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Brasileiro cria espectrômetro que cabe em um chip Com informações da Agência Fapesp -

Brasileiro cria espectrômetro que cabe em um chip

Com informações da Agência Fapesp -  23/04/2018

Detalhe do chip capaz de identificar amostras químicas. [Imagem: M.C.M.M.Souza]

Detecção química portátil

Uma equipe do Brasil e dos EUA miniaturizou um dos instrumentos de pesquisa mais utilizados para identificar e analisar substâncias químicas.

Usando fotônica no silício - um casamento de tecnologias que levou décadas para ser sacramentado - eles construíram um espectrômetro dentro de um chip.

Até agora, os espectrômetros de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR, na sigla em inglês) eram volumosos, impossibilitando seu uso em campo para detecção de compostos químicos e biológicos, incluindo o monitoramento de gases de efeito estufa de forma remota.

"A tecnologia de fotônica de silício oferece uma plataforma para a fabricação de espectrômetros miniaturizados de alto desempenho e baixo custo," disse Mário César de Souza, da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas), que construiu o chip fotônico com a colaboração de pesquisadores da Universidade da Califórnia de San Diego.

Espectrômetros FTIR

Os espectrômetros FTIR identificam compostos químicos irradiando um feixe de luz infravermelha sobre a amostra e medindo a quantidade de luz e os comprimentos de onda (cores) absorvidos. O padrão de absorção (espectro) fornece informações sobre a composição química da amostra.

Nos últimos anos começaram a surgir diversos projetos voltados ao desenvolvimento desse instrumento baseado na tecnologia de fotônica integrada, que utiliza especialmente luz no espectro infravermelho.

As tentativas não tinham avançado até então em razão de vários desafios técnicos, entre eles o fato de que as guias de ondas de silício são altamente dispersivas, ou seja, cada comprimento de onda viaja com uma velocidade diferente nesse material e, dessa forma, apresentam índices de refração (velocidade) diferentes. E o efeito termo-óptico - passar uma corrente sobre a guia de onda para esquentá-la - não se mostrou uma solução adequada porque as altas temperaturas tornam esta técnica não-linear, ou seja, uma mudança na temperatura altera o índice de refração de maneira não-proporcional.

Mário e seus colegas conseguiram superar essa dificuldade criando um método de calibração a laser que permite quantificar e corrigir as distorções causadas pela dispersão e não-linearidade das guias de onda de silício. Como prova de conceito, eles desenvolveram um chip de espectrômetro FTIR com 1 milímetro quadrado baseado em procedimentos-padrão de fabricação de fotônica de silício.

"Desenvolvemos um dispositivo que nem de longe é otimizado e, mesmo assim, já atinge resoluções comparáveis às dos espectrômetros portáteis comerciais existentes hoje, baseados em óptica de espaço livre," comparou Mário.

O objetivo agora é implementar um aparelho que seja totalmente funcional e integrado, com fotodetectores, fontes de luz e fibras ópticas. "A ideia é que tanto a fonte de luz como o detector do espectrômetro sejam integrados em uma mesma plataforma," disse Mário.

Bibliografia:

Fourier transform spectrometer on silicon with thermo-optic non-linearity and dispersion correction
Mário César Mendes Machado de Souza, Andrew Grieco, Newton C. Frateschi, Yeshaiahu Fainman
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 665
DOI: 10.1038/s41467-018-03004-6

Raiz de cacto inspira criação de material superabsorvente Redação do Site Inovação Tecnológica -

Raiz de cacto inspira criação de material superabsorvente

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/04/2018

Esquema do material bioinspirado e foto dos protótipos. [Imagem: Hyejeong Kim et al. - 10.1021/acsmacrolett.8b00014]

Bioinspiração nos cactos

Um novo material imita a capacidade das raízes dos cactos para absorver rapidamente e reter grandes quantidades de água, com uma quantidade mínima de evaporação.

Esse material bioinspirado será útil em uma ampla gama de aplicações, dos cosméticos e dispositivos médicos até produtos do dia a dia para as donas de casa e na agricultura e jardinagem.

Os cactos não podem perder tempo por ocasião das raras chuvas nos desertos. A chave para essa prontidão está em um sistema radicular superficial, mas muito extenso, que rapidamente absorve as águas, que raramente penetram mais do que alguns centímetros no solo. Durante as secas, as raízes se desidratam e encolhem, criando espaços de ar que impedem que a água escape de volta para o solo.

Quem replicou esse comportamento em um material artificial foi Hyejeong Kim e seus colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul.

Eles fabricaram um material composto de fibras de celulose, criogel de agarose e micropartículas, que foi moldado em formato cilíndrico e liofilizado, formando uma estrutura que imita a composição em camadas da epiderme da raiz do cacto.

Os testes de laboratório mostraram que o material é capaz de absorver água 930 vezes mais rápido do que a perda por evaporação.

Os pesquisadores afirmam que a mistura de fibras de celulose, micropartículas e criogel é ajustável para necessidades específicas. Por exemplo, a adição de micropartículas repelentes de água pode produzir materiais úteis na separação de óleo. No geral, eles anteveem aplicações na agricultura, cosméticos e medicina.

Bibliografia:

Fast and Efficient Water Absorption Material Inspired by Cactus Root
Hyejeong Kim, Junho Kim, Sang Joon Lee
Macro Letters
Vol.: 7 (3), pp 387-394
DOI: 10.1021/acsmacrolett.8b00014

Aviões vão passar de tubo com asas para caixa com asas Redação do Site Inovação Tecnológica -

Aviões vão passar de tubo com asas para caixa com asas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/04/2018

Detalhes da estrutura do avião de Prandtl. [Imagem: DICI Pisa University]

Avião de Prandtl

O tradicional "tubo com asas" que tem marcado a aparência dos aviõesvirtualmente desde sua criação pode mudar para uma arquitetura do tipo "caixa com asas".

