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Você ainda ouvirá falar de um "Vale do Niobato de Silício" Redação do Site Inovação Tecnológica

Você ainda ouvirá falar de um "Vale do Niobato de Silício"

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/01/2018

Microfotografias mostram a precisão obtida em um material que até agora resistia à fabricação de componentes miniaturizados.[Imagem: Mian Zhang et al. - 10.1364/OPTICA.4.001536]

Niobato de Lítio

Você nunca ouviu falar de um "Vale do Niobato de Lítio", mas a revolução em andamento na fotônica já justificaria homenagear esse material, a exemplo do "Vale do Silício", localizado na Califórnia.

O niobato de lítio já é um dos materiais ópticos mais utilizados, conhecido por suas propriedades eletro-ópticas, o que significa que ele pode converter sinais eletrônicos em sinais ópticos de forma eficiente. Os moduladores de niobato de lítio são a espinha dorsal das telecomunicações modernas, convertendo dados eletrônicos em informações ópticas no final dos cabos de fibra óptica.

Mas é notoriamente difícil miniaturizar componentes de alta qualidade feitos com esse material, o que tem sido o grande obstáculo a várias aplicações práticas, que exigem que suas funcionalidades sejam integradas a um chip.

Felizmente, a solução já está nos laboratórios.

"Esta pesquisa desafia o status quo. Nós demonstramos que você pode fabricar componentes de niobato de lítio de alta qualidade - com perda ultrabaixa e elevado confinamento óptico - usando os processos de microfabricação convencionais," disse o professor Marko Loncar, da Universidade de Harvard, nos EUA.

Isto abre portas para a fabricação de circuitos integrados fotônicos ultraeficientes, para a fotônica quântica, a conversão óptica para micro-ondas e muito mais, sobretudo levando em conta que o niobato de lítio tem várias outras propriedades interessantes e curiosas.

Gravação a plasma

A maioria das microestruturas ópticas convencionais é fabricada usando processos de corrosão química ou mecânica. Mas o niobato de lítio é quimicamente inerte, o que significa que o ataque químico está fora de questão.

"Usar litografia química no niobato de lítio é como usar água para remover esmalte das unhas, simplesmente não vai funcionar," explicou Mian Zhang, principal idealizador da nova técnica.

Buscando inspiração em experimentos anteriores feitos com diamante - bem mais duro do que o niobato de lítio - Zhang aprimorou uma técnica de gravação a plasma que se mostrou capaz de esculpir fisicamente ressonadores em filmes finos de niobato de lítio.

A equipe demonstrou que esses guias de onda em nanoescala propagam a luz por uma rota de um metro de comprimento perdendo apenas cerca de metade da potência óptica - em comparação, os componentes atuais de niobato de lítio perdem pelo menos 99% da luz na mesma distância.

A seguir, a equipe pretende preparar a técnica para escalonamento industrial e desenvolver uma plataforma de niobato de lítio para uma ampla gama de aplicações, incluindo comunicação óptica, computação quântica e comunicação e fotônica de micro-ondas.

Bibliografia:

Monolithic ultra-high-Q lithium niobate microring resonator
Mian Zhang, Cheng Wang, Rebecca Cheng, Amirhassan Shams-Ansari, Marko Loncar
Optica
Vol.: 4, 1536-1537
DOI: 10.1364/OPTICA.4.001536

Moléculas giroscópicas formam cristais sólidos cheios de movimento Redação do Site Inovação Tecnológica

Moléculas giroscópicas formam cristais sólidos cheios de movimento

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/01/2018

A molécula gira a até 50 bilhões de RPS (rotações por segundo). [Imagem: Kendall Houk Laboratory/UCLA]

Máquina molecular

Fazer nanomáquinas para atuarem dentro do corpo humano e curarem doenças é uma grande ideia, mas é mais fácil imaginar do que fazer.

Máquinas como geralmente as concebemos dependem de peças móveis rígidas, o que é difícil de fazer com estruturas biológicas, tipicamente moles e macias - e molhadas.

Os cristais sólidos são alternativas interessantes para construir mecanismos. O problema é que as moléculas em seu interior estão tão juntas que não há espaço para qualquer movimento. Isso significa que, apesar de sua força e durabilidade, os cristais têm sido ignorados quanto a qualquer função possível como máquinas moleculares.

Mas isso agora vai mudar, graças a um cristal com moléculas livres, que giram como se fossem giroscópios. O cristal é externamente sólido, mas contém partes móveis em seu interior, o que poderá ser explorado para a fabricação de nanomáquinas.

Anfidinâmico

O novo cristal é a primeira prova de que um único material pode ser ao mesmo tempo estático e móvel - ou anfidinâmico.

"Pela primeira vez, temos um sólido cristalino com elementos que podem se mover tão rápido dentro do cristal quanto o fariam no espaço livre," disse o professor Miguel Garcia Garibay, da Universidade da Califórnia em Los Angeles.

A equipe começou construindo modelos grandes de bússolas e giroscópios, tentando ver como as moléculas deveriam se parecer para poderem se mover. Outras exigências eram que a casca externa onde a molécula se aloja deveria ser forte o suficiente para manter sua forma em torno de uma área de espaço vazio e o componente rotativo deveria ser o mais próximo possível do formato esférico.

Após algumas tentativas e erros, a equipe projetou uma estrutura que funcionou: uma concha metalorgânica contendo íons metálicos e uma estrutura de carbono em torno de uma molécula esférica chamada biciclo-octano. O composto resultante - ácido dicarboxílico 1,4-biciclo [2.2.2]octano, uma estrutura metal-orgânica que os pesquisadores chamaram de BODCA-MOF - comportou-se como um material anfidinâmico.

