Água ferve instantaneamente e vira plasma Redação do Site Inovação Tecnológica

Água ferve instantaneamente e vira plasma

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/05/2018

Simulação do movimento das moléculas e átomos de água nos primeiros 70 femtossegundos do pulso de raios X. [Imagem: Carl Caleman/CFEL/DESY/Uppsala University]

Aquecedor mais rápido do mundo

Você não encontrará nenhuma dupla fogão/chaleira que consiga bater o experimento realizado por Kenneth Beyerlein e colegas da Universidade de Uppsala, na Suécia, e do síncrotron DESY, na Alemanha.

Eles transformam um poderoso laser de raios X no aquecedor mais rápido do mundo, alcançando 100.000º C em menos de um décimo de picossegundo, que é um milionésimo de milionésimo de segundo.

Se você prefere em números, aí vai: 100.000 graus Celsius em 0,000 000 000 000 075 segundo - ou 75 femtossegundos. É definitivamente o aquecedor mais rápido da Terra.

Beyerlein não queria ferver água para fazer café, é claro: a ideia era criar um estado exótico da matéria que permita estudar a água de uma forma inédita, em busca de decifrar as propriedades inusitadas do líquido mais importante da Terra - as chamadas anomalias da água.

Plasma de água

É fácil prever que a água não ferveu da maneira normal. No nível molecular, quando a água ferve em uma chaleira o calor é movimento - quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente estará a água.

"Nosso aquecimento é fundamentalmente diferente," explicou o professor Carl Caleman. "Os raios X energéticos arrancam os elétrons das moléculas de água, destruindo assim o equilíbrio das cargas elétricas. Então, repentinamente, os átomos sentem uma forte força repulsiva e começam a se mover violentamente."

Os dados experimentais foram utilizados para validar a modelagem teórica da dinâmica - aqui são vistas as rotas dos átomos no plasma. [Imagem: Carl Caleman/CFEL/DESY/Uppsala University]

A água passa então por uma transição de fase de líquido para plasma - um plasma é um estado da matéria onde os elétrons foram removidos dos átomos, levando a uma espécie de gás eletricamente carregado.

"Mas, mesmo quando a água se transforma de líquido em plasma, ela permanece na densidade da água líquida, já que os átomos não tiveram tempo de se mover significativamente ainda," detalhou Olof Jönsson, membro da equipe.

Mais quente do que o núcleo da Terra

Esse exótico plasma de água é diferente de qualquer coisa que possa ser encontrada naturalmente na Terra. "Isso tem características semelhantes com alguns plasmas no Sol e no gigante gasoso Júpiter, mas tem uma densidade menor. Ao mesmo tempo, é mais quente do que o núcleo da Terra," acrescentou Olof.

"Além do seu significado fundamental, o estudo também tem significado prático imediato. Os lasers de raios X são frequentemente usados para investigar a estrutura atômica de pequenas amostras. É importante para qualquer experimento envolvendo líquidos em lasers de raios X," disse Kenneth Beyerlein. "Na verdade, qualquer amostra que você colocar no feixe de raios X será destruída da maneira que observamos. Se você analisar qualquer coisa que não seja um cristal, você deve levar isso em conta."

Bibliografia:

Ultrafast non-thermal heating of water initiated by an X-ray Free-Electron Laser
Kenneth R. Beyerlein, H. Olof Jönsson, Roberto Alonso-Mori, Andrew Aquila, Sasa Bajt, Anton Barty, Richard Bean, Jason E. Koglin, Marc Messerschmidt, Davide Ragazzon, Dimosthenis Sokaras, Garth J. Williams, Stefan Hau-Riege, Sébastien Boutet, Henry N. Chapman, Nicusor Timneanu, Carl Caleman
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 201711220
DOI: 10.1073/pnas.1711220115

Próton tem pressão maior que objeto mais denso do Universo Redação do Site Inovação Tecnológica -

Próton tem pressão maior que objeto mais denso do Universo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/05/2018

É a primeira vez que os físicos conseguem fazer uma medição de uma propriedade mecânica em partículas subatômicas. [Imagem: Jefferson Lab]

Maior pressão do Universo?

Físicos conseguiram medir pela primeira vez as propriedades mecânicas de uma partícula subatômica, o que revelou a distribuição da pressão dentro do próton.

E os resultados são impressionantes.

Dentro de cada próton, em cada átomo do Universo, há uma "panela de pressão" cuja força ultrapassa em uma ordem de grandeza a pressão existente no centro de uma estrela de nêutrons, um dos objetos mais densos que se conhece no Universo.

Para quem não se lembra, as estrelas de nêutrons têm uma massa maior do que a do Sol empacotada em uma esfera de cerca de 10 quilômetros de diâmetro - a pressão é tanta que elas acabam explodindo, gerando as supernovas, as maiores explosões do Universo.

A medição foi possível usando descrições teóricas que permitem substituir medições da gravidade - que são fracas demais para serem detectadas ao nível das partículas subatômicas - por medições eletromagnéticas, mais especificamente por um feixe de elétrons.

Durante o processo, um elétron entra em um próton e troca um fóton virtual com um quark, transferindo energia para o quark e o próton. Pouco tempo depois, o próton libera essa energia emitindo outro fóton, permanecendo intacto, e essa energia liberada é então medida.

