorrobôs podem ser programados para mover cargas moleculares, usando um minúsculo braço robótico, ou para juntar essas cargas para formar novas moléculas e compostos químicos.

Cada nanorrobô individual, composto de apenas 150 átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, é capaz de manipular uma única molécula de cada vez.

Eles operam realizando reações químicas em soluções especiais, soluções estas que podem então ser controladas e programadas para dizer aos robôs quais tarefas eles devem executar.

"Toda a matéria é composta de átomos e estes são os blocos de construção básicos que formam as moléculas. Nosso robô é literalmente um robô molecular construído de átomos, exatamente como você pode construir um robô muito simples de blocos Lego. O robô então responde a uma série de comandos simples que são programados com insumos químicos," detalhou o professor David Leigh, da Universidade de Manchester (Reino Unido).

Esquema de operação dos robôs moleculares. [Imagem: Salma Kassem et al. - 10.1038/nature23677]

Robótica molecular

Ainda é tudo bastante lento, mas é basicamente o mesmo tipo de processo usado para fabricar medicamentos, plásticos e qualquer outro produto químico. Os nanorrobôs são operados adicionando "entradas químicas", substâncias que dizem aos robôs o que fazer e quando, assim como entradas digitais alimentam um programa de computador.

No futuro, esses robôs poderão ser utilizados para fins médicos, em processos avançados de fabricação química seletiva e até mesmo em linhas de montagem industriais.

"A robótica molecular representa o melhor da miniaturização das máquinas. Nosso objetivo é projetar e tornar as máquinas as mais pequenas possíveis. Este é apenas o começo, mas antecipamos que, dentro de 10 a 20 anos, os robôs moleculares começarão a ser usados para construir moléculas e materiais em linhas de montagem em fábricas moleculares," prevê o professor Leigh.

Bibliografia:

Stereodivergent synthesis with a programmable molecular machine
Salma Kassem, Alan T. L. Lee, David A. Leigh, Vanesa Marcos, Leoni I. Palmer, Simone Pisano.
Nature
Vol.: 549 (7672)
DOI: 10.1038/nature23677

Corrente sanguínea é usada para gerar energia

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Microfotografia do nanogerador e seu princípio de funcionamento (direita). [Imagem: Yifan Xu et al. - 10.1002/anie.201706620]

Usina hemoelétrica

Uma hidroelétrica faz a água armazenada em uma represa fluir por canos gigantescos, onde ela é usada para girar as pás de turbinas cujos eixos giram geradores, que finalmente produzem eletricidade.

Yifan Xu, da Universidade Fudan, na China, construiu uma versão nanotecnológica desse princípio, com a diferença de que, em vez de água, a energia é gerada pelo fluxo de sangue - uma usina hemoelétrica.

Como o sangue já está sob pressão em nossas veias e artérias, Xu construiu seu nanogerador fazendo o sangue fluir através de fibras de nanotubos de carbono.

A fibra, com menos de um milímetro de diâmetro, gera eletricidade conforme é envolvida pelo fluxo de uma solução salina - a coisa funciona tanto em um ser vivo como em um tubo de ensaio.

Fibra geradora

O princípio de construção da fibra de nanotubos é bastante simples, com uma porção deles sendo continuamente enrolada em torno de um núcleo de plástico, formando um envoltório de cerca de meio micrômetro.

Além de mecanicamente muito fortes, os nanotubos de carbono são bem conhecidos por serem eletroativos. Assim, para gerar eletricidade, o material só precisa ser imerso em uma solução salina corrente - ou mergulhado repetidamente na solução - e conectado a dois eletrodos para deixar a corrente fluir.

Microfotografia da fibra de nanotubos de carbono, responsável pela geração de eletricidade. [Imagem: Yifan Xu et al. - 10.1002/anie.201706620]

"A eletricidade foi derivada do movimento relativo entre o nanogerador e a solução," explicou a equipe. De acordo com a teoria, cria-se uma camada elétrica dupla em torno da fibra, e então a solução fluente distorce a distribuição simétrica de cargas, gerando um gradiente de eletricidade ao longo do eixo da fibra.