E não apenas isso. As simulações computacionais do cristal confirmaram o que os experimentos estavam mostrando: as esferas do BODCA giram constantemente a até 50 bilhões de rotações por segundo.

Tendo comprovado que esse mecanismo pode existir, os pesquisadores agora planejam tentar introduzir novas propriedades no composto que permitam que um estímulo elétrico, magnético ou químico altere o movimento das moléculas girantes, permitindo tirar proveito do seu movimento.

Bibliografia:

Ultrafast rotation in an amphidynamic crystalline metal organic framework
Cortnie S. Vogelsberg, Fernando J. Uribe-Romo, Andrew S. Lipton, Song Yang, K. N. Houk, Stuart Brown, Miguel A. Garcia-Garibay
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 114 (52) 13613-13618
DOI: 10.1073/pnas.1708817115

Chips flexíveis são montados como Lego Redação do Site Inovação Tecnológica

Chips flexíveis são montados como Lego

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/01/2018

Equipamento pega os blocos fundamentais (fileira embaixo, em primeiro plano) e os deposita diretamente no substrato flexível (em cima). [Imagem: Sohail F. Shaikh/KAUST]

Eletrônica de montar

Os circuitos eletrônicos, incluindo chips como os processadores de computadores e celulares, são fabricados usando uma técnica chamada litografia, em que feixes de luz são usados para entalhar os componentes em pastilhas de silício.

Uma equipe da Universidade Rei Abdullah, na Arábia Saudita, está propondo uma estratégia bem mais simples e mais versátil para construir sistemas eletrônicos: Fabricar os circuitos integrados a partir de componentes que são montados como se fossem blocos de Lego.

"Essa abordagem plug-and-play é absolutamente disruptiva. Esse método único de montagem cria opções completamente novas para os processos de fabricação desses sistemas eletrônicos," garante o pesquisador Sohail Shaikh.

Embora provavelmente não venha a substituir os processos tradicionais na eletrônica convencional, a técnica é promissora para o emergente campo da eletrônica flexível.

Circuitos moles

Nas fábricas de circuitos integrados, equipamentos de alta precisão alinham e acondicionam milhares de componentes de diferentes tamanhos. Uma vez alinhados, esses componentes são conectados a placas de circuito impresso usando pinos e solda.

Shaikh está de olho no futuro, quando se espera que os circuitos sejam multifuncionais e reconfiguráveis, além de atingir níveis crescentes de miniaturização, o que dificultará muito o alinhamento e a fixação dos componentes. Além disso, os processos atuais são incompatíveis com os aparelhos eletrônicos de vestir e implantáveis, que devem ser flexíveis e feitos de materiais macios, nos quais a técnica de posicionamento preciso não funciona.

Blocos para montar chips

O pesquisador começou convertendo circuitos integrados comercialmente disponíveis em formas geométricas únicas que diferem de acordo com sua função.

Ele então usou uma pastilha tradicional de silício não como base para os entalhes tradicionais, mas para esculpir e extrair componentes de diferentes tamanhos, alturas e angulações, cada formato equivalente a uma das funções identificadas no chip tradicional.

A seguir, ele entalhou sulcos correspondentes à imagem inversa desses componentes em um substrato flexível e mostrou que o chip comercial pode ser replicado montando-se as peças individuais no tabuleiro flexível. Embora se perca em miniaturização - os blocos individuais são grandes - ganha-se em versatilidade e facilidade de montagem.

"Esta abordagem torna a montagem completa simples, fácil e altamente confiável para sistemas eletrônicos convencionais e totalmente flexíveis," disse Shaikh.

Bibliografia:

Modular Lego-Electronics
Sohail F. Shaikh, Mohamed T. Ghoneim, Rabab R. Bahabry, Serjeel M. Khan, Muhammad M. Hussain
Advanced Materials Tecnologies
DOI: 10.1002/admt.201700147

Corrente elétrica é guiada por luz girante Redação do Site Inovação Tecnológica -

Corrente elétrica é guiada por luz girante

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/01/2018

O dispositivo inédito, capaz de pode mudar a direção de uma corrente sem o uso de uma tensão elétrica, foi fabricado com uma película fina de um material isolante topológico chamado seleneto de bismuto, depositado sobre um guia de ondas óptico feito de silício.[Imagem: Siyuan Luo et al. - 10.1038/s41467-017-02264-y]

Fotocorrente

Nas células solares e nos sensores das câmeras fotográficas, a luz gera uma corrente elétrica ao incidir sobre um material semicondutor. Para coletar essa corrente elétrica, chamada fotocorrente, é necessária uma tensão elétrica externa para forçar a corrente a fluir em apenas uma direção.

Siyuan Luo e seus colegas da Universidade de Minnesota, nos EUA, descobriram agora como controlar a direção da fotocorrente sem precisar da tensão elétrica - eles usaram apenas luz.

A corrente é direcionada pelo spin dos fótons, ou seja, pelo modo com que as partículas de luz estão girando - no sentido horário ou no sentido anti-horário. E a fotocorrente resultante também fica polarizada pelo spin, o que significa que há mais elétrons com rotação em uma direção do que na outra.

Isolantes topológicos

A criação deste dispositivo inédito foi possível graças a uma categoria de materiais conhecidos como isolantes topológicos. Neles, e diferente do que acontece nos semicondutores, os elétrons com spins iguais fluem sempre na mesma direção. Esse efeito é chamado de bloqueio de momento-spin - o spin dos elétrons é bloqueado na direção em que viajam.