Decilhões

Os físicos descobriram que os blocos de construção do próton, os quarks, estão sujeitos a uma pressão de 100 decilhões de pascals (10³⁵ pascals) perto do centro do próton, o que é cerca de 10 vezes maior do que a pressão no centro de uma estrela de nêutrons.

"Nós constatamos uma pressão extremamente alta, dirigida para fora do centro do próton, e uma pressão mais baixa e mais estendida dirigida para dentro, próximo à periferia do próton," explicou o professor Volker Burkert, dos Laboratórios Jefferson, nos EUA.

Essa distribuição de pressão dentro do próton é ditada pela força forte, a força fundamental que une três quarks para formar um próton.

"Estamos fornecendo uma maneira de visualizar a magnitude e a distribuição da força forte dentro do próton. Isso abre uma direção totalmente nova na física nuclear e de partículas que poderá ser explorada no futuro," disse Burkert.

Bibliografia:

The pressure distribution inside the proton
Volker D. Burkert, L. Elouadrhiri, F. X. Girod
Nature
Vol.: 557, pages396-399
DOI: 10.1038/s41586-018-0060-z

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Concreto com grafeno fica duas vezes mais forte Redação do Site Inovação Tecnológica

Concreto com grafeno fica duas vezes mais forte

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/05/2018

Blocos de concreto com grafeno, que poderão cortar o consumo de concreto pela metade. [Imagem: Dimitar Dimov / University of Exeter]

Concreto reforçado

Dimitar Dimov e seus colegas da Universidade de Exeter, no Reino Unido, encontraram uma aplicação para o grafeno que parece nada ter a ver com a típica delicadeza dos materiais formados por uma única camada de átomos.

Eles misturaram o grafeno ao concreto, o que resultou em um concreto reforçado que é duas vezes mais forte e quatro vezes mais resistente à água do que o concreto convencional.

Não é uma surpresa total, uma vez que o grafeno já foi considerado o material mais forte que existe. Mas o uso prático do grafeno é difícil justamente pela necessidade de manipular as delicadas camadas monoatômicas.

Dimov não ligou muito para isso - e nem precisava para a aplicação que ele tinha em mente: Ele simplesmente diluiu os flocos de grafeno em água e usou a água para fazer o concreto.

Como o material é muito mais resistente, torna-se possível executar o mesmo projeto usando apenas metade do concreto usado hoje.

• Cimento e concreto ficam mais verdes e mais fortes

"Essa pesquisa inovadora é importante por poder ser aplicada à construção civil e à manufatura em larga escala. A indústria precisa se modernizar incorporando não apenas a fabricação [de peças] fora do local da construção, mas também novos materiais inovadores. Este é um primeiro passo, mas um passo crucial na direção certa para tornar a construção civil mais sustentável," disse Dimov.

• Carbino: vem aí o novo material mais forte do mundo

Bibliografia:

Ultrahigh Performance nanoengineered Graphene-Concrete Composites for Multifunctional Applications
Dimitar Dimov, Iddo Amit, Olivier Gorrie, Matthew D. Barnes, Nicola J. Townsend, Ana I. S. Neves, Freddie Withers, Saverio Russo, Monica Felicia Craciun
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.201705183

Descoberta forma mais rápida e mais eficiente de processar informações Redação do Site Inovação Tecnológica -

Descoberta forma mais rápida e mais eficiente de processar informações

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/05/2018

A plasmônica, que controla os elétrons com luz, é uma das técnicas envolvidas com a fotônica, que trabalha para fazer chips que funcionam à velocidade da luz.[Imagem: Basov Lab/UCSD]

Rejuvenescendo os semicondutores

Químicos canadenses descobriram uma maneira muito mais rápida e eficiente de armazenar e processar informações, expandindo as limitações de como o fluxo de eletricidade pode ser usado e gerenciado no interior dos chips.

Penghui Yin e seus colegas da Universidade de Waterloo descobriram que a luz pode induzir a magnetização em determinados semicondutores, a classe padrão de materiais usados em todos os dispositivos de computação atuais.

"Estes resultados podem permitir uma maneira fundamentalmente nova de processar, transferir e armazenar informações com os dispositivos eletrônicos, [maneira esta] que é muito mais rápida e eficiente do que os eletrônicos convencionais," disse o professor Pavle Radovanovic, coordenador da equipe.

Magnetização com luz

A descoberta foi possível graças ao magnetismo e a um campo chamado spintrônica, que propõe armazenar informação binária na direção de rotação de um elétron, e da plasmônica, que usa oscilações coletivas dos elétrons e átomos na superfície de um material, oscilações estas produzidas pela incidência de luz.

"Nós basicamente magnetizamos nanocristais semicondutores individuais com luz à temperatura ambiente," disse Radovanovic. "É a primeira vez que alguém consegue usar o movimento coletivo de elétrons, conhecido como plásmon [de superfície], para induzir uma magnetização estável dentro de um material semicondutor não magnético."

Ao manipular os plásmons de superfície em nanocristais de óxido de índio, a equipe demonstrou que as propriedades magnéticas e semicondutoras podem de fato ser acopladas, tudo sem a necessidade de temperaturas ultrabaixas tipicamente usadas na spintrônica e na computação quântica.

Os nanocristais semicondutores têm seu magnetismo controlado unicamente por luz. [Imagem: Penghui Yin et al. - 10.1038/s41565-018-0096-0]

Plasmontrônica

A equipe prevê que sua descoberta deverá inicialmente permitir a construção de sensores magneto-ópticos altamente sensíveis para geração de imagens térmicas e sensoriamento químico.