A equipe batizou o aparato de "nanogenerador fluídico em forma de fibra", que vem se juntar à já extensa família de nanogeradores, dispositivos projetados para a colheita de energia do ambiente para alimentar dispositivos de baixo consumo.

A eficiência deste sistema é bastante alta: em comparação com outros tipos de dispositivos de colheita de energia em miniatura, o gerador em forma de fibra apresentou uma eficiência de conversão de potência mais de 20% superior. Outras vantagens são sua elasticidade, facilidade de ajuste e leveza, oferecendo várias perspectivas de aplicações tecnológicas.

Bibliografia:

A One-Dimensional Fluidic Nanogenerator with a High Power Conversion Efficiency
Yifan Xu, Peining Chen, Jing Zhang, Songlin Xie, Fang Wan, Jue Deng, Xunliang Cheng, Yajie Hu, Meng Liao, Bingjie Wang, Xuemei Sun, Huisheng Peng
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.201706620

Nasce uma nova geração de motores para carros elétricos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

O novo motor elétrico é baseado em um princípio de funcionamento diferente daquele dos motores elétricos atuais. [Imagem: Projeto Armeva/Divulgação]

Ímãs sem terras raras

Embora grande parte dos fabricantes de automóveis já tenha anunciado planos para converter seus carros - totalmente ou parcialmente - para versões elétricas, abandonando o centenário motor a combustão, ainda há alguns gargalos para viabilizar uma mudança em larga escala.

A principal delas é que os motores para carros elétricos dependem largamente de ímãs de terras raras. Embora não sejam exatamente raros, esses minerais são difíceis de processar, custam caro e, sobretudo, têm uma oferta reduzida.

É por isso que tem havido um esforço para fabricar ímãs de alto desempenho sem terras raras.

Um desses esforços é o projeto Armeva, financiado pela União Europeia.

"O objetivo que estabelecemos para nós mesmos foi a elaboração de uma solução que não envolva materiais de terras raras, mas que, no entanto, tenha um desempenho pelo menos tão bom quanto os melhores motores elétricos de hoje," disse Saphir Faid, gerente do projeto.

Motor de relutância comutada

Em apenas dois anos, a equipe desenvolveu uma nova tecnologia que, além de cumprir sua proposta de desempenho, mostrou-se factível economicamente.

A solução baseia-se em um princípio diferente do utilizado nos motores elétricos atuais. "A maioria dos motores elétricos no mercado hoje são baseados na força Lorentz," explica Faid. "Eles exploram um princípio pelo qual uma corrente [elétrica] que passa por um condutor colocado sob um campo magnético produzirá uma força perpendicular à corrente e ao campo magnético".

A nova tecnologia se baseia no princípio da relutância, um fenômeno que afeta o fluxo magnético de forma semelhante à da resistência em um circuito elétrico. "Basicamente," explica Faid, "baseia-se no fato de que um objeto em um campo magnético irá alinhar-se de tal forma que o fluxo magnético seja maximizado".

O movimento do objeto que tenta se alinhar ao fluxo pode ser usado para transformar a eletricidade em energia mecânica, e existem várias maneiras de fazer isto. Após uma análise de três métodos particularmente promissores, a equipe do projeto Armeva optou pela relutância comutada. É uma técnica pela qual um rotor gira conforme se ajusta a rápida mudanças no campo magnético, com essas mudanças sendo induzidas eletronicamente para os diferentes pólos do motor de forma síncrona com a posição real e o movimento do rotor.

É uma abordagem com potencial já reconhecido, mas que havia se deparado com alguns problemas sérios, entre eles a complexidade do projeto e do seu controle, além de bastante vibração e ruído.