Curiosamente, disparar um feixe de luz polarizada circularmente em um isolante topológico pode liberar elétrons do seu interior, que então fluem em sua superfície de forma seletiva - por exemplo, luz polarizada no sentido horário libera elétrons com spin para cima e, no sentido anti-horário, libera elétrons com spin para baixo.

Devido a este efeito, a fotocorrente gerada na superfície do material flui espontaneamente em uma direção, não dependendo da aplicação de uma tensão elétrica.

Aplicações práticas

Este novo dispositivo poderá ser usado na próxima geração da microeletrônica, a chamada spintrônica, que usa a rotação dos elétrons como a unidade fundamental de informação. Ele também poderá ser usado para comunicação óptica mais eficiente em data centers.

"O efeito observado é muito forte e robusto em nossos componentes, mesmo a temperatura ambiente e ao ar livre. Portanto, o dispositivo que demonstramos tem um grande potencial para ser implementado na próxima geração de sistemas de computação e comunicação," disse o pesquisador Mo Li.

"Nossa pesquisa une dois campos importantes da nanotecnologia: a spintrônica e a nanofotônica. [Nosso dispositivo] é totalmente integrado com um circuito fotônico de silício que pode ser fabricado em grande escala e vem sendo amplamente utilizado na comunicação óptica em centros de dados," acrescentou seu colega Li He.

Bibliografia:

Spin-momentum locked interaction between guided photons and surface electrons in topological insulators
Siyuan Luo, Li He, Mo Li
Nature Communications
Vol.: 8 (1)
DOI: 10.1038/s41467-017-02264-y

Avião gira as asas de forma independente Redação do Site Inovação Tecnológica -

Avião gira as asas de forma independente

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/01/2018

Modos de voo do drone com asas principais controladas de forma independente.[Imagem: KAIST]

Asas giratórias

Engenheiros coreanos desenvolveram um veículo aéreo capaz de controlar as asas principais de forma independente durante o voo.

O protótipo é um pequeno avião de controle remoto, batizado do Nsphere, mas a equipe está animada com que seus novos conceitos possam chegar aos aviões de grande porte.

"O drone Nsphere pode ser usado em vários campos, incluindo transporte aéreo, veículos aéreos militares, vigilância, gerenciamento geral de segurança e serviços de entrega de logística. O controle separado e independente das asas principais nos dá a chance de empregar técnicas de voo variadas e efetivas. Imagine um caça a jato capaz de fugir de um míssil controlando separadamente as asas principais. Apenas um pouco de controle pode ser suficiente para escapar. Nosso mecanismo de voo é válido em toda a faixa de velocidade de voo," disse o professor Dongsoo Har, do Instituto de Ciências e Tecnologias Avançadas (KAIST) da Coreia do Sul.

A ideia de aviões com asas móveis vem desde o surgimento da aviação, mas tem tropeçado na dificuldade de implementação prática. Talvez por isso os mecanismos de ajuste e controle das asas do drone de demonstração estejam sendo mantidos em segredo pela equipe - mesmo nos vídeos de demonstração as partes móveis estão "censuradas".

Asas rotativas

Os resultados impressionam, com o pequeno avião tirando proveito da eficiência das asas fixas nos voos de cruzeiro e da flexibilidade dos helicópteros nas manobras, uma vez que os motores integrados às asas movem-se juntamente com estas.

Além disso, diferente de outros modelos experimentais já propostos, as duas asas do protótipo movem-se de forma independente, oferecendo grandes ganhos de manobrabilidade.

Um motor adicional na cauda, também móvel, fornece força de elevação extra para a decolagem vertical e força de impulso no voo para a frente. O Nsphere pode mudar o modo de voo no ar de vertical para horizontal e vice-versa. Devido à capacidade das asas rotativas, o avião pode decolar e pousar verticalmente sem pista e sem equipamentos auxiliares, como catapultas.

O drone decola e voa horizontalmente e verticalmente, podendo alternar entre os dois modos no ar. [Imagem: KAIST]

Redesenho da fuselagem

O grande desafio que a equipe parece ter vencido foi separar inteiramente as asas principais da fuselagem. Para isso são usados suportes que sustentam as asas principais - um suporte penetra nas duas asas, enquanto dois outros prendem as asas individualmente.

Segundo a equipe é possível aplicar esta tecnologia em aviões de grande porte incluindo a fuselagem como parte do suporte para as asas móveis. Parte da fuselagem teria que ser redesenhada e integrada com as asas principais, acoplando a estrutura à fuselagem principal para suportar a sustentação e a pressão do ar.

Antes disso, porém, eles esperam que drones feitos com esse conceito possam atender aos projetos de entrega de pequenos pacotes, como os da Amazon, e mesmo projetos maiores, como o lançado conjuntamente pela NASA e Uber no final do ano passado.

Tabela Periódica Monoatômica - Um guia para sintetizar materiais 2D Redação do Site Inovação Tecnológica -

Tabela Periódica Monoatômica - Um guia para sintetizar materiais 2D

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/01/2018

Pelo menos 45 metais podem dar origem a materiais similares ao grafeno. [Imagem: J. Nevalaita/University of Jyväskylä]

Atlas dos materiais monoatômicos

Quando, passada a surpresa da descoberta do grafeno, começaram a surgir similares, como fosforeno, estaneno, germaneno e siliceno, ficou claro que estávamos vendo apenas a ponta do icebergue dos materiais unidimensionais.

E, para explorar um novo mundo, nada melhor do que um mapa, afirmam Janne Nevalaita e Pekka Koskinen, da Universidade Jyvaskyla, na Finlândia.