O projeto europeu Parsifal elegeu esse design, conhecido como avião de asa fechada, ou avião de Prandtl - em homenagem a seu idealizador, o engenheiro alemão Ludwig Prandtl (1875-1953) - como a melhor opção para o avião do futuro.

As análises e simulações mostraram que o avião de asa fechada supera o tubo com asas em todas as categorias, tornando os aviões mais espaçosos, mais ecológicos e menos dispendiosos.

Definida a configuração estrutural do avião, a equipe agora está construindo um modelo em escala, que deverá estar pronto em 2020.

Avião com escadas embutidas

O projeto está se concentrando na categoria de aviões de tamanho médio, adequados para aeroportos regionais. A diferença é que, em vez dos 180 passageiros desta categoria, a caixa com asas está sendo projetada para transportar mais de 300 passageiros, devido ao ganho de espaço interno. Os engenheiros garantem que, de fato, em vez de exigir mais espaço, ele deverá oferecer vantagens significativas em termos de operações terrestres mesmo com esse acréscimo de passageiros - por exemplo, dispensando as escadas externas.

"Estamos planejando ilhas maiores e três conjuntos de escadas embutidas," explica Aldo Frediani, da Universidade de Pisa, na Itália, coordenador do projeto. "Essas características permitirão que os passageiros embarquem e desembarquem mais rápido, o que economiza tempo e reduz os custos tanto para os operadores de aeroportos quanto para as companhias aéreas".

O avião de Prandtl, com sua aerodinâmica otimizada, também deverá consumir menos combustível e gerar menos emissões. Em particular, acrescenta Frediani, isso diminuirá significativamente a poluição nas áreas aeroportuárias, uma vez que esse tipo de avião é especialmente eficiente nas baixas velocidades envolvidas durante a decolagem e o pouso.

Avião de asa fechada

Todas essas vantagens derivam da característica básica do avião de Prandtl: o seu design. O tubo ainda parece estar lá, mas pode ser largamente ovalado, e a visão das asas faz com que os engenheiros prefiram chamá-lo de "caixa com asas" porque, quando o avião é visto de frente, as asas descrevem um retângulo - a caixa com asas é um tipo particular de design de asa fechada.

"Há duas horizontais típicas de um biplano, mas as pontas das asas estão conectadas com asas verticais," explica Frediani. "Devido a essa configuração especial, esse tipo de aeronave é mais eficiente do que uma convencional".

Com o mesmo tamanho externo, esse design permite passar de 180 para 300 passageiros - e com escadas embutidas. [Imagem: DICI Pisa University]

Investimentos

Com seu protótipo, a equipe espera atrair a atenção de uma das grandes indústrias de aviação do mundo, uma vez que serão necessários investimentos para levar o avião proposto do computador para o céu.

Segundo Frediani, se a ideia for bancada por um fabricante de aeronaves imediatamente, os aviões baseados no projeto de asa fechada poderão estar voando dentro de 20 anos.

Micropartículas robotizadas monitoram ambiente e seu estômago Redação do Site Inovação Tecnológica

Micropartículas robotizadas monitoram ambiente e seu estômago

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/04/2018

Esquema dos proto-robôs, destacando seus circuitos eletrônicos monoatômicos. [Imagem: Michael Strano Lab]

Proto-robô

Pequenos robôs flutuantes podem ser úteis de várias maneiras; por exemplo, para sondar o intestino humano em busca de doenças ou para procurar poluentes no ambiente.

Um passo importante para viabilizar esses dispositivos foi dado com um novo casamento de materiais, combinando micropartículas biocompatíveis com a eletrônica ultrafina 2D - que usa semicondutores monoatômicos como a molibdenita ou o grafeno -, o que resultou na criação de máquinas microscópicas.

"Você pode construir circuitos eletrônicos com um único átomo de espessura, o que é incrivelmente fino. Um uso criativo que ninguém imaginou até agora é pegar esses componentes eletrônicos e enxertá-los em uma partícula coloidal. A partícula, que pode flutuar no ar como uma partícula de poeira, tem funções de computação simples. Você pode trazer esses novos componentes eletrônicos para ambientes que, de outra forma, não conseguiria acessar," explicou o professor Michael Strano, do MIT.

Como primeiro passo, a equipe desenvolveu um conjunto de componentes eletrônicos compatível com um revestimento de uma micropartícula, formando um circuito autônomo fechado - é o que eles chamam de um proto-robô, um conceito similar ao da poeira inteligente.

Microrrobô com sensor e refletor

As partículas com tamanho de um micrômetro foram feitas com um material tido como biocompatível, conhecido como SU-8 - embora ele contenha bisfenol A. Usando litografia tradicional, sua superfície recebeu um circuito que consiste de uma fonte de energia, um sensor e um dispositivo de memória. A fonte de energia é uma célula solar de heterojunção p-n de MoS2 (dissulfeto de molibdênio) e disseleneto de tungstênio (WSe2), que pode converter luz em corrente elétrica. Tanto o MoS2 quanto o WSe2 são semicondutores 2-D, comumente incluídos em uma família conhecida como molibdenita.

O detector é um quimiorresistor, uma única camada de MoS2 projetada para alterar sua resistência elétrica em resposta a um agente ambiental. A saída elétrica é armazenada na memória, que consiste em uma camada separada de MoS2 intercalada entre eletrodos de ouro e prata.