Mas a abordagem deverá se estender rapidamente à detecção quântica, armazenamento de dados e processamento de informações quânticas - os campos da spintrônica, plasmônica e computação quântica têm inúmeros pontos de contato, e todas deverão ter grande impulso com uma técnica que permite fazer tudo a temperatura ambiente.

"Nossos resultados efetivamente inauguram o campo da plasmontrônica, que envolve os fenômenos que surgem das interações intrínsecas plásmon-exciton e plásmon-spin. Além disso, o controle dinâmico da polarização das portadoras [de carga] é prontamente obtido em temperatura ambiente, o que nos permite aproveitar o modo magnetoplasmônico como um novo grau de liberdade em dispositivos de processamento fotônico, optoeletrônico e de informação quântica," reforçou Radovanovic.

Bibliografia:

Plasmon-induced carrier polarization in semiconductor nanocrystals
Penghui Yin, Yi Tan, Hanbing Fang, Manu Hegde, Pavle V. Radovanovic
Nature Nanotechnology
DOI: 10.1038/s41565-018-0096-0

Calor e som acionam motores e geladeiras de estado sólido Redação do Site Inovação Tecnológica

Calor e som acionam motores e geladeiras de estado sólido

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/05/2018

A termoacústica em sólidos permitirá fabricar motores sem partes móveis que podem até permanecer operando indefinidamente. [Imagem: Mo Lifton/Purdue University]

Motores sólidos

Um sólido pode funcionar como um meio para que ondas de calor e ondas sonoras interajam exatamente como ocorre com os fluidos usados nos motores termoacústicos e nos refrigeradores - com a vantagem de resultarem em motores sem vazamentos e que podem até permanecer operando indefinidamente.

Pesquisadores das universidades de Purdue e Notre Dame, nos EUA, demonstraram pela primeira vez que a termoacústica pode ocorrer também nos sólidos, assim como ela opera nos fluidos.

Até agora, o projeto de motores termoacústicos, que dependem da interação entre oscilações de temperatura e ondas sonoras, tem andado de lado devido à etapa extra de construir algo para conter os fluidos - eles insistem em vazar.

Então, a saída pode ser fazer tudo sólido.

"Embora ainda esteja em sua infância, essa tecnologia pode ser particularmente eficaz em ambientes agressivos, como o espaço exterior, onde fortes variações de temperatura estão disponíveis gratuitamente, e onde falhas no sistema colocam em risco toda a missão," disse o professor Fabio Semperlotti.

Máquinas termoacústicas

A termoacústica é um fenômeno estabelecido e bem estudado em fluidos - gases e líquidos. "A aplicação de calor a um fluido contido em um duto ou cavidade induzirá a geração espontânea de ondas sonoras se propagando no próprio fluido. Isso resulta nos chamados tubos cantantes [experimentos usados em feiras de ciências] ou em máquinas termoacústicas," explicou o pesquisador Carlo Scalo.

Ou seja, a termoacústica permite que vibrações mecânicas residuais ou calor sejam convertidos em outras formas úteis de energia.

Para refrigeração, as ondas sonoras geram um gradiente de temperatura de quente e frio - o movimento vibratório torna as áreas frias mais frias e as quentes mais quentes. Os motores usam o processo oposto: um gradiente de temperatura - o calor residual de uma máquina ou forno, por exemplo - é transformado em vibrações mecânicas.

• Fogão, geladeira e gerador, tudo a lenha, graças à tecnologia termoacústica

Termoacústica de estado sólido

A termoacústica de estado sólido inicialmente parecia improvável, uma vez que os sólidos são um pouco mais estáveis do que os fluidos e tendem a dissipar a energia mecânica mais rapidamente, tornando mais difícil para o calor gerar ondas sonoras.

Mas a equipe desenvolveu um modelo teórico demonstrando que uma haste fina de metal pode apresentar vibrações mecânicas autossustentadas se um gradiente de temperatura for aplicado periodicamente aos segmentos da haste. Isso equilibra a dissipação de energia mecânica indesejada. Se o sólido contrair menos quando resfriado e expandir mais quando aquecido, o movimento resultante aumentará com o tempo.

Os sólidos também podem ser fabricados de forma a alcançar as propriedades necessárias para alcançar um alto desempenho termoacústico. "Os fluidos não nos permitem fazer isso," disse Semperlotti.

• Motor Acústico gera eletricidade a partir de ondas sonoras

Geradores espaciais

As diferenças de temperatura extremas no espaço são perfeitas para gerar vibrações mecânicas, que poderão então ser convertidas em energia elétrica para alimentar espaçonaves, satélites e sondas espaciais.

"Um dispositivo de estado sólido usaria o Sol como sua fonte de calor e a radiação para o espaço profundo como sua fonte fria," explicou Semperlotti. "Esses sistemas podem operar indefinidamente, dado que eles não têm qualquer parte móvel ou fluido que possa vazar."

A equipe está agora construindo uma configuração experimental para validar sua teoria e entender melhor a termoacústica de sólidos.

