Célula híbrida mistura artificial e biológico Redação do Site Inovação Tecnológica

Célula híbrida mistura artificial e biológico

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/03/2018

"Esta é uma mudança de paradigma na forma como pensamos sobre maneiras de criar células artificiais." [Imagem: Yuval Elani et al. - 10.1038/s41598-018-22263-3]

Células artificiais vivas

Células vivas e não-vivas foram, pela primeira vez, fundidas de uma maneira que lhes permite trabalhar em conjunto.

O sistema encapsula células biológicas dentro de uma célula artificial, aproveitando a capacidade natural das células biológicas para processar produtos químicos, enquanto a célula artificial as protege do meio ambiente.

Este sistema pode levar a aplicações que incluem baterias celulares alimentadas por fotossíntese, síntese de medicamentos dentro do corpo e sensores biológicos capazes de suportar condições severas.

Até agora, o projeto de células artificiais envolvia pegar partes da maquinaria das células biológicas - como as enzimas que dão suporte às reações químicas - e colocá-las em recipientes artificiais. Esta nova demonstração vai um passo adiante ao encapsular células inteiras em recipientes artificiais.

Células híbridas sintético-biológicas

Para criar as células híbridas sintético-biológicas, Yuval Elani e seus colegas do Imperial College de Londres usaram microfluídica, direcionando líquidos através de pequenos canais no interior de biochips. Usando água e óleo, que não se misturam, eles conseguiram produzir gotículas de um tamanho definido contendo as células e as enzimas biológicas. Elani então aplicou um revestimento artificial às gotículas para fornecer proteção, criando um ambiente celular artificial.

As células artificiais também encapsulam enzimas que funcionam em conjunto com as células biológicas para produzir novos compostos químicos. No experimento de demonstração, as células artificiais produziram um composto químico fluorescente que permitiu que os pesquisadores confirmassem que tudo estava funcionando conforme esperado.

Microfotografia das células híbridas biológico-artificiais. [Imagem: Yuval Elani et al. - 10.1038/s41598-018-22263-3]

Biomimetismo

"As células biológicas podem desempenhar funções extremamente complexas, mas podem ser difíceis de controlar quando tentamos aproveitar um aspecto específico. As células artificiais podem ser programadas mais facilmente, mas nós ainda não conseguimos construir muita complexidade.

"Nosso novo sistema supera o hiato entre essas duas abordagens fundindo células biológicas inteiras com células artificiais, de modo que a maquinaria de ambas trabalha em conjunto para produzir o que precisamos. Esta é uma mudança de paradigma na forma como pensamos sobre maneiras de criar células artificiais, o que ajudará a acelerar a pesquisa em aplicações nos cuidados de saúde e além," disse o professor Oscar Ces, coordenador da equipe.

Para melhorar a funcionalidade das células artificiais híbridas, o próximo passo será ajustar o revestimento artificial para que ele funcione de forma mais parecida com uma membrana biológica, mas com funções especiais ajustáveis.

Bibliografia:

Constructing vesicle-based artificial cells with embedded living cells as organelle-like modules
Yuval Elani, Tatiana Trantidou, Douglas Wylie, Linda Dekker, Karen Polizzi, Robert V. Law, Oscar Ces
Nature Scientific Reports
Vol.: 8, Article number: 4564
DOI: 10.1038/s41598-018-22263-3

Parente pouco conhecido do laser prestes a sair dos laboratórios Redação do Site Inovação Tecnológica

Parente pouco conhecido do laser prestes a sair dos laboratórios

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/03/2018

A equipe já havia usado o delicado oscilador paramétrico tradicional para criar um novo tipo de computador, chamado Máquina Ising - agora o aparato todo poderá caber na palma da mão. [Imagem: L.A. Cicero/Stanford]

Alternativa ao laser

Um tipo alternativo de luz pode custar menos e ser mais eficiente do que os raios laser em aplicações muito especiais.

Usados nas mais variadas aplicações, como corte e soldagem, cirurgia e transmissão de bits através de fibras ópticas, ainda assim os lasers têm algumas limitações, entre elas a de que apenas produzem luz em intervalos de comprimento de onda limitados.

Já os chamados osciladores ópticos paramétricos, tipos especiais de amplificadores de luz, têm uma emissão muito mais ampla, mas são grandes, caros, exigem um tedioso trabalho de alinhamento toda vez que são usados e não são muito eficientes.

Marc Jankowski, da Universidade de Stanford, superou esses inconvenientes desenvolvendo uma técnica nova para obter o mesmo resultado.

Oscilador óptico paramétrico

Em um oscilador óptico paramétrico, pulsos de um laser tradicional são passados através de um cristal especial e convertidos em uma faixa de comprimento de onda que é difícil de se gerar com os lasers convencionais. Então, uma série de espelhos refletem os pulsos de luz continuamente, formando um circuito de realimentação. Quando esse loop é sincronizado com os pulsos de laser de entrada, os pulsos recém-convertidos se combinam para formar uma saída cada vez mais forte.

O que Jankowski e seus colegas fizeram foi aumentar radicalmente a eficiência com que os fótons do laser de entrada são aproveitados para gerar a saída. E, curiosamente, eles conseguiram isto não melhorando os espelhos, mas reduzindo sua reflexividade.

Ao tornar os espelhos menos reflexivos e alongar o circuito de realimentação, o tempo que leva para que os pulsos de luz completem o loop aumentou, o que equivale a uma diminuição da sua velocidade. E esse tempo de retardo, combinado com a menor reflexividade dos espelhos, fez com que os pulsos interagissem de maneiras inesperadas, o que os põe de volta em sincronia com seus parceiros que estão entrando no circuito.

Essa sincronização inesperada mais do que dobrou a largura de banda da saída, o que significa que ela pode emitir um intervalo mais largo de comprimentos de onda que é difícil de gerar com lasers convencionais, e sem exigir os precisos alinhamentos do equipamento tradicional.