"Nós colocamos pequenos retrorrefletores nas partículas - como os que você tem na sua bicicleta - para que reflitam a luz e nos permitam encontrar rapidamente as partículas," descreve o pesquisador Volodymyr Koman. "Para leitura, as partículas têm conexões metálicas, como um soquete: depois de inserir dois conectores, você pode ler o estado do dispositivo." A memória pode então ser limpa para que as máquinas em miniatura possam ser reutilizadas.

Micropartículas robotizadas

Os pesquisadores vislumbram vários usos para esses robôs em miniatura, como monitorar grandes áreas em busca de bactérias, esporos, fumaça, poeira ou agentes tóxicos, o que atualmente requer equipamentos de grande porte e caros.

"Como alternativa, introduzimos o conceito de um dispositivo eletrônico 'aerossolizável'," disse Koman, referindo-se à dispersão das micromáquinas na forma de um aerossol.

Ele testou esse conceito em um gasoduto simulado. As máquinas flutuantes navegaram pela câmara de teste e detectaram a presença de partículas de carbono e compostos orgânicos voláteis ao longo do duto, armazenando as informações na memória, que foram lidas quando os microrrobôs foram recolhidos no outro lado do cano.

Agora eles pretendem desenvolver partículas para aplicações adicionais, inclusive como monitores do sistema digestivo humano.

Bibliografia:

Colloidal, Nanoelectronic State Machines Based on 2D Materials for Aerosolizable Electronics
Volodymyr Koman, Pingwei Liu, Daichi Kozawa, Albert Tianxiang Liu, Anton Cottrill, Michael S Strano
255th National Meeting & Exposition of the American Chemical Society (ACS)
Vol.: 10, Pages 888-888

Corda de violão definitiva vibra tanto que ouve a luz Redação do Site Inovação Tecnológica

Corda de violão definitiva vibra tanto que ouve a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/04/2018

Ao aprisionar as vibrações no centro da corda, ela se transformou em uma ferramenta inesperada para experimentos quânticos. [Imagem: WoogieWorks]

Tensão e deformação

É uma nanocorda, capaz de vibrar por minutos com um período de um microssegundo - isso equivale a uma corda de violão que, ao ser tocada, vibrasse durante um mês.

Sua construção foi possível porque, em nanoescala, a deformação pode ser usada para gerar propriedades inusitadas.

Submeter um material a um estresse (uma tensão) é geralmente algo que se deseja evitar a todo custo. Mas, se bem administrado, ele pode se converter em algo útil: Um corpo elástico responde ao estresse ajustando a distância entre seus átomos (uma deformação), o que pode ser usado para controlar as propriedades dos seus elétrons.

Um exemplo é o transístor, cuja velocidade de operação é otimizada submetendo o silício a uma tensão - o material é mais conhecido como silício expandido.

Corda que vibra por um mês

E o estresse também pode ser usado para ajustar as propriedades do corpo elástico. Esticar uma corda de violão, por exemplo, mudará não apenas seu som (sua frequência vibracional), mas também seu fator de qualidade (o número de vibrações produzidas por um toque). Esse efeito, conhecido como "diluição de dissipação", apesar de indesejável em muitos círculos musicais, pode ser uma tremenda vantagem em outras áreas.

É o caso da nanomecânica, onde o fator de qualidade de um oscilador determina sua utilidade para aplicações como a detecção de forças. Para explorar novas possibilidades, Amir Ghadimi e seus colegas queriam poder ajustar a diluição de dissipação a gosto. Para isso, eles construíram uma nanocorda sobre uma estrutura periódica na qual as vibrações são aprisionadas em um ponto central - um cristal fonônico.

Quanto a nanocorda foi tocada, a temperatura ambiente, ela vibrou a 1 MHz por mais de 20 minutos, o que corresponde a um fator de qualidade de 800 milhões - como se a corda de um violão ou guitarra ficasse vibrando por um mês.

A nanocorda consegue comprimir a luz e poderá ser usada para resfriar objetos até o zero absoluto. [Imagem: Amir H. Ghadimi et al. - 10.1126/science.aar6939]

Microfone para a luz e muito mais

Com tamanha eficiência, essa nanocorda funciona como um sensor de força tão sensível que é capaz até mesmo de detectar as forças da luz - a chamada pressão de radiação. Acoplando-a a um guia de ondas, a equipe conseguiu "ouvir" o som de fótons fluindo em um feixe de laser conforme cada fóton exercia uma minúscula pressão de radiação sobre a corda - ou seja, um microfone para a luz.

Um resultado surpreendente é que a equipe se deu conta de que essa interação com os fótons pode ser usada para gerar um estado não-clássico da luz conhecido como luz comprimida, que pode ser usada para melhorar a sensibilidade de equipamentos como os interferômetros.

Ante essa surpresa, a equipe se voltou para possibilidades ainda mais interessantes: Não seria possível usar o mesmo campo de luz para "ver" as flutuações de vácuo da nanocorda (uma consequência de sua natureza similar aos fônons)? É o que eles pretendem responder a seguir.

"O princípio da incerteza de Heisenberg prevê que as duas capacidades são proporcionais," detalhou Dalziel Wilson, membro da equipe. "Operar neste chamado limite quântico padrão oferece a possibilidade de resfriar um objeto mecânico de tamanho tangível da temperatura ambiente até o absoluto zero (seu estado fundamental de movimento), o ponto de partida para inúmeros experimentos quânticos."