• Gerador termoacústico sem partes móveis para naves espaciais

Bibliografia:

Thermoacoustics of solids: A pathway to solid state engines and refrigerators
Haitian Hao, Carlo Scalo, Mihir Sen, Fabio Semperlotti
Journal of Applied Physics
Vol.: 123, 024903
DOI: 10.1063/1.5006489

Programa esconde informações nas letras de arquivos txt Redação do Site Inovação Tecnológica -

Programa esconde informações nas letras de arquivos txt

Redação do Site Inovação Tecnológica -  14/05/2018

A mensagem pode ser fotografada com um celular rodando o FontCode, que então decodifica a mensagem como se ela fosse um código de barras - até mesmo URLs podem ser codificadas. [Imagem: Chang Xiao et al. - 10.1145/3152823]

Mensagens escondidas em arquivos de texto

Manter informações secretas ou mandar mensagens cifradas pode ser mais simples usando uma técnica que permite incorporar informações em texto comum por meio de alterações imperceptíveis nas formas da fonte com que o texto é escrito.

Um novo programa, batizado de FontCode, é mais versátil e, ao contrário de outros métodos de camuflagem de informações em textos e documentos, funciona com a maioria dos tipos de documentos. Ele funciona com as famílias de fontes comuns, como Times Roman, Helvetica e Calibri, e é compatível com a maioria dos programas de processamento de texto, incluindo Word e FrameMaker, além de programas de edição e desenho de imagens, como Photoshop e Illustrator.

O FontCode é um método esteganográfico de texto que pode incorporar texto, metadados, uma URL ou uma assinatura digital em um documento de texto ou imagem, seja digitalmente armazenado ou impresso em papel - a esteganografia é a prática de cifrar sinais para fins de segurança.

"Alterando qualquer letra, sinal de pontuação ou símbolo em um formato ligeiramente diferente permite alterar o significado do documento," disse Chang Xiao, da Universidade de Colúmbia, nos EUA. "Essa informação oculta, embora não visível para os humanos, é legível por máquinas, assim como códigos de barras e códigos QR são instantaneamente legíveis por computadores. No entanto, ao contrário dos códigos de barras e códigos QR, o FontCode não estraga a estética visual do material impresso e sua presença pode permanecer secreta."

E as informações ocultas persistem mesmo quando os documentos ou imagens com textos alterados são impressos ou convertidos em outro tipo de arquivo.

Cifrando mensagens em txt

A informação é codificada usando perturbações mínimas nos caracteres, mudando a largura do traçado, ajustando a altura dos ascendentes e descendentes ou apertando ou afrouxando as curvas em serifas e as "taças" de letras como o, p e b.

O programa converte a mensagem secreta em uma sequência de bits (ASCII ou Unicode) e, em seguida, em uma sequência de inteiros. Cada inteiro é atribuído a um bloco de cinco letras no texto normal, onde os locais numerados do livro de código de cada letra somam o número inteiro.

Para recuperar as mensagens ocultas a partir de um arquivo digital ou de uma fotografia tirada do texto com um celular, o programa faz o processo inverso, combinando cada letra alterada com a alteração original no livro de códigos para reconstruir a mensagem original.

Como todos os caracteres podem ser alterados, a quantidade de informação transmitida secretamente é limitada apenas pela extensão do texto normal.

As alterações nos caracteres são muito sutis, imperceptíveis a olho nu. [Imagem: Chang Xiao et al. - 10.1145/3152823]

Detecção e criptografia

Os dados ocultos com essa técnica podem ser bem difíceis de detectar. Mesmo que um invasor detecte alterações nas fontes entre duas cópias aparentemente idênticas do mesmo texto, pode ser impraticável verificar cada arquivo circulando dentro de uma empresa ou entre duas instituições, por exemplo, em busca dessas diferenças.

Além disso, o programa não apenas incorpora mensagens comuns, mas também pode criptografar as mensagens. Enquanto as perturbações são armazenadas em locais numerados em um livro de códigos, suas localizações não são fixas. Assim, as pessoas que querem se comunicar através de documentos criptografados podem combinar uma chave privada que especifica os locais específicos, ou ordem, das perturbações de cada caractere no livro de códigos.

"Embora existam aplicações óbvias para espionagem, acreditamos que o FontCode tenha usos ainda mais práticos para empresas que desejam impedir adulteração de documentos ou proteger direitos autorais, e para varejistas e artistas que desejem incorporar códigos QR e outros metadados sem alterar a aparência ou o leiaute de um documento," disse o professor Changxi Zheng.

Bibliografia:

FontCode: Embedding Information in Text Documents using Glyph Perturbation
Chang Xiao, Cheng Zhang, Changxi Zheng
ACM Transactions on Graphics
Vol.: 37, Issue 2, Article No. 15
DOI: 10.1145/3152823
https://arxiv.org/pdf/1707.09418.pdf

Gra-feno? Vêm aí mais de 1000-fenos Redação do Site Inovação Tecnológica -

Gra-feno? Vêm aí mais de 1000-fenos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/05/2018

Mais de 1.000 materiais unidimensionais já foram identificados, sendo que 258 deles já estão sendo estudados em detalhes. [Imagem: EPFL/G.Pizzi]

Materiais monoatômicos

Os materiais 2D - formados por uma única camada atômica - foram descobertos há quase 15 anos, mas o primeiro deles a ser isolado foi o grafeno, em 2004, o que valeu o Prêmio Nobel de Física.

Apenas algumas dezenas desses materiais foram isolados até agora, mas já se sabia que o grafeno é apenas o começo no universo dos materiais uni e bi-dimensionais.

Agora, graças a uma abordagem informatizada desenvolvida por pesquisadores do Instituto Politécnico Federal de Lausanne, na Suíça, os materiais 2D mais promissores podem ser identificados de maneira mais rápida e criteriosa.