Esquema da nova técnica de geração de luz amplificada. [Imagem: Marc Jankowski et al. - 10.1103/PhysRevLett.120.053904]

Usos práticos dos osciladores paramétricos

Para aplicações práticas, como a detecção de moléculas no ar ou na respiração de uma pessoa, fontes de luz com maior largura de banda podem identificar moléculas com mais precisão. Em princípio, os pulsos que o novo sistema produz podem ser comprimidos em até 18 femtossegundos, o que pode ser usado para estudar o comportamento das moléculas.

Antes desta otimização radical, esse parente do laser já foi usado para demonstrar técnicas inovadoras de computação, sistemas de múltiplos qubitspara computação quântica e amplificadores para reforçar os sinais captados por telescópios - todas essas aplicações têm a ganhar com a simplificação da técnica.

"Você conversa com pessoas que trabalharam com esta tecnologia nos últimos 50 anos e elas são muito céticas quanto às suas aplicações na vida real porque pensam nesses ressonadores como arranjos delicados difíceis de alinhar e que requerem muita manutenção," comentou o pesquisador Alireza Marandi. "Mas, neste regime de operação, esses requisitos são super relaxados e a fonte é super confiável e não precisa do cuidado extensivo exigido pelos sistemas padrão."

A equipe agora pretende colocar o sistema todo em um dispositivo que caiba na palma da mão.

Bibliografia:

Temporal Simultons in Optical Parametric Oscillators
Marc Jankowski, Alireza Marandi, C. R. Phillips, Ryan Hamerly, Kirk A. Ingold, Robert L. Byer, and M. M. Fejer
Physical Review Letters
Vol.: 120, 053904
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.053904

Laser desmistura líquidos Redação do Site Inovação Tecnológica

Laser desmistura líquidos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/03/2018

Mais do que a separação dos líquidos, o processo promete controlar a formação de cristais a partir das misturas líquidas. [Imagem: Finlay Walton/Klaas Wynne]

Fabricação de cristais

Pesquisadores da Universidade de Glasgow, na Escócia, conseguiram um feito inusitado: separar dois líquidos em uma mistura usando apenas luz.

Essa técnica cria novas maneiras de manipular a matéria e, mais especificamente, vai facilitar a fabricação de cristais para a indústria.

A produção de cristais dos mais diversos materiais é essencial em ciência e tecnologia, uma vez que os cristais são usados em computadores, celulares, medicamentos, tintas, lâmpadas, células solares e uma infinidade de outras aplicações.

No entanto, fabricar o tipo certo de cristal é difícil. Mesmo com tantas aplicações, hoje ainda não temos capacidade para controlar completamente o processo de cristalização, o que acaba gerando problemas e prejuízos nos processos industriais. Era justamente esse problema que a equipe estava abordando quando desenvolveu a técnica de desmisturar líquidos.

Desmisturando líquidos com laser

Finlay Walton e Klaas Wynne usaram um laser para manipular flutuações associadas com o chamado ponto crítico, o que lhes permitiu dirigir o sistema - os dois líquidos misturados - rumo a um estado de separação de fases.

A técnica é similar às conhecidas pinças ópticas, em que a luz de um ou mais feixes de laser são usados para manipular partículas.

A diferença é que a energia do laser é usada para gerar gradientes de concentração dos dois líquidos. A energia recebida do laser produz um potencial de energia livre que força a separação de fase, separando os líquidos, ou aciona a nucleação de uma nova fase, ou seja, o início do processo de formação de um cristal a partir da substância sendo manipulada.

"Em nossos experimentos, usamos uma mistura simples de dois líquidos e um diodo laser de potência relativamente baixa para sugar um dos líquidos da mistura. Então é um pouco como fazer uma xícara de chá, misturar um pouco de leite e, em seguida, usar um laser para sugar o leite de volta. Pode parecer realmente contra-intuitivo, mas tudo está dentro das leis da física," garante o professor Wynne.

"Estes são os primeiros passos rumo a uma compreensão completa do papel que as flutuações críticas desempenham na nucleação dos cristais. Nosso objetivo é obter controle total sobre a nucleação, incluindo o tipo de cristal que é produzido," acrescentou Walton.

Bibliografia:

Control over phase separation and nucleation using a laser-tweezing potential
Finlay Walton, Klaas Wynne
Nature Chemistry
DOI: 10.1038/s41557-018-0009-8

Partícula quântica envia e recebe dados ao mesmo tempo Redação do Site Inovação Tecnológica

Partícula quântica envia e recebe dados ao mesmo tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/03/2018

Alice e Bob são remetente e destinatário ao mesmo tempo. [Imagem: Francesco Massa et al. (2018)]

Comunicação bidirecional simultânea

Classicamente, a informação viaja apenas em uma direção, do remetente ao receptor.

No reino da mecânica quântica, não.

Flavio Del Santo e Borivoje Dakic, da Universidade de Viena, na Áustria, demonstraram teórica e experimentalmente que os fótons podem transportar informações simultaneamente nas duas direções, algo que é "proibido" pelas leis da física clássica.

Para isso, explica a dupla, basta usar uma partícula quântica que tenha sido colocada em uma superposição de dois locais diferentes. Estar em uma superposição quântica significa que a partícula estará "simultaneamente presente" na localização do remetente e do destinatário - nessa superposição de espaço, é mais ou menos como se houvesse um buraco de minhoca entre as duas partículas, permitindo que elas "decidam" onde vão ficar, embora ninguém saiba como é feita essa comunicação entre partículas superpostas.

Portanto, ambos os parceiros podem codificar suas mensagens em uma única partícula quântica ao mesmo tempo e enviá-la.