Bibliografia:

Elastic strain engineering for ultralow mechanical dissipation
Amir H. Ghadimi, S. A. Fedorov, N. J. Engelsen, M. J. Bereyhi, R. Schilling, Dalziel J. Wilson, T. J. Kippenberg
Science
Vol.: eaar6939
DOI: 10.1126/science.aar6939

Parede interativa não tem só ouvidos - tem olhos também Redação do Site Inovação Tecnológica

Parede interativa não tem só ouvidos - tem olhos também

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/04/2018

A parede detecta não apenas toques, mas também movimentos à sua frente. [Imagem: CMU]

Parede inteligente

O ditado popular diz que "as paredes têm ouvidos" - pois Yang Zhang e seus colegas da Universidade Carnegie Mellon, nos EUA, mostraram que as paredes podem também ter olhos e até outros sentidos mais exóticos.

Com algumas demãos de tinta condutiva e um circuito eletrônico instalado no rodapé, eles transformaram uma parede comum em um gigantesco sensor capaz de sentir o toque humano, detectar e mapear gestos ou quando um aparelho ou móvel está sendo usado.

A tinta eletricamente condutora é usada para pintar eletrodos ao longo da superfície da parede, permitindo que ela funcione como um touchpad e como um sensor eletromagnético.

Zhang batizou sua infraestrutura inteligente de Wall++ - uma parede de alta tecnologia.

O aplicativo detecta que aparelho está sendo usado, a direção do toque na parede etc. [Imagem: CMU]

Tinta condutora

A capacidade sensorial da parede permite que o usuário "instale" ou mova interruptores e controles virtuais em qualquer lugar, ou jogue videogames usando gestos sem precisar comprar um novo dispositivo.

Como monitora o ambiente o tempo todo, a parede inteligente pode ajustar os níveis da iluminação quando a TV é ligada ou desligada ou avisar o morador se a máquina de lavar desligou ou se seu filho pequeno levantou-se da cama, propõe a equipe.

Qualquer aparelho que emita um sinal de radiofrequência - um celular, por exemplo - pode ser rastreado ao longo de toda a casa.

Interligação dos sensores, antes da pintura final, que esconde todos os eletrodos. [Imagem: CMU]

Capacitivo e eletromagnético

Os eletrodos são desenhados usando fita crepe comum, do tipo usado pelos pintores. Depois de duas demãos de tinta condutora aplicadas com rolo de pintura, as fitas são retiradas e os eletrodos são conectados usando um pincel. Uma demão final de tinta látex comum, da cor de preferência do morador, aumenta a durabilidade e esconde os eletrodos.

"Paredes são grandes, então sabíamos que qualquer técnica que desenvolvêssemos para paredes inteligentes teria que ter baixo custo," disse Zhang, acrescentando que isso fez com que ele dispensasse opções eventualmente mais eficientes, mas muito mais caras, como tintas contendo prata, e optasse por uma tinta condutora à base de níquel.

Os eletrodos podem operar em dois modos - sensor capacitivo e sensor eletromagnético. Na detecção capacitiva, a parede funciona como qualquer outro touchpad capacitivo: Quando a pessoa toca a parede, o toque distorce o campo eletrostático da parede nesse ponto. No modo de detecção eletromagnético, o eletrodo pode detectar as assinaturas eletromagnéticas de dispositivos elétricos ou eletrônicos, permitindo que o sistema identifique os aparelhos e suas localizações.

Bibliografia:

Wall++: Room-Scale Interactive and Context-Aware Sensing
Yang Zhang, Chouchang Yang, Scott E. Hudson, Chris Harrison, Alanson Sample
Proceedings of the 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems
Vol.: 1, Paper No. 273
DOI: 10.1145/3173574.3173847

Termorfologia: Folha 2D vira objeto 3D usando calor Redação do Site Inovação Tecnológica -

Termorfologia: Folha 2D vira objeto 3D usando calor

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/04/2018

Morfologia térmica

Já pensou em escolher um produto na vitrine de uma loja, levá-lo para casa facilmente na forma de uma folha - plana ou enrolada - e depois fazer o produto "pipocar" de 2D para 3D usando um secador de cabelo?

Esse é o conceito que Byoungkwon An e seus colegas da Universidade Carnegie Mellon, nos EUA, estão propondo.

Eles criaram uma técnica para imprimir objetos 3D na forma de folhas planas. Quando aquecidas - em água quente ou usando um soprador de calor - as folhas assumem seu formato definitivo, tridimensional.

Byoungkwon An batizou sua técnica de "termorfologia" - uma mudança de forma acionada por calor.

Cadeiras, barcos e satélites

O processo é feito em uma impressora 3D comum usando como tinta vários tipos de materiais termoplásticos. A deposição do material é controlada com precisão alterando-se a velocidade da impressora em cada detalhe, o que permite combinar materiais propensos à deformação com materiais do tipo borracha, que resistem à contratura, e variar a espessura das camadas.

Embora tenham usado uma impressora 3-D padrão, os pesquisadores substituíram o software de código aberto da máquina por um código proprietário que calcula automaticamente a velocidade de impressão e os padrões necessários para alcançar os ângulos de dobra desejados.

"O software é baseado em uma nova teoria de dobramentos em curva que representa faixas de uma área curva. O software baseado nessa teoria pode compilar qualquer forma de malha 3-D arbitrária em uma folha termoplástica associada em poucos segundos, sem intervenção humana," disse Byoungkwon An.

Os objetos emergem da impressora 3D como um plástico rígido e plano. Quando essa folha plástica é colocada em água quente ou soprada com calor o suficiente para deixá-la macia - mas não quente o suficiente para derreter - o processo de dobramento é acionado.