"Para encontrar outros materiais com propriedades semelhantes [ao grafeno], nos concentramos na viabilidade da esfoliação," explicou Nicolas Mounet, membro da equipe. "Mas, em vez de colocar fitas adesivas sobre o grafite para ver se as camadas seriam removidas, como os vencedores do Prêmio Nobel, usamos um método digital."

Biblioteca de materiais 2D

O programa criado pela equipe usou um processo passo a passo de eliminação, que começou identificando todos os materiais compostos de camadas separadas.

"Nós então estudamos a química desses materiais em maior detalhe e calculamos a energia que seria necessária para separar as camadas, concentrando-nos principalmente em materiais onde as interações entre átomos de diferentes camadas são fracas, algo conhecido como ligação de Van der Waals," explicou o pesquisador Marco Gibertini.

O algoritmo foi usado para revisar e analisar cuidadosamente a estrutura de 108.423 materiais 3D catalogados, resultando em um banco de dados com cerca de 5.619 potenciais materiais monoatômicos. Desses potenciais materiais inicialmente selecionados, foram identificadas 1.825 estruturas que poderiam ser esfoliadas, incluindo 1.036 que parecem especialmente fáceis de esfoliar - o consumo de fita adesiva vai ser bem menor.

Programa de código aberto

A equipe já selecionou os materiais que consideraram mais promissores - eles elegeram 258 -, classificando-os de acordo com suas propriedades magnéticas, eletrônicas, mecânicas, térmicas e topológicas.

"No passado, os químicos tinham que começar do zero e continuar tentando coisas diferentes, o que exigia horas de trabalho de laboratório e uma certa sorte. Com nossa abordagem, podemos evitar esse processo longo e frustrante porque temos uma ferramenta que pode apontar os materiais que valem mais a pena estudar, o que nos permite conduzir pesquisas mais focadas," disse o professor Nicola Marzari.

Como a plataforma de cálculos foi disponibilizada de forma pública, outros pesquisadores poderão reproduzir os cálculos ou aplicá-los a qualquer material de interesse para descobrir se ele pode ser esfoliado.

Bibliografia:

Two-dimensional materials from high-throughput computational exfoliation of experimentally known compounds
Nicolas Mounet, Marco Gibertini, Philippe Schwaller, Davide Campi, Andrius Merkys, Antimo Marrazzo, Thibault Sohier, Ivano Eligio Castelli, Andrea Cepellotti, Giovanni Pizzi, Nicola Marzari
Nature Nanotechnology
Vol.: 13, pages246-252
DOI: 10.1038/s41565-017-0035-5

Spintrônica permitirá processadores operando a plena carga Redação do Site Inovação Tecnológica -

Spintrônica permitirá processadores operando a plena carga

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/05/2018

A arquitetura baseada na spintrônica combina as funções de processamento e memória nos mesmos componentes magnéticos.[Imagem: Michael Osadciw/Universidade de Rochester]

Fenômeno do Silício Escuro

Embora os processadores de última geração contenham bilhões de transistores nanométricos, eles podem usar apenas uma fração de sua capacidade por causa de algo conhecido como "Fenômeno do Silício Escuro".

Em termos simples, uma grande porcentagem dos circuitos lógicos de um processador não pode ser ativada porque o calor gerado danificaria permanentemente o processador. O resultado é que o processador nunca está a plena carga.

Outro entrave é a própria arquitetura Von Neumann usada pela maioria dos sistemas de computação. Os núcleos de processamento precisam se comunicar o tempo todo com as células de memória localizadas em partes separadas do hardware. Isso não apenas limita a velocidade de processamento, mas também aumenta drasticamente a dissipação de energia, aumentando o superaquecimento.

Um pesquisador da Universidade de Rochester, nos EUA, está propondo agora um conceito inteiramente novo para superar esse problema e permitir que os microprocessadores "deem tudo de si".

"Isso tem um potencial significativo para melhorar o desempenho dos microprocessadores por ordens de grandeza. Você pode usar 10 vezes mais portas lógicas e, como a dissipação de energia é pequena, você pode usar todas elas simultaneamente em alta frequência, sem ter que se preocupar sobre o Fenômeno do Silício Negro," disse Mohammad Kazemi.

Apesar de a spintrônica estar muito próxima da computação quântica, já existem transístores spintrônicos que funcionam a temperatura ambiente. [Imagem: Spin FET@Chalmers]

Paradigma para a spintrônica

A arquitetura sugerida por Kazemi representa a primeira proposta de implementação nativa para os componentes criados pela spintrônica, uma forma de computação que se baseia não na carga dos elétrons, mas no seu momento angular, ou spin.

Ocorre que, até agora, não havia exatamente um paradigma de computação nativo para a spintrônica. Quem explica é o próprio Kazemi.

"As propostas para a lógica baseada em spin ou exigem dispositivos e circuitos auxiliares baseados em carga em cada porta individual ou adotam elementos centrais típicos da computação baseada em carga que empregam os componentes baseados em spin como auxiliares, o que anula em grande parte as possíveis vantagens.

"Aqui, nós mostramos que materiais de spin-órbita possuem uma base intrínseca para a execução de operações lógicas. Apresentamos uma porta lógica spin-órbita que realiza uma operação lógica universal utilizando o menor número possível de componentes, ou seja, os componentes essenciais necessários para representar os operandos lógicos.