"Considere o cenário mais simples, onde dois usuários, Alice e Bob, querem trocar um simples bit de informação, ou seja, 0 ou 1. Eles codificam seus respectivos bits (mensagens) ao mesmo tempo, diretamente no estado de superposição de uma partícula quântica. Uma vez que a informação está codificada, os usuários enviam suas 'partes de partícula quântica' um para o outro," explicou Dakic.

• Causalidade quântica questiona sequência de causa e efeito

Esquema do experimento que comprovou a possibilidade da intercomunicação simultânea. [Imagem: Francesco Massa et al. (2018)]

Comunicação segura e anônima

Entre os dois usuários, é necessário colocar um dispositivo chamado divisor de feixes.

"Com base na mensagem que a partícula carrega, quando ela atinge o dispositivo, ela salta de volta para Alice ou Bob de forma determinística. Mais precisamente, o dispositivo unitário orienta a partícula de um 'modo inteligente', de forma que, no final, Alice e Bob recebem o bit (mensagem) que foi enviado para eles. Por exemplo, se a partícula chegar a Alice, ela saberia que o bit de Bob era exatamente o oposto do seu bit e vice-versa," detalhou Dakic.

Então, ambos enviam e recebem uma mensagem na mesma quantidade de tempo que demoraria para enviar uma mensagem unidirecional usando uma partícula clássica.

Com base em seus experimentos usando fótons, a equipe garante que esse tipo de comunicação tem como vantagens adicionais ser seguro e anônimo - um espião que capturar a partícula quântica no meio do caminho não saberá dizer quem é o remetente e quem é o destinatário e sua ação será denunciada imediatamente porque a partícula será alterada, quebrando a superposição.

Bibliografia:

Two-way communication with a single quantum particle
Flavio Del Santo, Borivoje Dakic
Physical Review Letters
Vol.: 120, 060503
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.060503
https://arxiv.org/abs/1706.08144

Experimental two-way communication with one photon
Francesco Massa, Amir Moqanaki, Flavio Del Santo, Borivoje Dakic, Philip Walther
https://arxiv.org/abs/1802.05102

Mecanoquímica de precisão faz reação simplesmente apertando reagentes Redação do Site Inovação Tecnológica

Mecanoquímica de precisão faz reação simplesmente apertando reagentes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/03/2018

Os reagentes são pressionados entre duas faces de diamante, atingindo pressões altíssimas. [Imagem: Peter Allen/UC-Santa Barbara]

Mecanoquímica de precisão

A mecanoquímica, uma nova ferramenta para a química verde, não precisa ser feita somente em grande escala dentro de moinhos barulhentos.

Ela também pode ser feita "nanotecnologicamente", como uma química de precisão, lidando com quantidades-traço de materiais e mesmo com moléculas.

Foi o que demonstraram Hao Yan e seus colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, que produziram reações químicas usando "bigornas moleculares" de diamante, o mesmo tipo de aparato usado para simular as condições do núcleo dos planetase fabricar materiais superduros.

Reação química induzida mecanicamente

As moléculas que se deseja reagir são colocadas entre as faces de dois diamantes cuidadosamente polidos da bigorna, que então são submetidos a pressões altíssimas. A força mecânica faz com que as moléculas sejam apertadas e giradas até que as ligações químicas se quebrem e os átomos troquem elétrons.

Esta é a primeira vez que as reações químicas são produzidas unicamente por pressão mecânica, garante a equipe.

E uma reação induzida mecanicamente tem potencial para gerar produtos inteiramente diferentes do que quando os mesmos ingredientes são manipulados por calor, luz ou corrente elétrica, além de poder ser seletiva.

"Nós podemos usar bigornas moleculares para desencadear mudanças em um ponto específico de uma molécula, protegendo as áreas que não queremos mudar, e isso cria muitas possibilidades novas," disse Yan.

O processo também é mais eficiente em termos de energia porque não precisa de calor ou solventes.

Bigorna de diamante desmontada. [Imagem: Dawn Harmer/SLAC]

Pressão via parafuso

A bigorna de diamante tem o tamanho de uma xícara de café e pode submeter os reagentes a pressões de 500 gigapascals, mais ou menos metade da pressão existente no núcleo da Terra.

E não é preciso usar pistões hidráulicos gigantescos para isso: basta ir apertando alguns parafusos.

"Pressão é força por unidade de área, e estamos comprimindo uma pequena quantidade de amostra entre as pontas de dois pequenos diamantes, cada um deles pesando apenas cerca de um quarto de quilate [0,05 grama]. Então você só precisa de uma quantidade mínima de força para alcançar altas pressões," contou a professora Wendy Mao.

Lado prático

Nas primeiras demonstrações da técnica foram usados aglomerados de enxofre e cobre - partículas minúsculas constituídas por oito átomos - ligados a outra molécula rígida chamada carborano.

Quando a pressão ficou alta o suficiente, as ligações atômicas no aglomerado se quebraram. Mais do que isso, os elétrons passaram dos átomos de enxofre para os átomos de cobre, formando cristais puros de cobre, algo que não teria ocorrido em reações convencionais induzidas pelo calor.

"Estamos interessados agora em ver como a pressão pode afetar uma ampla gama de materiais tecnologicamente interessantes, de supercondutores, que transmitem eletricidade sem perdas, até perovskitas, que têm muito potencial para células solares de próxima geração. Uma vez que entendamos o que é possível de um ponto de vista científico muito básico, poderemos pensar sobre o lado mais prático," disse Mao.