A equipe afirma ter encontrado maneiras de enfrentar esses problemas e acredita estar muito próximo de viabilizar a tecnologia em escala industrial, tanto do ponto de vista técnico como econômico.

O motor já foi instalado em um carro elétrico e apresentou o mesmo rendimento do motor original. [Imagem: Projeto Armeva/Divulgação]

Conversão de carro elétrico

A demonstração da tecnologia incluiu a substituição do motor de um veículo elétrico comercial por um novo motor construído com a tecnologia Armeva - ambos têm basicamente o mesmo tamanho.

Os resultados foram convincentes, embora a equipe só agora vá entrar na fase de otimização do desempenho do motor e do desenvolvimento da tecnologia de fabricação em escala industrial.

Faid acrescenta que os primeiros contatos com a indústria automobilística já estão em curso: "Ainda estamos avaliando e otimizando essa tecnologia. Despertamos o interesse de vários clientes potenciais, então estamos discutindo possíveis cenários para comercialização com eles."

Feixe de Invisibilidade também funciona como Feixe de Transparência

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Um material normalmente espalha uma onda de luz incidente em todas as direções (em cima). Mas se ele for irradiado com a onda correta, esse feixe pode abrir caminho para uma outra onda de luz vindo direcionalmente (embaixo). [Imagem: TU Wien]

(In)visibilidade

Os já bem-conhecidos mantos da invisibilidade podem estar se aproximando de uma versão 2.0 - melhorada em relação ao tradicional mecanismo feito com metamateriais.

Uma equipe da Universidade Tecnológica de Viena, na Áustria, apresentou uma nova técnica de camuflagem, capaz de esconder objetos, que eles chamaram de "feixe de invisibilidade".

Um material completamente opaco é iluminado de cima com um padrão de onda específico, que faz com que as ondas de luz vindas da esquerda passem através do material sem qualquer obstrução - como se ele fosse transparente, ou como se o objeto não estivesse lá.

Embora seus idealizadores chamem a técnica de "feixe de invisibilidade", ela de fato pode operar ao reverso, como um "feixe de visibilidade", ou "feixe de transparência", que permitirá também ver através de materiais opacos.

Camuflagens ativas

Nomes à parte, este resultado surpreendente abre possibilidades completamente novas para a camuflagem ativa. A ideia pode ser aplicada a diferentes tipos de ondas, devendo funcionar com ondas de luz ou de som, por exemplo. A equipe já está planejando os primeiros experimentos para demonstração do conceito.

"Nós não queremos redirecionar as ondas de luz [como nos metamateriais], nem queremos restaurá-las com telas adicionais. Nosso objetivo é guiar a onda de luz original através do objeto, como se o objeto não estivesse lá. Isso soa estranho, mas com os materiais certos e usando nossa tecnologia de ondas especiais, é de fato possível, disse Andre Brandstötter, um dos criadores da nova técnica.

E a equipe sabe do que está falando: Eles são especializados em sólidos especiais que a luz não vê, já demonstraram uma técnica na qual um laser apaga outro laser e também já criaram camuflagens acústicas.

Testes com som

Quem explica o princípio de funcionamento da técnica é o professor Konstantinos Makris.

"O ponto crucial é bombear energia para o material de forma espacialmente ajustada de modo que a luz seja amplificada exatamente nos lugares certos, ao mesmo tempo permitindo a absorção em outras partes do material. Para conseguir isso, um feixe de luz com exatamente o padrão correto deve ser projetado no material a partir de cima - como de um projetor de vídeo padrão, exceto que com uma resolução muito maior," disse ele.

Se esse padrão corresponder perfeitamente às irregularidades internas do material, que geralmente espalham a luz, então a projeção de cima pode efetivamente desligar a dispersão, e outro feixe de luz que viajar através do material conseguirá passar sem qualquer obstrução, dispersão ou perda.