"Além disso, enquanto as propostas anteriores para a lógica baseada em spin exigem componentes adicionais em cada porta individual para fornecer reconfigurabilidade, a porta que propomos é 'eletricamente' reconfigurável em tempo de execução simplesmente ajustando a amplitude do pulso de clock aplicado à porta.

"Demonstramos, analítica e numericamente, com modelos experimentais de referência, que a porta realiza operações lógicas e simultaneamente armazena o resultado, tornando realidade a lógica baseada em spin 'de pleno direito' escalável para dissipação ultrabaixa de energia," escreveu Kazemi em seu artigo.

"Considerando os efeitos mútuos de parâmetros magnéticos, elétricos e térmicos em nossa análise numérica, os resultados que estamos obtendo são muito próximos daqueles que seriam produzidos por experimentos com um dispositivo real," acrescentou ele, salientando que, em decorrência dos inúmeros progressos recentes na criação de componentes spintrônicos, espera que seu novo paradigma de computação possa ser testado na prática brevemente.

Bibliografia:

An electrically reconfigurable logic gate intrinsically enabled by spin-orbit materials
Mohammad Kazemi
Nature Scientific Reports
Vol.: 7, Article number: 15358
DOI: 10.1038/s41598-017-14783-1

Estruturas totalmente líquidas são impressas em 3D Redação do Site Inovação Tecnológica

Estruturas totalmente líquidas são impressas em 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/05/2018

É uma impressora 3D modificada para imprimir líquido em líquido. [Imagem: Berkeley Lab]

Impressão 3D de líquidos

Uma equipe do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, nos EUA, desenvolveu uma maneira de imprimir estruturas tridimensionais compostas inteiramente de líquidos.

Usando uma impressora 3D modificada, Joe Forth e seus colegas injetaram finos jatos de água - eles os chamam de "fios" - em óleo de silicone, esculpindo tubos feitos de um líquido dentro de outro líquido.

A impressora 3D de líquidos injeta "fios" de água em um surfactante especial feito com nanopartículas que travam a água no lugar. O surfactante, essencialmente sabão, impede que os tubos se quebrem em gotículas. O surfactante é tão eficiente nisso que a equipe o chama de "supersabão de nanopartículas".

O supersabão foi fabricado dispersando nanopartículas de ouro em água e ligantes de polímero em óleo. As nanopartículas de ouro e os ligantes poliméricos tendem a se ligar uns aos outros, mas também querem permanecer em seus respectivos meios de água e óleo.

Logo após a água ser injetada no óleo, dezenas de ligantes no óleo se ligam a nanopartículas individuais na água, essencialmente "vitrificando", o que estabiliza a interface entre o óleo e a água e trava as estruturas líquidas no lugar. O resultado são estruturas líquidas dispersas em meio líquido, tudo estável.

"Nós podemos espremer o líquido de uma agulha e colocar fios de água em qualquer lugar que quisermos em três dimensões. Também podemos tocar o material com uma força externa, que momentaneamente quebra a estabilidade do supersabão e muda a forma dos fios de água. As estruturas são infinitamente reconfiguráveis," disse Forth.

A impressão de água em óleo usa um supersabão: As nanopartículas de ouro na água se combinam com ligantes poliméricos no óleo para formar um filme elástico na interface, travando a estrutura no lugar. [Imagem: Berkeley Lab]

Eletrônica líquida

A equipe imprimiu fios líquidos entre 10 micrômetros e 1 milímetro de diâmetro, e em uma variedade de formas espiraladas e ramificadas de até vários metros de comprimento. Outra vantagem é que o material pode se adaptar ao ambiente e mudar repetidamente de forma.

Forth acredita que seu material totalmente líquido poderá ser usado para construir eletrônicos líquidos que alimentem aparelhos flexíveis e elásticos.

Ele também prevê a possibilidade de ajustar quimicamente os tubos e as moléculas fluindo através deles, levando a novas maneiras de separar moléculas ou entregar precisamente blocos de construção em nanoescala para compostos em processo de fabricação.

"É uma nova classe de material que pode se reconfigurar, e tem o potencial de ser personalizado em recipientes de reação líquidos para muitos usos, da síntese química e transporte de íons até a catálise," acrescentou o professor Thomas Russell, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Reconfigurable Printed Liquids
Joe Forth, Xubo Liu, Jaffar Hasnain, Anju Toor, Karol Miszta, Shaowei Shi, Phillip L. Geissler, Todd Emrick, Brett A. Helms, Thomas P. Russell
Advanced Materials
Vol.: 1707603
DOI: 10.1002/adma.201707603

Metamateriais agora podem ser controlados com luz Redação do Site Inovação Tecnológica

Metamateriais agora podem ser controlados com luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/05/2018

Representação artística da metassuperfície: Raios de luz (vermelho) energizam os elétrons nos cilindros de silício, alterando suas propriedades eletromagnéticas e, por decorrência, a forma como eles interagem com as ondas que devem manipular. [Imagem: Kebin Fan/Universidade Duke]

Metamateriais dinâmicos

Há poucos dias, os metamateriais se tornaram ativos, podendo ser ligados e desligados, o que significa que esses materiais artificiais, cujas propriedades não são definidas pelos seus átomos, mas pela sua forma, podem agora ser controlados em tempo real, e não apenas no momento de sua fabricação.