Bibliografia:

Sterically controlled mechanochemistry under hydrostatic pressure
Hao Yan, Fan Yang, Ding Pan, Yu Lin, J. Nathan Hohman, Diego Solis-Ibarra, Fei Hua Li, Jeremy E. P. Dahl, Robert M. K. Carlson, Boryslav A. Tkachenko, Andrey A. Fokin, Peter R. Schreiner, Giulia Galli, Wendy L. Mao, Zhi-Xun Shen, Nicholas A. Melosh
Nature
Vol.: volume 554, pages 505-510
DOI: 10.1038/nature25765

Gotas programáveis inauguram microfluídica digital Redação do Site Inovação Tecnológica -

Gotas programáveis inauguram microfluídica digital

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/03/2018

A microfluídica digital dispensa os microcanais dos biochips. [Imagem: Jimmy Day/MIT]

Gotas programáveis

Pesquisadores do MIT desenvolveram um hardware que usa campos elétricos para mover gotículas de soluções químicas ou biológicas sem contato ao longo de uma superfície, misturando-as de diversas maneiras, uma tecnologia que deverá permitir testar milhares de reações químicas ou bioquímicas em paralelo.

A técnica é uma alternativa aos dispositivos microfluídicos hoje usados na pesquisa biológica, em que as soluções são bombeadas através de canais microscópicos conectados por válvulas mecânicas, compondo os chamados biochips.

Todo o movimento das gotículas é controlado computacionalmente, o que permite que os experimentos sejam realizados de forma mais eficiente, econômica e em escalas maiores.

"Os sistemas microfluídicos tradicionais usam tubos, válvulas e bombas. Bombas, válvulas e tubos rapidamente se tornam complicados. [Em um biochip] que construímos, levamos uma semana para montar 100 conexões. Digamos que você vá de uma escala de 100 conexões para uma máquina com um milhão de conexões. Você não conseguirá montar isso manualmente," compara o pesquisador Udayan Umapathi.

Gotas controladas eletricamente

No novo sistema, as gotículas são depositadas sobre uma superfície e movidas automaticamente e de forma seletiva por campos elétricos para realizar os experimentos.

O sistema inclui um software que permite que o usuário descreva, em um alto nível de generalidade, os experimentos que deseja realizar. O programa então calcula os caminhos das gotículas na superfície e coordena o tempo das operações sucessivas.

Como a superfície do aparelho é hidrofóbica, as gotículas depositadas sobre ele naturalmente tendem a assumir uma forma esférica. Energizar um eletrodo puxa a gota para baixo, achatando-a. Se o eletrodo abaixo de uma gotícula achatada for gradualmente desligado, enquanto o eletrodo ao lado dele é gradualmente ligado, o material hidrofóbico irá dirigir a gota para o eletrodo carregado.

A movimentação de gotículas requer altas tensões, entre 95 e 200 volts. Mas, 300 vezes por segundo, um eletrodo carregado se alterna entre um sinal de alta tensão e baixa frequência (1 kilohertz) e um sinal de alta frequência (200 kilohertz) de 3,3 volts. O sinal de alta frequência permite que o sistema determine a localização de uma gota usando essencialmente a mesma tecnologia das telas sensíveis ao toque.

A superfície pode ser fabricada de acordo com projetos específicos ou ser genérica, deixando tudo a cargo do software. [Imagem: Udayan Umapathi/MIT]

Microfluídica digital

Se a gota não estiver se movendo rapidamente, o sistema aumenta automaticamente a tensão do sinal de baixa frequência. Com base nos sinais elétricos, o sistema também pode estimar o volume de uma gota, o que, juntamente com informações de localização, permite rastrear o progresso de uma reação.

Umapathi acredita que essa "microfluídica digital" permitirá reduzir drasticamente o custo dos procedimentos experimentais comuns na biologia industrial. As empresas farmacêuticas, por exemplo, realizam muitos experimentos em paralelo, utilizando robôs equipados com dúzias ou mesmo centenas de pipetas. Tudo isso poderá ser feito sobre a superfície plana de forma totalmente controlada por software.

Nanocostura une materiais monoatômicos e faz LED multicor Redação do Site Inovação Tecnológica

Nanocostura une materiais monoatômicos e faz LED multicor

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/03/2018

Os materiais monoatômicos são costurados durante o processo de fabricação, criando um cristal único.[Imagem: Courtesy Park et al]

O segredo está na interface

Embora fale-se muito do silício, do germânio e de outros materiais essenciais para a eletrônica, os físicos sempre destacaram que as coisas realmente interessantes - e úteis - ocorrem na interface dos materiais que se juntam para compor os dispositivos eletrônicos.

Por isso, muitos pesquisadores começaram a coçar a cabeça com a atual onda dos materiais monoatômicos, como o grafeno e seus assemelhados: Como criar interfaces de forma controlável em materiais formados por uma única camada de átomos?

Saien Xie, juntamente com uma equipe das universidades de Chicago e Cornell, nos EUA, já tem a resposta para essa indagação.

Xie criou uma maneira de "costurar" duas camadas de materiais monoatômicos. Quanto mais perfeita fica a costura, mais facilmente os elétrons conseguem transitar pela interface, algo que é essencial para o uso desses materiais em componentes eletrônicos e em células solares.

Costura atômica

Unir materiais diferentes produz as famosas heterojunções - os elementos mais fundamentais nas células solares, LEDs e nos chips de computador. Mas juntar cristais - redes rígidas de átomos, que podem ter espaçamentos muito diferentes - não é uma tarefa fácil quando esses cristais têm apenas um átomo de espessura.

Xie venceu o desafio identificando a janela perfeita nas quais as condições para sintetizar os dois materiais se equivalem, permitindo que os dois sejam fabricados ao mesmo tempo. Isso gera uma transição suave nos pontos onde as duas redes cristalinas se juntam - uma rede se estende ou cresce para se enquadrar à outra, não deixando buracos ou outros defeitos.

As costuras atômicas são tão apertadas que, quando vistas por um microscópio eletrônico de varredura, percebe-se que o maior dos dois materiais penetra um pouco em torno da junção.