"Já discutimos com experimentalistas como isso poderia ser feito. Como primeiro passo, podemos testar esta tecnologia com som, em vez de ondas de luz. Experimentalmente, [as ondas de som] são mais fáceis de lidar, e do ponto de vista matemático, a diferença não importa significativamente," anunciou o professor Stefan Rotter.

Bibliografia:

Wave propagation through disordered media without backscattering and intensity variations
Konstantinos G. Makris, Andre Brandstötter, Philipp Ambichl, Ziad H Musslimani, Stefan Rotter
Light Science & Applications
Vol.: 6, e17035
DOI: 10.1038/lsa.2017.35

Eletrônica

Chip transforma relâmpago em trovão para guardar dados

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Esquema de funcionamento (esquerda) e foto do protótipo do chip (direita) que transforma luz em som e vice-versa. [Imagem: Moritz Merklein et al. - 10.1038/s41467-017-00717-y]

Fotônico para sônico

Como fazer processadores que funcionam com luz em vez de eletricidade ainda exigirá um bocado de pesquisas, nasceu a foxônica, que permite a manipulação simultânea de luz e som - basicamente, usa-se a lentidão do som para controlar a luz.

Agora, uma equipe australiana domou a informação digital transportada como ondas de luz transferindo os dados para ondas sonoras - tudo no interior de um circuito integrado.

É a primeira vez que esse nível de controle e miniaturização foi alcançado.

Traduzir informações do domínio óptico para o domínio acústico de forma reversível dentro de um chip é fundamental para o desenvolvimento dos processadores fotônicos: microchips que usam luz em vez de elétrons para processar dados, o que significa que eles gastam pouquíssima eletricidade e praticamente não esquentam.

"Em nosso chip, a informação em forma acústica viaja a uma velocidade cinco ordens de magnitude mais lenta do que no domínio óptico. É como a diferença entre um trovão e um relâmpago," disse a professora Birgit Stiller, da Universidade de Sydney, referindo-se aos aspectos de som e luz do raio.

• Processadores à base de som rivalizam com processadores quânticos

Informações fotônicas

O chip possui duas entradas. Em uma entram os pulsos de luz básicos - a chamada onda portadora -, enquanto na outra porta entram os pulsos de luz representando os dados a serem escritos. Quando atingem um guia de ondas feito de um material chamado calcogeneto, as duas ondas interagem, gerando uma vibração sônica.

Com a interação, aquela porção do chip fica vibrando como se fosse a superfície de um tambor em miniatura, uma vibração condicionada pelos dados contidos na segunda onda de luz. Quando uma outra onda de luz entra no chip, ela interage com o som e retorna com os dados gravados anteriormente.

O retardo criado pela redução na velocidade da luz permite que os dados sejam armazenados e gerenciados no chip por um tempo suficiente para seu processamento, reforço e transmissão posterior na forma de ondas de luz.

"Nosso sistema não se limita a uma largura de banda estreita. Assim, ao contrário dos sistemas anteriores, ele nos permite armazenar e recuperar informações em vários comprimentos de onda simultaneamente, aumentando consideravelmente a eficiência do dispositivo," acrescentou a professora Stiller.

As informações fotônicas - dados contidos em ondas de luz - possuem grandes vantagens em relação à informação eletrônica: a largura de banda é maior, os dados viajam à velocidade da luz e não há calor associado à resistência eletrônica. Além disso, os fótons, ao contrário dos elétrons, são imunes à interferência de radiação eletromagnética.

Bibliografia:

A chip-integrated coherent photonic-phononic memory
Moritz Merklein, Birgit Stiller, Khu Vu, Stephen J. Madden, Benjamin J. Eggleton
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 574
DOI: 10.1038/s41467-017-00717-y

Moritz Merklein et al. - 10.1038/s41467-017-00717-y
Birgit Stiller, Khu Vu, Stephen J. Madden, Benjamin J. Eggleton
Nature Communications