"Acreditamos que o algoritmo geral e os materiais já existentes devem nos permitir, eventualmente, fabricar objetos grandes e fortes, como cadeiras, barcos ou até mesmo satélites," disse o pesquisador Jianzhe Gu.

Bibliografia:

Thermorph: Democratizing 4D Printing of Self-Folding Materials and Interfaces
Byoungkwon An, Ye Tao Zhejiang, Jianzhe Gu, Tingyu Cheng, Xiang Chen, Xiaoxiao Zhang, Wei Zhao, Youngwook Do, Shigeo Takahashi, Hsiang-Yun Wu, Teng Zhang, Lining Yao
Proceedings of the 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems
Vol.: 1, Paper No. 260
DOI: 10.1145/3173574.3173834

Diamante é dobrado e esticado - e volta ao formato original Redação do Site Inovação Tecnológica

Diamante é dobrado e esticado - e volta ao formato original

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/04/2018

A nanoagulha de diamante mais se parece com um poste de borracha. [Imagem: Amit Banerjee et al. - 10.1126/science.aar4165]

Diamante flexível

Uma equipe da Coreia do Sul, EUA e Hong Kong descobriu uma maneira de tornar flexível a substância natural mais dura do mundo - eles criaram agulhas flexíveis de diamante.

Quando seus cristais são reduzidos até abaixo de um micrômetro, ficando semelhantes a agulhas, o diamante pode dobrar e esticar, de forma muito parecida com uma borracha, e depois voltar à sua forma original.

Esta descoberta deverá ter implicações para várias áreas, incluindo bioimagem e sensoriamento médico, dispositivos optomecânicos, nanoestruturas ultrafortes e muito mais.

Amit Banerjee e seus colegas pegaram filmes finos de diamantes artificiais e entalharam pequenas agulhas, cada uma com cerca de 300 nanômetros de altura.

Quando a equipe usou a ponta de um microscópio eletrônico para pressionar essas nanoagulhas, o que se viu é que elas podem suportar deformações de até 9%, o que é muito próximo do limite teórico de flexibilidade dos diamantes. E as nanoagulhas de diamante monocristalino atingem uma tensão de tração máxima local significativamente superior à suportada pelos diamantes policristalinos.

"Colocar materiais cristalinos, como o diamante, sob deformações elásticas muito grandes, como acontece quando essas peças flexionam, pode alterar suas propriedades mecânicas, bem como propriedades térmicas, ópticas, magnéticas, elétricas, eletrônicas e reações químicas de maneiras significativas, e [estas propriedades alteradas] podem ser usadas para projetar materiais para aplicações específicas através da 'engenharia de deformação elástica'," escreveu a equipe.

Bibliografia:

Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond
Amit Banerjee, Daniel Bernoulli, Hongti Zhang, Muk-Fung Yuen, Jiabin Liu, Jichen Dong, Feng Ding, Jian Lu, Ming Dao, Wenjun Zhang, Yang Lu, Subra Suresh
Science
Vol.: 360, Issue 6386, pp. 300-302
DOI: 10.1126/science.aar4165

Primeiro navio com vela rotativa entra em testes Redação do Site Inovação Tecnológica

Primeiro navio com vela rotativa entra em testes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/04/2018

O teste está sendo feito com apenas uma vela rotativa, mas um cargueiro pode facilmente acomodar seis delas. [Imagem: RotorDEMO]

Rotor Flettner e efeito Magnus

Existem projetos de navios a vela que tornam os cargueiros marítimos modernos bem parecidos com seus similares antes do advento do vapor, mas existem também designs que tornam o navio inteiro uma enorme vela.

O estaleiro finlandês Norsepower queria algo mais imediato, que tornasse possível dotar os navios atuais, que já estão navegando, de uma fonte adicional de impulso que lhes permita economizar combustível.

A solução encontrada é uma vela rotativa, uma versão modernizada de um rotor Flettner, inventado pelo engenheiro alemão Anton Flettner há cerca de 100 anos.

A vela rotativa baseia-se no efeito Magnus, pelo qual o vento que passa por um cilindro giratório move o ar mais rapidamente de um lado do que de outro, o que resulta em um empuxo a 90º da direção do vento - o efeito Magnus já foi usado para projetar bolas de futebol e um sistema de geração de eletricidade usando balões.

O rotor Flettner tira proveito do efeito Magnus. [Imagem: RotorDEMO]

Navio com vela rotativa

A disponibilidade de materiais compósitos de última geração permitiu construir a vela rotativa de 24 metros com a resistência necessária, mas também com um peso que permite sua instalação rápida em navios já operacionais usando guindastes comuns.

A primeira vela rotativa foi instalada no navio M/S Viking Grace, que deverá ter uma redução no consumo de combustível de até 30% e redução de emissões de carbono de 900 toneladas por ano, dependendo da rota - durante os testes ele está fazendo o trajeto entre Turku, na Finlândia, e Estocolmo, na Suécia.

Os testes deverão durar até o final deste ano. Se as previsões de economia se confirmarem, o estaleiro estima que a vela rotativa poderá ser instalada em até 20.000 navios atualmente em circulação.

Efeito fotoiônico: Luz cria corrente de íons Redação do Site Inovação Tecnológica

Efeito fotoiônico: Luz cria corrente de íons

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/04/2018

Nas células solares, elétrons e lacunas permitem a circulação de uma corrente elétrica. Nesse novo efeito, esse papel é desempenhado por íons iodeto e átomos de iodo.[Imagem: MPI for Solid State Research]

Corrente iônica

Nas células solares comuns, os fótons da luz solar impulsionam elétrons no silício, gerando eletricidade.