A dupla estudou elemento por elemento da tabela periódica e calculou quais deles podem teoricamente dar origem a materiais na forma de monocamadas atômicas estáveis. O resultado é o que eles chamam de um "atlas" com as propriedades teóricas desses materiais bidimensionais, que podem ser formados por uma série de elementos metálicos - pelo menos 45.

Guia para sintetizar materiais 2D

O atlas traz informações essenciais para os físicos e químicos sintetizarem esses materiais.

Para cada um deles, a dupla calculou as principais propriedades relacionadas à estrutura e resistência mecânica: comprimento médio das ligações químicas, energia coesiva (uma medida da força de ligação da rede atômica) e módulo de massa (uma medida de compressibilidade).

Para cada metal 2D foram analisadas três possíveis configurações de rede cristalina - hexagonal, quadrada e favo de mel -, identificando aquelas que provavelmente levarão a folhas monoatômicas mais fortes e estáveis, que não sejam propensas a se dobrar.

Os cálculos sugerem que as propriedades de cada material 2D são herdadas da versão 3D do mesmo metal e, portanto, podem ser calculadas a partir das propriedades do metal 3D através de extrapolação linear - mas isso terá que ser testado na prática, eventualmente levando a futuros ajustes no atlas.

Bibliografia:

Atlas for the properties of elemental two-dimensional metals
Janne Nevalaita, Pekka Koskinen
Vol.: 97, 035411
DOI: 10.1103/PhysRevB.97.035411

Imitando metais transparentes no espaço Com informações da ESA

Imitando metais transparentes no espaço

Com informações da ESA -  18/01/2018

Esta imagem mostra como pode se comportar uma liga metálica conforme ela se solidifica - usando um material transparente para imitar os metais.[Imagem: E-USOC]

Melhorando as ligas metálicas

Os astronautas da Estação Espacial Internacional começaram a realizar um experimento que poderá dar uma nova perspectiva sobre como as ligas metálicas são fabricadas.

A maioria dos metais utilizados hoje são misturas de diferentes elementos - as ligas - , combinando propriedades de cada metal para produzir materiais mais leves e mais fortes.

Contudo, assim como fazer um bolo, o resultado depende de mais do que simplesmente adicionar os ingredientes certos: a fusão dos metais é influenciada pelas temperaturas do forno e pelo processo de aquecimento e resfriamento - alguns metais são até mesmo postos em centrífugas na busca da liga perfeita.

Metais transparentes

A ideia do experimento no espaço é observar como o processo de mistura dos metais funciona sem a gravidade, uma vez que as características estruturais de cada liga dependem de como os minúsculos grânulos dos metais se cristalizam e se interfaceiam.

O problema é que, naturalmente, os metais não são transparentes, sendo difícil ver o que está acontecendo no seu interior conforme as condições do processo são alteradas.

Testes vêm sendo feito a bordo de foguetes de sondagem, em que os metais são fundidos enquanto equipamentos de raios X verificam o que está ocorrendo no interior das ligas. Mas esses experimentos são limitados a 13 minutos sem gravidade de cada vez, e os raios X não revelam tudo.

Por isso os pesquisadores associados à Agência Espacial Europeia (ESA) tiveram uma ideia interessante: usar substitutos para os metais, cuidadosamente escolhidos para serem transparentes e se solidificarem de forma parecida com um metal.

Curiosamente, esses substitutos foram encontrados entre materiais orgânicos: succinonitrilo, D-cânfora e neopentilglicol.

• Técnica supersônica gera filme de metal transparente

Foto do forno que foi enviado ao espaço e está sendo usado nos experimentos. [Imagem: E-USOC]

Paciência de astronauta

O material foi levado à Estação Espacial por uma nave Dragon no último dia 18 de dezembro, juntamente com um reator em miniatura que mais parece uma torradeira. Esse forno Bridgman é semelhante a um forno rolante usado em fábricas e restaurantes de comidas rápidas.

Os cartuchos com os materiais orgânicos imitadores de metais passam pelo elemento de aquecimento a um ritmo agonizantemente lento: eles demoram mais de dois dias para percorrer 1 mm, de forma que o experimento levará várias semanas - para alívio dos astronautas, tudo funciona de forma automática.

Duas câmeras de vídeo gravam continuamente o processo de fusão e mesclagem dos materiais, enviando os dados para a equipe em terra.

De posse dos resultados, os engenheiros tentarão então refazer cada situação promissora identificada no experimento - na forma de perfis de aquecimento e resfriamento - usando metais de verdade e verificando se é possível obter os mesmos ganhos de força, tenacidade, flexibilidade e leveza obtidos com os materiais orgânicos. Futuramente esses testes com metais de verdade também poderão ser refeitos na Estação Espacial, para comparação dos resultados.

• Cientistas descobrem um metal transparente

Músculos artificiais superfortes agora com autocicatrização Redação do Site Inovação Tecnológica -

Músculos artificiais superfortes agora com autocicatrização

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/01/2018

Os músculos artificiais macios podem ser configurados para agarrar objetos delicados ou duros e pesados.[Imagem: Keplinger Lab/University of Colorado Boulder]

Robótica macia

Uma nova classe de atuadores macios e flexíveis, mas acionados eletricamente, está-se mostrando capaz de imitar de forma mais fiel a expansão e a contração dos músculos naturais.

Esses músculos artificiais flexíveis, que podem ser construídos a partir de uma ampla gama de materiais de baixo custo, são capazes de apresentar a auto-sensação de seus próprios movimentos e de se autoconsertar, representando um grande avanço na chamada "robótica macia".