LED plano com configuração de cor

Para testar a técnica, a equipe construiu um diodo, um componente eletrônico fundamental que permite que a corrente elétrica flua apenas numa direção, mas não noutra. De forma um tanto surpreendente, o diodo brilhou, mostrando que os materiais permitem que ele funcione como um diodo emissor de luz - um LED.

"Foi entusiasmante ver esses LED de três átomos de espessura brilhando. Vimos um excelente desempenho - o melhor já relatado para esses tipos de materiais," disse Xie. Entusiasmante mesmo, porque hoje os LEDs são fabricados empilhando camadas de materiais, e essa tecnologia de costura atômica permitirá fabricá-los planos, o que ajuda muito na miniaturização e barateia o processo.

A equipe também constatou que esticar ou comprimir o componente altera suas propriedades ópticas - a cor que o LED emite - devido aos efeitos mecânicos quânticos. Isso sugere um potencial para fabricar sensores de luz e LEDs que possam ser ajustados para detectar e emitir cores diferentes, ou tecidos sensíveis à deformação que mudam de cor à medida que estão esticados.

• Nanocostura une folhas de grafeno e outros enos

Bibliografia:

Coherent, atomically-thin transition-metal dichalcogenide superlattices with engineered strain
Saien Xie, Lijie Tu, Yimo Han, Lujie Huang, Kibum Kang, Ka Un Lao, Preeti Poddar, Chibeom Park, David A. Muller, Robert A. DiStasio Jr., Jiwoong Park
Science
Vol.: 359, Issue 6380, pp. 1131-1136
DOI: 10.1126/science.aao5360

Diamante guarda informação quântica por horas Redação do Site Inovação Tecnológica

Diamante guarda informação quântica por horas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/03/2018

Nos defeitos de nitrogênio na rede do cristal de diamante, um átomo de nitrogênio (amarelo) induz também uma ausência de um átomo de carbono (branco).[Imagem: TUWien]

Centros de nitrogênio

Os diamantes são importantes para a computação quântica não apenas para realizar cálculos, mas também para armazenar informações.

E eles agora conseguem guardar os dados de forma estável por períodos extremamente longos, na escala de horas, resolvendo uma das maiores dificuldades nessa área, que é a rápida perda dos dados, que são guardados em estados quânticos extremamente frágeis.

Thomas Astner, da Universidade de Viena, na Áustria, usou diamantes fabricados industrialmente - e não as caras gemas usadas em joias - nos quais são inseridos pequenos defeitos, chamados "vacâncias de nitrogênio", no meio da estrutura cristalina de átomos de carbono do diamante.

Inseridos por irradiação, os átomos de nitrogênio substituem um átomo de carbono da rede atômica e, para ficarem lá, eles deslocam um outro átomo de carbono, deixando um espaço livre. O átomo de nitrogênio e o espaço vazio podem então assumir diferentes estados, cada um representando um bit diferente.

Essa tecnologia é bem conhecida e vem sendo explorada há muito tempo, mas até agora se acreditava que tempo de retenção da informação nesse centro de nitrogênio seria muito curto.

Usando um ressonador na faixa de micro-ondas desenvolvido especialmente para o estudo de tecnologias quânticas, Astner descobriu que não é bem assim ao estudar em detalhes o mecanismo pelo qual o calor causa a perda da informação quântica.

O ressonador de micro-ondas com o diamante no meio - por causa dos defeitos na sua rede cristalina, o diamante é preto. [Imagem: TUWien]

Dados guardados no diamante

A chave para guardar os dados por longos períodos parece estar tanto nas dimensões, quanto no processo de geração das vacâncias de nitrogênio.

"Enquanto outros materiais [nanodiamantes fabricados por outras equipes] exibem vibrações na rede [atômica] que podem levar rapidamente à perda das informações armazenadas, o acoplamento da informação quântica às vibrações da rede é muito fraco nos [nossos] diamantes e a energia pode ser armazenada por horas," disse Astner.

O efeito foi obtido em diamantes fabricados pela equipe em colaboração com a equipe do professor Junichi Isoya, da Universidade de Tsukuba, no Japão. Ele foi irradiado com elétrons ao longo de vários meses para gerar tantos defeitos de vacâncias de nitrogênio quanto possível sem apresentar outros efeitos prejudiciais - a equipe do professor Isoya está também tentando usar átomos de silício para produzir os qubits no diamante, em lugar dos átomos de nitrogênio.

O recorde de armazenamento quântico neste diamante chegou a 8 horas.

"A informação nos chips D-RAM de uma memória comum do computador é muito menos estável. A energia é perdida em algumas centenas de milissegundos, o que significa que a informação deve ser atualizada constantemente," comparou o professor Johannes Majer.

• Disco de diamante regravável guarda dados em 3D

Bibliografia:

Solid-state electron spin lifetime limited by phononic vacuum modes
Thomas Astner, J. Gugler, A. Angerer, S. Wald, S. Putz, N. J. Mauser, M. Trupke, H. Sumiya, S. Onoda, J. Isoya, J. Schmiedmayer, P. Mohn, Johannes Majer
Nature Materials
DOI: 10.1038/s41563-017-0008-y

Esponja de madeira suporta 10.000 ciclos de compressão Redação do Site Inovação Tecnológica

Esponja de madeira suporta 10.000 ciclos de compressão

Redação do Site Inovação Tecnológica -  14/03/2018

A madeira é transformada em uma pilha de folhas de carbono que não se quebram quando comprimidas (embaixo), voltando repetidamente ao formato original. [Imagem: University of Maryland]

Espuma de madeira

A madeira pode ser convertida diretamente em uma esponja de carbono capaz de suportar repetidos ciclos de compressão e outras condições mecânicas extremas.