Agora essa possibilidade de controle ficou ainda mais versátil: Os metamateriaispodem ser controlados com luz.

"Esses materiais são compostos de uma grade de unidades separadas que podem ser ajustadas individualmente. Quando uma onda passa pela superfície, o metamaterial pode controlar a amplitude e a fase em cada local da grade, o que nos permite manipular a onda de várias formas diferentes," explicou o professor Willie Padilla, da Universidade de Duke, nos EUA.

É assim que as ondas de luz são manipuladas para criar os mantos de invisibilidade, por exemplo.

Metamaterial controlado pela luz

Para tornar o material responsivo à luz, mudando a forma como ele interage com as ondas eletromagnéticas em tempo de voo, a equipe de Padilla criou unidades básicas feitas de silício, cilindros com 120 micrômetros de largura e 50 micrômetros de altura - isso torna o material artificial mais propriamente uma metassuperfície.

Embora o silício não seja normalmente um material condutor, os pesquisadores bombardearam os cilindros com uma frequência específica de luz, em um processo chamado fotodopagem. Com isto, o material tipicamente isolante ganhou propriedades metálicas conforme a fotodopagem dava energia aos elétrons nas superfícies dos cilindros.

Esses elétrons recém-liberados fazem com que os cilindros interajam com as ondas eletromagnéticas que passam por eles. O tamanho dos cilindros dita com quais frequências de luz eles podem interagir, enquanto o ângulo da fotodopagem afeta como eles manipulam as ondas eletromagnéticas. Alterando os dois parâmetros, o metamaterial pode controlar as ondas eletromagnéticas de muitas maneiras diferentes.

"Podemos criar qualquer tipo de padrão que desejarmos, permitindo criar lentes ou dispositivos de direção de feixes [de luz], por exemplo. E como eles são controlados por feixes de luz, eles podem mudar muito rapidamente com muito pouca potência," disse Padilla.

Bibliografia:

Photo-Tunable Dielectric Huygens Metasurfaces
Kebin Fan, Jingdi Zhang, Xinyu Liu, Gufeng Zhang, Richard D. Averitt, Willie J. Padilla
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201800278

Mixer movido a luz mistura ou desmistura líquidos Redação do Site Inovação Tecnológica

Mixer movido a luz mistura ou desmistura líquidos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/05/2018

A microesfera fica girando continuamente em torno do eixo do laser, misturando os líquidos onde está mergulhada. [Imagem: F. Schmidt/Univ. of Gothenburg]

Motor acionado por luz

Você provavelmente tem em sua cozinha um misturador elétrico - um mixer.

É um aparelho simples, com um motor elétrico cujo eixo é conectado a uma haste que, por sua vez, contém uma pequena hélice na outra extremidade.

Agora imagine obter o mesmo efeito de misturador trocando motor, haste e hélice por um laser - você terá um motor movido a luz.

Esse pequeno motor óptico não conseguirá misturar seu achocolatado na velocidade que você gostaria, mas ele representa a solução sob medida para misturar líquidos no interior dos biochips, microlaboratórios construídos dentro de pastilhas de vidro que funcionam com base nos princípios da microfluídica.

Motor a vapor a laser

A ideia original foi de Pedro Quinto-Su, da Universidade Autônoma do México, que usou feixes de laser para prender uma partícula no ponto de maior intensidade da luz - esse mecanismo é conhecido como pinça óptica.

A partícula estava mergulhada em água, e o aquecimento provocado pelo laser fazia a água adjacente ferver, produzindo uma bolha de vapor que afastava a partícula do eixo do feixe. Então a partícula resfriava e era puxada para trás pelas pinças ópticas conforme a bolha era reabsorvida.

O resultado é uma partícula que se movimenta continuamente para a frente e para trás - Pedro chamou o mecanismo de "motor a vapor microscópico".

Mixer a laser

Falko Schmidt e seus colegas da Universidade de Gotemburgo, na Suécia, partiram daí e substituíram a água por uma mistura líquida crítica - uma mistura formada por dois líquidos pouco abaixo da temperatura na qual os dois se separam.

Bastou essa modificação para que a partícula mudasse de comportamento - em vez de ficar indo e vindo como um pistão movido a vapor, ela circula continuamente em volta do eixo do laser. Além de misturar coisas, pode-se usar uma microesfera de ferro como mecanismo de agitação - como a partícula aquece com o laser, ela faz a temperatura subir e força as misturas líquidas críticas a se desmisturarem.

Esse mixer acionado por luz alcança altas velocidades de rotação com alguns poucos miliwatts de potência do laser, em contraste com outros sistemas acionados opticamente, que tipicamente requerem vários watts e envolvem maiores mudanças internas de temperatura, afetando a mistura.

A equipe sueca afirma que o mecanismo é suficiente para misturar as minúsculas gotas de fluido usadas nos dispositivos microfluídicos, onde a mistura natural é limitada por causa da falta de turbulência dentro dos espaços confinados dos microcanais.

Bibliografia:

A microscopic steam engine implemented in an optical tweezer
Pedro A. Quinto-Su
Nature Communications
Vol.: volume 5, Article number: 5889
DOI: 10.1038/ncomms6889

Microscopic Engine Powered by Critical Demixing
Falko Schmidt, Alessandro Magazzù, Agnese Callegari, Luca Biancofiore, Frank Cichos, Giovanni Volpe
Physical Review Letters
Vol.: 120, 068004
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.068004

Os incríveis músculos artificiais de fibra de carbono Redação do Site Inovação Tecnológica

Os incríveis músculos artificiais de fibra de carbono

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/05/2018

As fibras de carbono em formato helicoidal viram músculos artificiais acionados eletricamente. [Imagem: Sameh Tawfick/Illinois]

Supermúsculos

Será que seus músculos estão afiados o suficiente para levantar algo equivalente ao seu próprio peso?