Assim, a próxima geração de robôs, em vez dos droides metálicos comumente vistos na ficção, poderão ser feitos de materiais moles e flexíveis, mais parecidos com os sistemas biológicos. Tais robôs macios têm um grande potencial para aplicações por poderem se adaptar a ambientes dinâmicos e mais adequados para interagir de perto com os seres humanos.

Músculos artificiais biomiméticos

Um desafio central no campo da robótica macia é a falta de atuadores, ou músculos artificiais, que possam replicar a versatilidade e o desempenho dos músculos biológicos reais.

A equipe do professor Christoph Keplinger, da Universidade do Colorado, que vem trabalhando há alguns anos com máquinas moles e atuadores inspirados nos músculos humanos, criou agora o que eles chamam de HASEL, sigla em inglês para atuadores eletrostáticos autocicatrizantes hidráulicos.

As estruturas macias e flexíveis reagem à tensão elétrica com uma ampla gama de movimentos, capazes de substituir os supridos pelos tradicionais pistões e motores, bem maiores e mais pesados, usados pelos robôs convencionais.

Os protótipos usados para demonstrar a tecnologia realizam uma variedade de tarefas, incluindo agarrar objetos delicados, como uma framboesa e um ovo cru, bem como levantar objetos pesados.

A pequisadora Madeline King ressalta a capacidade de autocicatrização dos materiais usados para fabricar os músculos artificiais macios. [Imagem: Glenn Asakawa/Universidade do Colorado Boulder]

De beija-flores a elefantes

"Nós podemos fabricar hoje esses dispositivos por cerca de dez centavos. Os materiais são de baixo custo, escaláveis e compatíveis com as atuais técnicas de fabricação industrial," disse o pesquisador Nicholas Kellaris.

A equipe acredita que seus músculos artificiais também possam ter aplicação em uma próxima geração de membros protéticos.

"Buscamos inspiração nas capacidades surpreendentes dos músculos biológicos," disse o professor Keplinger. "Os atuadores HASEL sinergizam as forças dos atuadores eletrostáticos fluídicos e macios e, assim, combinam a versatilidade e o desempenho como nenhum outro músculo artificial antes deles. Assim como o músculo biológico, os atuadores HASEL podem reproduzir a adaptabilidade do braço de um polvo, a velocidade de um beija-flor e a força de um elefante."

Bibliografia:

Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators with muscle-like performance
E. Acome, S. K. Mitchell, T. G. Morrissey, M. B. Emmett, C. Benjamin, M. King, M. Radakovitz, C. Keplinger
Science
Vol.: 359, Issue 6371, pp. 61-65
DOI: 10.1126/science.aao6139

Peano-HASEL actuators: Muscle-mimetic, electrohydraulic transducers that linearly contract on activation
Nicholas Kellaris, Vidyacharan Gopaluni Venkata, Garrett M. Smith, Shane K. Mitchell, Christoph Keplinger
Science Robotics
Vol.: 3, Issue 14, eaar3276
DOI: 10.1126/scirobotics.aar3276

Chip que funciona dentro d'água impulsiona bioeletrônica Redação do Site Inovação Tecnológica

Chip que funciona dentro d'água impulsiona bioeletrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/01/2018

Estes são os primeiros "CMOS eletroquímicos" do mundo. [Imagem: Thor Balkhed]

Bioeletrônica

Pesquisadores suecos desenvolveram os primeiros circuitos de lógica eletroquímica que podem funcionar de forma estável por longos períodos na água.

Este é um avanço altamente significativo no desenvolvimento da bioeletrônica, que promete a integração da lógica às coisas vivas usando circuitos integrados químicos.

Os primeiros transistores eletroquímicos orgânicos foram criados em 2002, e então o campo, conhecido como eletrônica orgânica, ou eletrônica de plástico, progrediu rapidamente. Vários componentes eletrônicos orgânicos, como diodos emissores de luz e monitores eletrocrômicos já estão no mercado.

O material dominante usado até agora tem sido o PEDOT:PSS, que é um semicondutor plástico tipo p (positivo), no qual os portadores de carga são lacunas. Para construir componentes eletrônicos reais, contudo, é necessário um material complementar, tipo n (negativo), no qual os portadores de carga sejam elétrons.

Contudo, tem sido difícil encontrar um material polimérico suficientemente estável, que possa operar em meio aquoso e no qual longas cadeias poliméricas possam suportar altas correntes.

Eletrônica flexível e orgânica

Hengda Sun e seus colegas da Universidade Linkoping desenvolveram uma técnica que permitiu criar filmes grossos de BBL - poli(benzimidazobenzofenantrolina) -, um material muito usado nas pesquisas com células solares de plástico. Sua característica básica é que, quanto mais espesso o filme, maior a condutividade.

Usando a técnica de revestimento por pulverização, a equipe conseguiu fabricar filmes de até 200 nanômetros de espessura, que alcançam condutividades elevadas o suficiente para aplicações práticas. Além disso, os circuitos funcionam por longos períodos, tanto na presença de oxigênio como de água.

A técnica também poderá ser usada para imprimir circuitos eletrônicos em grandes superfícies plásticas flexíveis e transparentes.

As aplicações dos componentes orgânicos incluem circuitos lógicos que podem ser impressos em tecidos ou papel, vários tipos de sensores de baixo custo, telas flexíveis e - não menos importante - para o enorme campo da bioeletrônica. Isto porque os polímeros conduzem íons e elétrons, estabelecendo a ponte necessária entre os sistemas biológicos, que funcionam com base em íons, e a eletrônica tradicional, que funciona com base em elétrons.