Surpreendentemente, a luz pode fazer mais do que isso no material adequado, descobriram Gee Yeong Kim e seus colegas do Instituto Max Planck de Pesquisas do Estado Sólido, na Alemanha.

Em uma perovskita, outro material semicondutor muito promissor para células solares, a luz solar não apenas libera elétrons, ela libera também átomos eletricamente carregados, ou íons, criando uma corrente iônica, como a que existe nos organismos vivos - correntes iônicas têm sido usadas para fabricar nervos eletrônicos e sinapses artificiais, entre várias outras possibilidades.

E esse fotoefeito recém-descoberto - um efeito fotoiônico - é muito grande. A condutividade dos íons aumenta por um fator de 100, ou seja, a condução iônica aumenta em uma magnitude similar à da condutividade eletrônica induzida pelo efeito fotoelétrico nas células solares.

Do ponto de vista das aplicações práticas, esse novo efeito abre o caminho para aplicações eletroquímicas impensáveis até agora, como bateriasdiretamente carregadas pela luz.

A influência da luz no transporte de íons só era conhecida até agora na biologia - por exemplo, a iluminação é capaz de alterar indiretamente a permeabilidade de uma membrana celular. "O que é surpreendente, no entanto, é o fato de que a condução iônica de sólidos cristalinos pode ser diretamente modificada e em uma magnitude muito grande," disse o professor Joachim Maier.

Efeito fotoiônico

Segundo a equipe, a luz inicialmente libera elétrons, como é normal nas células solares. Os elétrons (cargas negativas) deixam lacunas (cargas positivas) na rede cristalina da perovskita. Essas lacunas neutralizam íons de iodeto, carregados negativamente, dentro do cristal. Como um átomo de iodo sem carga é muito menor do que um íon iodeto, ele ocupa um espaço chamado intersticial, isto é, um espaço livre na rede cristalina no qual o íon iodeto maior não se encaixa. As lacunas resultantes na rede cristalina permitem a condução iônica, da mesma maneira que as lacunas de elétrons permitem a condução de elétrons.

O mecanismo é reversível e não destrói o material, a menos que a perovskita esteja em contato com uma substância que captura o iodo de forma permanente ou quando o iodo escapa para a atmosfera. Ou seja, de quebra a equipe descobriu um mecanismo que causa a degradação das células solares de perovskita - a equipe anunciou que sua descoberta permitirá trabalhar para evitar essa degradação.

Os pesquisadores também estão se concentrando na questão de como esse efeito fotoiônico pode ser explorado tecnicamente: Eles primeiro investirão no armazenamento de energia estimulado por luz, e então procurarão outros materiais que possam ser mais adequados e mais eficientes para essas aplicações.

"A condutividade iônica representa um fenômeno-chave no contexto das pesquisas em energia," disse Maier. "Mas, em muitos aspectos, especialmente quando se trata de exposição à luz, ela permanece uma terra incógnita."

Bibliografia:

Large tunable photoeffect on ion conduction in halide perovskites and implications for photodecomposition
Gee Yeong Kim, Alessandro Senocrate, Tae-Youl Yang, Giuliano Gregori, Michael Grätzel, Joachim Maier
Nature Materials
Vol.: 17, pages445-449
DOI: 10.1038/s41563-018-0038-0

Quer softwares mais inteligentes? Guarde o tempo em uma superposição quântica Com informações do QUT/NUS -

Quer softwares mais inteligentes? Guarde o tempo em uma superposição quântica

Com informações do QUT/NUS -  22/03/2018

Visão artística de um cronômetro quântico, em que o tempo é medido através de estados de superposição.[Imagem: Mile Gu/Centre for Quantum Technologies]

Simulação quântica do tempo

Os simuladores computacionais são cada vez mais importantes, sendo usados para estudar desde o fluxo de tráfego de uma cidade e o disparo neural no cérebro, até a formação das galáxias e do Universo inteiro.

O problema é que os modelos de computador que simulam sistemas tendem a consumir memória demais, impedindo que esses simuladores tornem-se mais poderosos.

Mas uma nova abordagem baseada em simuladores quânticos promete reduzir significativamente esse uso de memória ao usar uma abordagem quântica do tempo.

O único custo é que perderemos um pouco da memória do passado, dizem Mile Gu e Thomas Elliott, da Universidade Nacional de Cingapura.

• No princípio era o tempo

Tempo discreto e tempo contínuo

Para executar uma simulação, um computador precisa cortar o tempo em fatias. Pense em uma maneira antiga de medir o tempo: a ampulheta. "Amplie uma ampulheta e se poderá ver os grãos individuais de areia caindo um por um. É um fluxo granular [do tempo]," compara Gu.

Assim como a ampulheta precisa de areia mais fina para fazer uma medição de tempo mais precisa, um computador precisa de fatias de tempo menores para fazer simulações mais precisas. De fato, o ideal seria simular o tempo de forma contínua porque, pelo melhor das nossas observações, o tempo parece ser contínuo. Mas isso implica que um simulador clássico precisaria de memória infinita para executar esse programa.

Embora isso seja impossível com um computador clássico, os efeitos quânticos podem fornecer uma saída. "Com um simulador quântico, você pode evitar a disputa precisão versus armazenamento com que você tem que lidar com um dispositivo clássico," explica Elliott.

• Experimento faz tempo andar para trás

Este simulador quântico de 51 qubits é o maior já construído até agora. [Imagem: sakkmesterke/MIT]

Simulador clássico

Para entender melhor o problema, imagine que você precisa pegar um ônibus. Se você chegar no ponto a tempo de ver um ônibus saindo, sabe que terá que esperar que o próximo ônibus demore mais para chegar do que se você não tivesse visto aquele que acabou de passar. Isso porque a probabilidade de um ônibus chegar não é sempre constante, dependendo de quanto tempo se passou desde o último ônibus.