E esta nova esponja de carbono de madeira supera vários fatores limitantes de outras esponjas leves e compressíveis porque é mais simples, mais barata de ser produzida e mais ambientalmente amigável.

Isto a torna de interesse em uma ampla gama de aplicações, incluindo baterias, filtros para tratamento de água e componentes eletrônicos.

"Nossos resultados revelam que a [madeira] rígida e incompressível pode se tornar altamente compressível por um processo de tratamento químico e carbonização, resultando em uma esponja de carbono com compressibilidade mecânica, resistência à fadiga e sensibilidade à resposta elétrica que ultrapassa os dos materiais carbonáceos compressíveis mais conhecidos," disse o professor Liangbing Hu, da Universidade de Maryland, nos EUA.

Esponja de carbono

A arquitetura flexível e resiliente da esponja de carbono de madeira foi obtida usando produtos químicos comuns para destruir a hemicelulose rígida e as fibras de lignina que mantêm a estrutura normal da parede celular da madeira. Em seguida, a madeira assim tratada é aquecida até 1.000º C, para transformar o material orgânico em carbono puro, de forma muito similar à fabricação de carvão vegetal.

A espuma de carbono é leve como um aerogel: Aqui ela é suportada por sementes de dente-de-leão. [Imagem: Chen et al.]

O efeito líquido do processo é colapsar as unidades regulares e retangulares típicas da microestrutura da madeira e substituí-las por uma pilha de folhas de carbono semelhantes a arcos, onduladas e interligadas, que os pesquisadores comparam a um híbrido entre uma mola e um favo de mel.

Enquanto outras esponjas de carbono fabricadas até agora - como o aerogel de carbono - se transformam em pó com um simples apertar de dedos, o novo material suportou até 10.000 ciclos de compressão antes de se deformar.

"Nosso processo de criação da esponja de carbono é exclusivo porque preservamos a estrutura da madeira. Isso torna a esponja altamente compressível e resistente ao estresse. Isso significa que o desempenho da nossa esponja de carbono de madeira é um dos melhores entre todos os materiais carbonáceos leves e compressíveis já relatados," disse o pesquisador Chaoji Chen.

Para demonstrar a versatilidade do material - além das suas propriedades mecânicas - os pesquisadores incorporaram uma fatia da espuma de madeira em um protótipo de sensor de deformação adequado para se ligar a um dedo humano, uma qualidade desejável para uso em aparelhos de monitoramento da saúde e de práticas esportivas.

• Madeira superdura supera o aço e iguala titânio

Bibliografia:

Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge
Chaoji Chen, Jianwei Song, Shuze Zhu, Yiju Li, Yudi Kuang, Jiayu Wan, Dylan Kirsch, Lisha Xu, Yanbin Wang, Tingting Gao, Yilin Wang, Hao Huang, Wentao Gan, Amy Gong, Teng Li, Jia Xie, Liangbing Hu
Chem
Vol.: 4, Issue 3, 8 March 2018, Pages 544-554
DOI: 10.1016/j.chempr.2017.12.028

Chip dedicado promete disseminar inteligência artificial Redação do Site Inovação Tecnológica

Chip dedicado promete disseminar inteligência artificial

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/03/2018

O chip torna possível rodar redes neurais potentes em aparelhos portáteis, como celulares. [Imagem: Chelsea Turner/MIT]

Redes neurais

Os avanços mais recentes nos sistemas de inteligência artificial, como programas de reconhecimento de fala e de faces, nasceram graças às redes neurais, densas malhas interligadas de processadores simples que aprendem a realizar tarefas analisando grandes conjuntos de dados, em um processo chamado treinamento.

Mas as redes neurais são grandes e seus cálculos são intensivos em energia, de forma que essa tecnologia ainda não é prática para aparelhos portáteis - a maioria dos aplicativos de smartphones que dependem de redes neurais simplesmente manda os dados para servidores de internet, que os processam e enviam os resultados de volta para o celular.

Agora, Avishek Biswas e Anantha Chandrakasan, do MIT, desenvolveram um processador dedicado que aumenta a velocidade dos cálculos de uma rede neural de três a sete vezes em relação aos seus predecessores, reduzindo o consumo de energia de 94 a 95%.

Isso torna mais prático executar redes neurais localmente em celulares ou mesmo incorporá-las em eletrodomésticos que não dependam de conexões contínuas, como ocorre com os gadgets tocadores de música e reconhecimento de voz que vêm ganhando mercado.

Processador dedicado para redes neurais

A grande demanda das redes neurais está no movimento dos dados entre o processador e a memória. Como os algoritmos de aprendizagem de máquina fazem cálculos intensamente, essa transferência de dados é responsável pela maior parte do consumo de energia.

Biswas e Chandrakasan trabalharam justamente na simplificação da computação nesses algoritmos. No seu processador, os valores de entrada de cada nó da rede neural são convertidos em tensões elétricas e depois multiplicados pelos pesos apropriados. Somente as tensões combinadas são convertidas de volta em uma representação digital e armazenadas para processamento posterior.

O chip pode então calcular os produtos para múltiplos nós - 16 de cada vez, no protótipo - em um único passo, em vez de deslocá-los entre o processador e a memória para cada computação.

Uma das inovações chave do sistema é que todos os pesos são 1 ou -1. Isso significa que eles podem ser implementados dentro da própria memória como chaves simples, que fecham um circuito ou o deixam aberto.

Os cálculos teóricos sugerem que redes neurais treinadas desta forma, com apenas dois pesos, devem perder pouca precisão - algo entre 1 e 2 por cento.