Bibliografia:

Complementary logic circuits based on high-performance n-type organic electrochemical transistor
Hengda Sun, Mikhail Vagin, Suhao Wang, Xavier Crispin, Robert Forchheimer, Magnus Berggren, Simone Fabiano
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201704916

Massa negativa traz nova forma de gerar laser Redação do Site Inovação Tecnológica

Massa negativa traz nova forma de gerar laser

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/01/2018

A luz confinada interage com uma camada atômica de semicondutor para criar partículas com massa negativa.[Imagem: Michael Osadciw/University of Rochester]

Massa negativa

A quase totalidade dos objetos reage de maneira previsível quando uma força é aplicada a eles. Mas, recentemente, descobriu-se que é possível criar objetos com massa negativa, objetos que reagem exatamente do modo oposto ao que você esperaria - você tenta atraí-los e eles vão para a frente, você tenta empurrá-los e eles vão na sua direção.

Agora, físicos conseguiram criar partículas com massa negativa no interior de um material semicondutor de espessura atômica, fazendo-o interagir com luz confinada em uma microcavidade óptica - o mesmo sistema usado em larga escala para criar raios laser.

"Isso por si só é interessante e entusiasmante da perspectiva da física. Mas também resulta que o dispositivo que criamos apresenta uma maneira de gerar luz laser com uma quantidade incrementalmente pequena de energia," contou o professor Nick Vamivakas, da Universidade de Rochester, nos EUA.

Trava o cérebro

O dispositivo consiste em dois espelhos que criam uma microcavidade óptica, que confina fótons de diferentes cores, dependendo do quanto os espelhos estão espaçados entre si.

Sajal Dhara e Chitraleema Chakraborty então incorporaram o semicondutor disseleneto de molibdênio, com espessura de uma única camada atômica, dentro da microcavidade. O semicondutor foi colocado de tal forma que sua interação com a luz resulta na criação de quasipartículas chamadas excitons, que então se combinam com os fótons da luz para formar outras quasipartículas, chamadas polaritons.

"Fazendo com que um exciton desista de parte de sua identidade para um fóton, para criar uma polariton, ficamos com um objeto que tem uma massa negativa associada a ele. Isso trava o cérebro só de pensar, porque se você tentar empurrá-lo ou puxá-lo, ele irá na direção oposta do que sua intuição indica," explicou Vamivakas.

• Conheça o excitonium, novo estado da matéria finalmente comprovado

Laser e física básica

Embora as aplicações práticas ainda tenham que ser desenvolvidas, o dispositivo é fundamentalmente um laser funcionando em escala subatômica, o que deverá atrair a atenção de vários grupos de pesquisas, por exemplo, no campo dos circuitos integrados fotônicos.

E há também as implicações da criação de uma massa negativa para a física, algo que ainda está longe de ser totalmente compreendido. "Estamos idealizando meios de aplicar empurrões e puxões - talvez aplicando um campo elétrico ao longo do dispositivo - e depois estudar como esses polaritons se movem no dispositivo sob aplicação de força externa," adiantou Vamivakas.

Bibliografia:

Anomalous dispersion of microcavity trion-polaritons
Sajal Dhara, Chitraleema Chakraborty, K. M. Goodfellow, Liangyu Qiu, Trevor A. O’Loughlin, Gary W. Wicks, Subhro Bhattacharjee, A. N. Vamivakas
Nature Physics
DOI: 10.1038/nphys4303

HELLBLOG

HELLBLOG

O chip mais frio do mundo Redação do Site Inovação Tecnológica

O chip mais frio do mundo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  10/01/2018

O pequeno chip, pouco antes do seu resfriamento recorde. [Imagem: University of Basel/Department of Physics]

Recorde de temperatura mais baixa

Os cientistas também gostam de competir para atingir recordes, e é por isso que numerosos grupos de trabalho em todo o mundo estão usando refrigeradores de alta tecnologia para alcançar temperaturas tão próximas do zero absoluto quanto possível - o zero absoluto corresponde a 0 kelvin ou -273,15 °C.

Uma equipe da Universidade da Basileia, na Suíça, conseguiu agora resfriar um chip nanoelétrico para a temperatura de meros 2,8 milésimos de Kelvin (milikelvin).

Mas não é meramente uma competição: Os físicos querem esfriar coisas o mais próximo do zero absoluto possível porque essas temperaturas extremamente baixas oferecem as condições ideais para experiências quânticas e permitem examinar fenômenos físicos inteiramente novos.

• Alcançada temperatura abaixo do zero absoluto

Refrigeração magnética

O novo recorde de resfriamento para um objeto sólido de dimensão macroscópica foi possível graças a uma combinação bem-sucedida de dois sistemas de refrigeração, ambos baseados na refrigeração magnética.

O resfriamento magnético se baseia no fato de que um sistema perde temperatura quando um campo magnético aplicado externamente é atenuado paulatinamente, enquanto qualquer fluxo de calor externo é evitado. Mas o calor da magnetização precisa ele próprio ser removido com outro método para se obter um resfriamento magnético eficiente.

No passo inicial, todas as conexões elétricas do chip foram levadas a uma temperatura de 150 microkelvin - ou seja, uma temperatura já inferior a um milésimo de grau em relação ao zero absoluto. A equipe então integrou um segundo sistema de refrigeração diretamente no próprio chip, e também colocou um termômetro de bloqueio Coulomb sobre ele, que funciona como uma barreira e é insensível a campos magnéticos.