Para simular processos semelhantes, em que a probabilidade muda ao longo do tempo, um computador eletrônico calcula resultados em intervalos de tempo definidos. Ele pode, por exemplo, dividir as probabilidades para os horários de chegada do ônibus em intervalos de 30 segundos, atualizando essas probabilidades após cada intervalo, dependendo de se um ônibus chegou ou não. Para obter mais precisão sobre quando um ônibus virá, ou para modelar com precisão redes de tráfego maiores e mais complicadas, será necessário usar intervalos menores de tempo e, portanto, mais memória.

Nesta abordagem clássica, faz-se uma previsão contando quanto tempo decorreu desde o ônibus anterior. Isso parece lógico, e de fato é o melhor método clássico. A física quântica, no entanto, permite uma abordagem completamente diferente.

• Precisão do tempo tem limitação fundamental

Simulador quântico

Um simulador quântico pode estar em vários estados diferentes ao mesmo tempo, cada um com a própria probabilidade de ser real - este é um fenômeno conhecido como superposição quântica.

A proposta de Gu e Elliott é codificar a distribuição de probabilidades temporais para o evento que se quer simular na probabilidade ponderada dos diferentes estados quânticos. Se a superposição for criada em uma propriedade que pode evoluir continuamente - a posição de uma partícula, por exemplo -, então o tempo também pode ser rastreado continuamente. Portanto, é possível descartar algumas informações sobre o tempo decorrido, alcançando uma maior eficiência no uso da memória sem sacrificar a precisão preditiva.

O ganho vem às custas de se perder o conhecimento do passado. O tempo decorrido - um registro do passado, em outras palavras - não pode ser recuperado da superposição com exatidão, mas toda a capacidade de previsão do futuro é mantida.

"Em última análise, ao fazer previsões, não nos preocupamos com o que já vimos. Em vez disso, nos preocupamos apenas com o que essas observações nos dizem sobre o que esperamos ver a seguir. A física quântica nos permite isolar eficientemente essa informação," disse Elliott.

É mais uma demonstração dos ganhos que poderão advir quando conseguirmos superar a chamada supremacia quântica, o ponto a partir do qual e evolução do hardware quântico permitirá que esses processadores futurísticos superem os processadores eletrônicos clássicos. Como em tudo nessa área, resta agora implementar esse mecanismo na prática, para ver se ele rende mesmo todos os ganhos previstos na teoria.

• Simulador quântico com 51 qubits bate todos os recordes

Bibliografia:

Superior memory efficiency of quantum devices for the simulation of continuous-time stochastic processes
Thomas J. Elliott, Mile Gu
Nature Quantum Information
Vol.: 4, Article number: 18
DOI: 10.1038/s41534-018-0064-4

Cerâmica imita ossos e cicatriza sozinha em um minuto Redação do Site Inovação Tecnológica

Cerâmica imita ossos e cicatriza sozinha em um minuto

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/03/2018

A cura da cerâmica acontece na temperatura típica de operação das turbinas de avião, onde elas deverão ser usadas. [Imagem: Toshio Osada et al. - 10.1038/s41598-017-17942-6]

Cerâmica com autocicatrização

Usando uma analogia com os mecanismos de cicatrização óssea dos animais, pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, adicionaram um ativador de cicatrização a uma cerâmica industrial que permitiu que a cerâmica eliminasse completamente rachaduras em apenas um minuto.

As cerâmicas com capacidade de autocura foram descobertas por um grupo de pesquisa da mesma universidade em 1995. Leves e resistentes ao calor, elas atraíram a atenção global pelo seu potencial uso como material para turbinas em motores de aviões.

No entanto, os mecanismos da autocura não foram totalmente compreendidos e as rachaduras são curadas completamente apenas dentro de uma faixa de temperatura entre 1.200 e 1.300° C por longos períodos no forno. Desde então, várias equipes vêm tentando identificar o mecanismo de autocura para desenvolver cerâmicas de autocura rápida dentro de uma faixa de temperatura maior.

Cerâmica cicatriza como osso

Toshio Osada e seus colegas descobriram agora que as cerâmicas que se cicatrizam sozinhas passam por três estágios de cura análogos aos processos de cicatrização óssea: inflamação, reparo e remodelação.

Quando uma cerâmica racha, o oxigênio entra através da rachadura e reage com o carbeto de silício - um componente cerâmico - para formar dióxido de silício (o estágio de inflamação). A alumina - um material cerâmico básico - e o dióxido de silício reagem então para formar um material de enchimento, selando a fenda (o estágio de reparo). Finalmente, o material de preenchimento cristaliza para restaurar a resistência original na parte quebrada (o estágio de remodelação).

Ampliando a analogia, com base no fato de que a rede de fluidos corporais nos seres humanos é essencial para a cicatrização dos ossos danificados, Osada adicionou uma quantidade-traço de um ativador de cicatrização - óxido de manganês - aos limites entre os grãos de alumina na cerâmica, que formam uma estrutura de rede 3D.

O resultado não poderia ser melhor: As cerâmicas cicatrizaram em apenas um minuto a 1.000° C, em comparação com as cerâmicas de autocura convencionais, que cicatrizam as fissuras depois de 1.000 horas a temperaturas mais elevadas. E 1.000° C é justamente a temperatura de operação das turbinas de avião, o que significa que o material estará operando na temperatura perfeita para que ela se recupere de qualquer dano eventual.