Brasileiros propõem termoelétrico baseado em férmions de Majorana Com informações da Agência Fapesp

Brasileiros propõem termoelétrico baseado em férmions de Majorana

Com informações da Agência Fapesp -  16/03/2018

Esquema do dispositivo: os majoranas aparecem como ηA e ηB nas extremidades do fio de Kitaev. [Imagem: L. H. S. Ricco et al. - 10.1038/s41598-018-21180-9]

Majoranas

Em março de 1938, o jovem físico Ettore Majorana desapareceu misteriosamente, em um caso que abalou a comunidade científica. O episódio - que já virou livro, foi assunto de vários documentários e permanece até hoje sem explicação - ocorreu no ano seguinte ao da principal contribuição de Majorana à ciência.

Com apenas 30 anos, Majorana apresentou a hipótese de uma partícula que teria a si mesma como antipartícula. E sugeriu que o neutrino, recém-postulado por seu professor Enrico Fermi e Wolfgang Pauli, poderia ser essa partícula.

Oito décadas depois, os chamados férmions de Majorana, ou simplesmente majoranas, constituem um dos objetos mais estudados da Física. Além dos neutrinos - cuja natureza, como majoranas ou não, é um dos alvos do megaexperimento Dune - uma outra classe, não de partículas fundamentais, mas de quasipartículas ou partículas aparentes, tem sido investigada. Essas quasipartículas de Majorana podem emergir como energizações em supercondutores topológicos.

Agora, pesquisadores brasileiros estão à frente de uma proposta de aparelho que poderá tirar proveito dos férmions de Majorana. O conceito do novo dispositivo foi desenvolvido por Luciano Henrique Ricco e Antônio Carlos Seridônio, da Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Ilha Solteira.

"Propusemos, teoricamente, um dispositivo que atua como sintonizador termoelétrico, isto é, um sintonizador de calor e carga, assistido por férmions de Majorana," disse Seridônio, cuja equipe também já havia proposto um mecanismo para detectar os férmions de Majorana.

Termoelétrica quântica

O dispositivo é constituído por um ponto quântico, que pode ser entendido como um átomo artificial, posicionado entre dois contatos metálicos, estando os dois em temperaturas diferentes - a diferença de temperatura é fundamental para que possa ocorrer condução de energia térmica através do ponto quântico.

Um fio supercondutor quase unidimensional, conhecido como fio de Kitaev, é conectado ao átomo artificial. Esse fio de Kitaev, que neste projeto possui a forma de uma ferradura, hospeda dois majoranas, que emergem como excitações caracterizadas por modos de energia zero.

"Quando o ponto quântico é acoplado apenas a um dos lados do fio, o sistema passa a ter um comportamento ressonante em relação às condutâncias elétrica e térmica. Ou seja, passa a se comportar como um filtro termoelétrico", explicou Seridônio. "É importante ressaltar que esse comportamento de filtro de energia térmica e de energia elétrica ocorre quando os dois majoranas se enxergam, por meio do fio, mas apenas um deles enxerga o ponto quântico na conexão."

A equipe também descobriu uma forma de fazer o ponto quântico enxergar os dois majoranas ao mesmo tempo, conectando ambas as pontas do fio de Kitaev ao átomo artificial. "Fazendo o [ponto quântico] enxergar mais η1 ou mais η2, isto é, variando a assimetria do sistema, é possível utilizar o átomo artificial como um sintonizador, com a energia, térmica ou elétrica, que transita por ele sendo desviada para o vermelho ou para o azul," disse Seridônio.

A expectativa da equipe é que sua proposta teórica possa contribuir para o desenvolvimento de dispositivos termoelétricos baseados em férmions de Majorana, a exemplo do que ocorreu recentemente, quando uma equipe sueca usou as partículas de Majorana como qubits.

Bibliografia:

Tuning of heat and charge transport by Majorana fermions
Luciano Henrique Siliano Ricco, F. A. Dessotti, I. A. Shelykh, M. S. Figueira, Antônio Carlos Ferreira Seridonio
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 2790
DOI: 10.1038/s41598-018-21180-9

Olho eletrônico combina lente plana com músculo artificial Redação do Site Inovação Tecnológica

Olho eletrônico combina lente plana com músculo artificial

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/03/2018

Foto do protótipo ainda sem as conexões elétricas. O efeito iridescente é produzido pelas nanoestruturas da metalente. [Imagem: Harvard SEAS]

Olho eletrônico

Inspirando-se no olho humano, uma equipe multidisciplinar da Universidade de Harvard, nos EUA, combinou uma lente plana com um músculo artificial.

Embora seja um dispositivo básico e ainda rudimentar em comparação com o olho humano, o protótipo é uma demonstração de conceito de um olho artificial controlado eletronicamente.

"Esta pesquisa combina avanços na tecnologia dos músculos artificiais com a tecnologia de metalentes para criar uma metalente ajustável que pode mudar seu foco em tempo real, assim como o olho humano," disse o pesquisador Alan She.

"Fomos um passo além rumo ao desenvolvimento da capacidade de corrigir dinamicamente aberrações como o astigmatismo e o deslocamento da imagem, que o olho humano não consegue fazer naturalmente," acrescentou.

Metalente com músculo artificial

As metalentes são superfícies planas dotadas de nanoestruturas projetadas com precisão para focar a luz de uma determinada maneira - elas são construídas com a mesma tecnologia dos metamateriais e das metassuperfícies.

Enquanto as metalentes feitas até agora eram minúsculas, a equipe já consegue fabricar protótipos até na faixa dos centímetros. Para isso, eles tiveram que desenvolver um algoritmo que comprime a quantidade de dados envolvidos no projeto das nanoestruturas que manipulam a luz.

"Como as nanoestruturas são minúsculas, a densidade de informações em cada lente é incrivelmente alta," explicou She. "Se você passar de uma lente de 100 micrômetros para uma lente na faixa dos centímetros, você aumenta a informação necessária para descrever a lente por 10.000. Sempre que tentamos aumentar a lente, só o arquivo do projeto salta para a casa dos gigabytes ou mesmo terabytes."