"A combinação dos dois sistemas de refrigeração nos permitiu esfriar o nosso chip abaixo de 3 milikelvin, e estamos otimistas do que podemos usar o mesmo método para atingir o limite mágico de 1 millikelvin," disse o professor Dominik Zumbühl, coordenador da equipe.

Também foi notável o fato de que a equipe tenha conseguido manter essas temperaturas extremamente baixas por um período de sete horas. Isso é tempo suficiente para realizar vários experimentos que ajudarão a entender melhor as propriedades da física quântica.

• Refrigeração óptica promete geladeiras a laser

Bibliografia:

On-and-off chip cooling of a Coulomb blockade thermometer down to 2.8 mK
M. Palma, C. P. Scheller, D. Maradan, A. V. Feshchenko, M. Meschke, Dominik M. Zumbühl
Applied Physics Letters
Vol.: 111, 253105
DOI: 10.1063/1.5002565

Fios reconfiguráveis evitarão que processadores fiquem obsoletos Redação do Site Inovação Tecnológica -

Fios reconfiguráveis evitarão que processadores fiquem obsoletos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  11/01/2018

Os experimentos dos componentes reconfiguráveis foram feitos no material ferroelétrico manganeto de érbio (ErMnO3).[Imagem: Megan Holtz/Dennis Meier/Emily Falco]

Hardware atualizável

Que tal atualizar, em vez de substituir, circuitos eletrônicos obsoletos no interior dos chips?

Se esta tecnologia já estivesse disponível, enfrentar o recém-descoberto e desastroso bug em todos os processadores de computador do mundo seria uma tarefa bem mais rápida e mais barata.

A boa notícia é que hardwares verdadeiramente reconfiguráveisnão são mais assunto de ficção, conforme demonstraram Julia Mundy e seus colegas da Universidade de Cornell, nos EUA.

Julia construiu seu circuito reconfigurável tirando proveito das propriedades eletrônicas incomuns das paredes de domínio, as interfaces entre materiais com diferentes tipos de ordenamento elétrico.

Aplicar uma tensão elétrica a uma interface dessas permite alterar o ordenamento elétrico, fazendo com que as paredes do domínio se movam.

Isto significa que as paredes podem ser construídas, movidas e apagadas sob demanda, permitindo usá-las para construir os componentes dos circuitos eletrônicos reconfiguráveis.

Usando nanofios, a equipe conseguiu criar "canais" para o fluxo de elétrons medindo apenas um nanômetro de diâmetro, o que significa que a tecnologia atinge patamares de miniaturização bem maiores do que a alcançada pelo estágio atual da tecnologia de silício.

A aplicação de uma tensão altera reversivelmente o canal de isolante para condutor, o que pode ser usado como os 0s e 1s de uma memória ou as chaves básicas de um transístor

A equipe promete a seguir a construção de um transístor no qual a porta será a própria parede de domínio.

Bibliografia:

Functional electronic inversion layers at ferroelectric domain walls
Julia A. Mundy, J. Schaab, Y. Kumagai, A. Cano, M. Stengel, I. P. Krug, D. M. Gottlob, H. Doganay, M. E. Holtz, R. Held, Z. Yan, E. Bourret, C. M. Schneider, D. G. Schlom, D. A. Muller, R. Ramesh, N. A. Spaldin, D. Meier
Nature Materials
Vol.: 16, 622
DOI: 10.1038/NMAT4878

Primeiro passo rumo a robôs do tamanho de células robos-celulares -

Primeiro passo rumo a robôs do tamanho de células

robos-celulares -  12/01/2018

Os exoesqueletos das nanomáquinas estão prontos - falta agora colocar carga útil a bordo. [Imagem: Marc Miskin/Cornell University]

Robôs de tamanho celular

Uma equipe da Universidade de Cornell, nos EUA, criou um exoesqueleto em escala microscópica que pode mudar rapidamente de forma ao detectar mudanças químicas ou térmicas em seu ambiente.

Uma vez equipadas com cargas eletrônicas, fotônicas e químicas - algo que ainda não foi feito - essas máquinas em microescala poderão se tornar uma plataforma para a robótica na escala de tamanho dos microrganismos biológicos.

"É um primeiro passo em direção aos robôs de tamanho celular," disse o pesquisador Marc Miskin citando como possibilidades máquinas de dimensões celulares que mudam de formato, conduzem eletricidade e fazem sensoriamento ambiental.

"Nós estamos tentando construir o que você pode chamar de 'exoesqueleto' para a eletrônica," disse seu colega Paul McEuen. "Hoje, você já pode fazer pequenos chips de computador que fazem um bocado de processamento de informações... mas eles não sabem como se mover ou fazer com que algo se dobre".

"Você pode colocar o poder computacional da nave espacial Voyager em um objeto do tamanho de uma célula. A partir daí, aonde você vai para fazer explorações?" ajuntou Itai Cohen, membro da equipe.

Bimorfo

Bem, vamos aos fatos.

O exoesqueleto microscópico consiste em estruturas que se movem usando um mecanismo chamado bimorfo. Um bimorfo é formado pela junção de dois materiais - neste caso, grafeno e vidro - que se dobram sob a ação de um estímulo como calor, uma reação química ou uma tensão elétrica.

A mudança de forma ocorre porque, no caso do calor, dois materiais com diferentes respostas térmicas expandem-se em diferentes extensões devido à mesma mudança de temperatura. Como consequência, o bimorfo se curva para aliviar a tensão, permitindo que uma camada se alongue mais do que a outra.