Pois estes novos músculos artificiais já nasceram sarados: eles levantam nada menos do que 12.600 vezes o seu próprio peso.

Se você estiver em forma e pesar por volta dos 70 quilogramas, isso equivaleria a você erguer 882 toneladas.

Caterina Lamuta, da Universidade de Illinois, nos EUA, criou estes supermúsculos tecendo espirais de fibras de carbono misturadas com o polímero PDMS (polidimetilsiloxano).

Uma estopa de fibras de carbono é inicialmente mergulhada no PDMS diluído com hexano e depois torcida com uma broca simples para criar um fio com uma forma homogênea e um raio constante. Após a cura do PDMS, o fio compósito reto é torcido até que fique totalmente enrolado.

Músculos elétricos

Além da capacidade inédita de sustentação de peso, esses músculos artificiais suportam até 60 MPa de estresse mecânico, suportando golpes de tração superiores a 25% e um trabalho específico de até 758 J/kg (joules por quilograma). Isto é 18 vezes mais do que o trabalho específico que nossos músculos biológicos são capazes de produzir.

Quando ativados eletricamente, os músculos artificiais apresentam excelente desempenho sem exigir uma tensão alta demais - um feixe de músculos artificiais de 0,4 mm de diâmetro levantou meio galão de água a 3,5 centímetros de altura com apenas 0,172 V/cm.

"A gama de aplicações desses músculos artificiais leves e de baixo custo é realmente ampla e envolve diferentes campos, como robótica, próteses, órteses e dispositivos de assistência humana.

"O modelo matemático que propusemos é uma ferramenta de design útil para configurar o desempenho dos músculos artificiais de forma helicoidal de acordo com as diferentes aplicações. Além disso, o modelo fornece uma compreensão clara de todos os parâmetros que desempenham um papel importante no mecanismo de atuação, e isso incentiva futuros trabalhos de pesquisa para o desenvolvimento de novas tipologias de músculos enrolados reforçados com fibra com propriedades aprimoradas," detalhou Lamuta.

Bibliografia:

Theory of the tensile actuation of fiber reinforced coiled muscles
Caterina Lamuta, Simon Messelot, Sameh Hani Tawfick
Smart Materials and Structures
DOI: 10.1088/1361-665X/aab52b

Computadores quânticos podem ser feitos com eletrônica comum? Redação do Site Inovação Tecnológica -

Computadores quânticos podem ser feitos com eletrônica comum?

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/05/2018

Esquema de um transístor de elétron individual fabricado pela equipe em ambiente industrial. [Imagem: Gonzalez-Zalba et al.]

Eletrônica com elétrons individuais

Uma equipe de várias instituições europeias atirou no que viu e acertou no que não viu - com a vantagem de que o alvo acertado pode ser muito mais futurístico do que o alvo mirado.

Financiado pelo programa de Tecnologias Futuras e Emergentes da União Europeia (FET), o projeto TOLOP (sigla em inglês para Rumo a uma Tecnologia da Informação de Baixa Potência) tinha como objetivo descobrir técnicas para manter o ritmo de miniaturização dos transistoresque vem sustentando a Lei de Moore.

Para isso, eles estavam tentando adaptar para a indústria a fabricação de transistores de um único elétron e transistores de um único átomo. Isso exigia descobrir como os transistores de elétrons e átomos individuais poderiam ser produzidos em massa, como integrá-los nos circuitos eletrônicos convencionais e ver se eles poderiam funcionar de forma confiável.

E a equipe teve êxito, conforme suas demonstrações atestaram em parceria com a empresa japonesa Hitachi.

"O grande avanço que o TOLOP demonstrou é que dispositivos de elétrons individuais podem ser construídos em nível industrial," frisou Fernando Gonzalez Zalba, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

Transístor vira qubit

Mas surgiu um problema, um problema que não pode ser chamado exatamente de inesperado quando se lida com elétrons e átomos individuais: os transistores produzidos pela equipe só funcionam em temperaturas criogênicas. Tente usá-los em temperaturas mais altas e os efeitos do elétron único ou do átomo individual tornam-se fracos demais para serem usados em aplicações práticas.

Foi neste momento que o alvo inesperado passou voando pela cabeça dos pesquisadores: dispositivos binários de elétron único e de átomo único são componentes ideais para funcionarem não apenas como bits eletrônicos, mas também como bits quânticos - e a computação quântica não se importa com as baixas temperaturas, já que a quase totalidade dos qubits exige temperaturas criogênicas.

A equipe correu para testar seus transistores como qubits, e os resultados foram promissores. E, se esses componentes quânticos puderem ser fabricados usando os mesmos métodos de nanofabricação que os transistores convencionais, o custo de produção seria significativamente reduzido, aproximando a computação quântica do mercado.

Já com os objetivos ajustados, a equipe recebeu um financiamento adicional para verificar se isso é de fato possível.

"Nós queremos demonstrar que a mesma tecnologia usada em nossos computadores pode ser usada para a computação quântica," anunciou Zalba.