Com base nesses resultados, a equipe está partindo agora para sintetizar cerâmicas resistentes ao calor que nunca se romperão quando rachadas. Para isso, eles planejam selecionar os melhores ativadores de cicatrização e manipular com precisão sua dispersão nos grânulos do material, melhorando a capacidade de autocura da cerâmica.

• Cerâmica líquida vai aonde nenhuma cerâmica jamais foi antes

Bibliografia:

A Novel Design Approach for Self-Crack-Healing Structural Ceramics with 3D Networks of Healing Activator
Toshio Osada, Kiichi Kamoda, Masanori Mitome, Toru Hara, Taichi Abe, Yuki Tamagawa, Wataru Nakao, Takahito Ohmura
Nature Scientific Reports
Vol.: 7, Article number: 17853
DOI: 10.1038/s41598-017-17942-6

Bateria de hidrogênio: Primeiros protótipos funcionais Redação do Site Inovação Tecnológica

Bateria de hidrogênio: Primeiros protótipos funcionais

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/03/2018

Protótipo da bateria de fluxo de brometo de hidrogênio. [Imagem: Trung Van Nguyen]

Bateria de hidrogênio

As baterias de hidrogênio, ou baterias de prótons, estão entre os conceitos promissores para a substituição das baterias de lítio ou mesmo das células de combustíveis.

Como em todo novo conceito, o progresso tem sido mais lento do que se desejava. Em apenas uma semana, contudo, duas equipes, trabalhando independentemente, mostraram resultados importantes.

A primeira equipe, formada por pesquisadores de várias universidades dos EUA, desenvolveu um novo eletrodo para a bateria de hidrogênio - o eletrodo é o material por onde a corrente elétrica entra, durante a recarga, ou sai da bateria, quando sua energia é usada. Para ser eficiente, um eletrodo precisa de muita área superficial. Para isso, a equipe cultivou nanotubos de carbono diretamente sobre fibras de carbono, formando um eletrodo não apenas poroso, mas com poros minúsculos.

"Antes do nosso trabalho, as pessoas usavam eletrodos de carbono de papel e tinham que empilhar eletrodos para gerar uma saída de alta potência. Os eletrodos tinham que ser muito mais grossos e mais caros porque você precisava usar múltiplas camadas - eles são mais volumosos e mais resistivos.

"Nós tivemos uma ideia simples, mas inovadora, de crescer pequenos nanotubos de carbono diretamente sobre fibras de carbono dentro dos eletrodos - como minúsculos pêlos - e com isso aumentamos a área superficial em 50 a 70 vezes. Resolvemos a exigência de elevada área superficial para eletrodos de bateria de hidrogênio-bromo," disse Trung Van Nguyen, da Universidade do Kansas, um dos líderes da equipe.

Uma questão fundamental que resta antes que uma bateria de brometo de hidrogênio possa chegar ao estágio comercial é o desenvolvimento de um catalisador eficaz para acelerar as reações no lado do hidrogênio da bateria e fornecer uma saída maior - e um catalisador que sobreviva à extrema corrosividade do sistema. A equipe afirma que já está trabalhando nisso.

O protótipo da equipe australiana é ainda menor, mas tem a vantagem de já ser totalmente funcional. [Imagem: RMIT University]

Bateria de hidrogênio funcional

Pesquisadores da Universidade RMIT, na Austrália, demonstraram por sua vez a primeira bateria recarregável de prótons totalmente funcional.

O protótipo também usa um eletrodo de carbono para armazenar o hidrogênio, juntamente com uma célula de combustível reversível para produzir eletricidade.

Durante o carregamento, o carbono no eletrodo liga-se com os prótons - ou átomos de hidrogênio - gerados pela divisão da água em oxigênio e hidrogênio, o que é feito com a ajuda de elétrons de uma fonte de alimentação externa. Os prótons são liberados novamente e passam de volta através da célula de combustível reversível para formar água com o oxigênio do ar e gerar energia. Ao contrário dos combustíveis fósseis, o carbono não queima, não gerando emissões no processo.

O eletrodo poroso de carbono ativado, feito de resina fenólica, armazena cerca de 1% em peso de hidrogênio. Parece pouco, mas esta é uma energia por unidade de massa comparável com a das baterias de lítio comercialmente disponíveis, lembrando que a bateria de prótons é um protótipo em estágio inicial, ainda longe de ser otimizada. A tensão máxima da célula foi de 1,2 volt para uma área de superfície interna ativa de apenas 5,5 centímetros quadrados.

"O trabalho agora se concentrará em melhorar ainda mais o desempenho e a densidade de energia através do uso de materiais à base de carbono em camadas atômicas e finas, como o grafeno, com o objetivo firme de chegar a uma bateria de prótons verdadeiramente competitiva com as baterias de íons de lítio," disse o professor John Andrews.

Ou, eventualmente, as duas equipes possam se unir, já que a equipe norte-americana já desenvolveu um eletrodo mais eficiente usando os nanotubos, que são essencialmente folhas de grafeno enroladas.

Bibliografia:

Technical feasibility of a proton battery with an activated carbon electrode
Shahin Heidari, Saeed Seif Mohammadi, Amandeep Singh Oberoi, John Andrews
International Journal of Hydrogen Energy
Vol.: 43, Issue 12, 22 March 2018, Pages 6197-6209
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.01.153

Highly Dispersed RhxSy Catalyst on Carbon Support with High Nafion Affinity for HER/HOR in HBr Solution
Yuanchao Li, Trung Van Nguyen
ECS Meeting Abstracts