No olho humano, a lente - o cristalino - é circundada pelo músculo ciliar, que estica ou comprime a lente, alterando seu formato para ajustar sua distância focal. No dispositivo robótico, esse músculo foi substituído por um elastômero dielétrico transparente que tem como propriedade óptica a capacidade de fazer com que a luz viaje com baixo nível de perda, para não interferir com a imagem.

O músculo artificial de elastômero é controlado eletricamente. À medida que ele se estende, os nanopilares se deslocam na superfície da metalente, alterando a forma como a lente inteira foca a luz. A metalente pode ser ajustada controlando tanto a posição dos pilares em relação aos vizinhos quanto o deslocamento total das nanoestruturas.

Nos testes, a metalente adaptativa focaliza os raios de luz em um sensor de imagem de uma câmera (esquerda). Um sinal elétrico controla a forma da metalente para produzir as frentes de onda ópticas desejadas (mostradas em vermelho), resultando em melhores imagens. [Imagem: Second Bay Studios/Harvard SEAS]

Uso eletrônico

Os testes mostraram que esse olho artificial primitivo consegue simultaneamente focar a luz, controlar aberrações causadas por astigmatismos, bem como executar deslocamentos da imagem.

Embora seja um conceito promissor para óculos e lentes de contato inteligentes no futuro, essa tecnologia deverá encontrar aplicações mais prontamente em aparelhos eletrônicos, como câmeras, e em microscópios e telescópios.

Bibliografia:

Adaptive metalenses with simultaneous electrical control of focal length, astigmatism, and shift
Alan She, Shuyan Zhang, Samuel Shian, David R. Clarke, Federico Capasso
Science Advances
Vol.: 4: eaap9957
DOI: 10.1126/sciadv.aap9957

Large area metalenses: design, characterization, and mass manufacturing
Alan She, Shuyan Zhang, Samuel Shian, David R. Clarke, Federico Capasso
Optics Express
Vol.: 26, Issue 2, pp. 1573-1585
DOI: 10.1364/OE.26.001573

Indutor: Componente eletrônico é reinventado depois de 180 anos Com informações da UCSB

Indutor: Componente eletrônico é reinventado depois de 180 anos

Com informações da UCSB -  14/03/2018

Ilustração artística do indutor de grafeno, em comparação com os indutores usados hoje. [Imagem: Peter Allen]

Reinvenção do indutor

Um elemento básico da tecnologia moderna, as bobinas, ou indutores, estão em todo lugar: celulares, computadores, rádios, televisores, carros etc.

Historicamente, à medida que a tecnologia dos transistores avançou, os componentes tornaram-se menores. Mas o indutor, que na sua forma mais simples é um fio metálico enrolado em torno de um núcleo, foi a exceção - eles são essencialmente os mesmos hoje como eram em 1831, quando foram criados por Michael Faraday.

Agora, uma equipe da Universidade da Califórnia em Santa Barbara adotou uma abordagem baseada em materiais para reinventar esse componente fundamental da eletricidade e da eletrônica moderna.

Jiahao Kang e seus colegas exploraram um fenômeno chamado indutância cinética para demonstrar um tipo de indutor fundamentalmente diferente, finalmente miniaturizando essas bobinas.

Indutância

Todos os indutores geram indutância magnética e indutância cinética, mas nos condutores metálicos típicos a indutância cinética é tão pequena que é desprezível.

A indutância magnética depende da área de superfície do indutor, o que explica porque os indutores não foram miniaturizados até hoje. Já a indutância cinética não depende da área do indutor, em vez disso resistindo às flutuações da corrente que alteram a velocidade dos elétrons, e os elétrons resistem a tal mudança de acordo com a lei da inércia de Newton.

Kang então projetou um novo tipo de indutor espiral que explora a indutância cinética, composto por múltiplas camadas de grafeno.

O grafeno de camada única apresenta uma estrutura de banda eletrônica linear e um tempo de relaxamento de impulso correspondentemente grande - alguns picossegundos ou mais, em comparação com os condutores metálicos convencionais, como o cobre, que variam de um centésimo a um milésimo de um picossegundo. Mas o grafeno de camada única tem muita resistência para ser usado em um indutor.

Já o grafeno multicamadas oferece uma solução parcial, proporcionando menor resistência, mas os acoplamentos entre as camadas fazem com que o tempo de relaxamento seja pequeno demais. Kang superou esse dilema inserindo quimicamente átomos de bromo entre as camadas de grafeno - um processo chamado intercalação. Isso não só reduziu a resistência como também separou as camadas de grafeno apenas o suficiente para essencialmente desacoplá-las, aumentando o tempo de relaxamento e, por decorrência, a indutância cinética.

Foto dos protótipos de indutor miniaturizado - ao contrário das bobinas tradicionais, eles são planos. [Imagem: Jiahao Kang et al. - 10.1038/s41928-017-0010-z]

Indutor miniaturizado

Esse indutor revolucionário, que funciona na faixa de 10 a 50 GHz, fornece uma vez e meia a densidade de indutância de um indutor tradicional, levando a uma redução de um terço na área, além de proporcionar uma eficiência extremamente alta.

E dá para melhorar.

"Há espaço suficiente para aumentarmos ainda mais a densidade da indutância aumentando a eficiência do processo de intercalação, que é o que estamos explorando agora," disse Junkai Jiang, membro da equipe.

Bibliografia:

On-chip intercalated-graphene inductors for next-generation radio frequency electronics
Jiahao Kang, Yuji Matsumoto, Xiang Li, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Keisuke Kawamoto, Munehiro Kenmoku, Jae Hwan Chu, Wei Liu, Junfa Mao, Kazuyoshi Ueno, Kaustav Banerjee
Nature Electronics
Vol.: 1, pages46-51
DOI: 10.1038/s41928-017-0010-z