No caso do grafeno e do vidro, os bimorfos também se dobram em resposta a estímulos químicos, conduzindo íons para o vidro, fazendo com que ele se expanda. Normalmente essa atividade química ocorre apenas na borda externa do vidro submerso em água ou algum outro fluido iônico. Como os bimorfos têm apenas alguns nanômetros de espessura, o vidro é basicamente todo borda externa, o que o torna particularmente reativo.

Adicionando painéis planos e rígidos, que não podem ser dobrados pelos bimorfos, os pesquisadores conseguiram fazer com que a flexão ocorra apenas em locais específicos, criando dobras. Com este conceito, eles criaram uma variedade de estruturas dobráveis, de tetraedros (pirâmides triangulares) até cubos.

Enchendo a casca

Os bimorfos são fabricados usando deposição de camada atômica, "pintando" quimicamente camadas atômicas de dióxido de silício (vidro) sobre alumínio. A seguir, uma camada de grafeno é depositada por via úmida na parte superior do vidro.

Uma das nanomáquinas foi descrita pela equipe como sendo "três vezes maior do que um glóbulo vermelho e três vezes menor do que um neurônio grande" quando dobrada.

Falta agora embutir uma carga útil - eletrônica, química ou fotônica - nos exoesqueletos para que eles cumpram as promessas feitas pela equipe.

Bibliografia:

Graphene-based bimorphs for micron-sized, autonomous origami machines
Marc Z. Miskin, Kyle J. Dorsey, Baris Bircan, Yimo Han, David A. Muller, Paul L. McEuen, Itai Cohen
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1712889115

Rede neural vai adivinhar palavra antes que você fale Redação do Site Inovação Tecnológica

Rede neural vai adivinhar palavra antes que você fale

Redação do Site Inovação Tecnológica -  10/01/2018

As redes neurais com reservatório simplificam drasticamente o processo de treinamento, que pode levar meses nas redes convencionais. [Imagem: Chao Du et al. - 10.1038/s41467-017-02337-y]

Rede neural de memoristores

As redes neurais feita com memoristores - componentes eletrônicos que retêm uma memória do que lhes ocorreu anteriormente - prometem melhorar dramaticamente a eficiência do aprendizado de máquina, da inteligência artificiale dos computadores neuromórficos, que trabalham de forma mais parecida com o cérebro humano.

Uma demonstração de que isso está mais perto da realidade do que se imagina acaba de ser dada por Chao Du e seus colegas da Universidade de Michigan, nos EUA.

Eles construíram uma rede neural em hardware, chamada "sistema de computação de reservatórios", que consegue prever palavras e números que virão a seguir em um texto escrito - e o próximo passo será prever palavras antes que elas sejam ditas durante a conversação normal entre duas pessoas.

Sistemas de computação de reservatórios, que melhoram a capacidade de uma rede neural típica e reduzem o tempo de treinamento necessário, já foram criados no passado usando componentes ópticos grandes. Usar memoristores, componentes que podem ser fabricados em nanoescala, significa que o sistema pode ser facilmente integrado nos chips eletrônicos atuais com o mesmo nível de miniaturização.

Rede neural de reservatório

Inspiradas no cérebro, as redes neurais são compostas por neurônios, ou nós, e sinapses, as conexões entre os nós.

Para treinar uma rede neural para que ela execute uma tarefa, a rede é submetida a um grande número de questões e as respectivas respostas a essas questões. Uma vez treinada, uma rede neural pode então responder perguntas para as quais ela não sabe a resposta de antemão - por exemplo, identificar um rosto humano em uma imagem.

Os sistemas de computação de reservatórios construídos com memoristores, no entanto, podem dispensar a maior parte do processo de treinamento porque o componente mais crítico do sistema - o reservatório - não requer treinamento.

Quando um conjunto de dados é inserido no reservatório, o próprio reservatório identifica características relevantes nos dados e as entrega em um formato mais simples para uma segunda rede. Esta segunda rede só precisa de treinamento como as redes neuronais mais simples, alterando os pesos das características que a primeira rede lhe passou até atingir um nível aceitável de erro.

Protótipo do chip contendo uma rede neural com 88 sinapses feitas com memoristores. [Imagem: Chao Du et al. - 10.1038/s41467-017-02337-y]

Previsão de conversas

As vantagens desse aprendizado simplificado são tão mais significativas quanto mais complicada é a tarefa a ser executada. Por exemplo, identificar um rosto em uma imagem é uma tarefa relativamente fácil, enquanto aprender como uma pessoa entabula uma conversa real é muito mais complexo porque as variações são radicais e imensamente mais variadas.

Usando apenas 88 memoristores, a equipe conseguiu treinar a rede neural para que ela identificasse numerais escritos a mão com 91% de precisão.

O próximo passo será prever não palavras escritas, mas faladas. "Nós podemos fazer predições em linguagem falada natural, de forma que você não precisa falar a palavra toda. Nós podemos na verdade predizer o que você planeja dizer a seguir," garante o professor Wei Lu.

Enquanto construir um tradutor simultâneo é ainda um sonho para um futuro distante, os pesquisadores planejam usar sua rede neural para filtrar ruídos em sinais de telecomunicações, como a estática em transmissões de rádio, produzindo um fluxo mais limpo de dados. "Ela poderá também predizer e gerar um sinal de saída mesmo se o sinal de entrada for interrompido," prometeu Lu.

Bibliografia:

Reservoir computing using dynamic memristors for temporal information processing
Chao Du, Fuxi Cai, Mohammed A. Zidan, Wen Ma, Seung Hwan Lee, Wei D. Lu
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 2204
DOI: 10.1038/s41467-017-02337-y