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HELLBLOG: Cidades inteligentes saem da teoria para a prática...

HELLBLOG: Cidades inteligentes saem da teoria para a prática...: Cidades inteligentes saem da teoria para a prática na Europa Redação do Site Inovação Tecnológica  -   12/06/2018 Os bairros residenc...

Inventado capacitor de fluxo de "De Volta Para o Futuro" Redação do Site Inovação Tecnológica

Inventado capacitor de fluxo de "De Volta Para o Futuro"

Redação do Site Inovação Tecnológica -  05/06/2018

O projeto e o capacitor de fluxo projetado pelo Dr. Doc Brown. [Imagem: Universal Pictures/Divulgação]

Capacitor de fluxo

Em De Volta Para o Futuro, o cientista Emmett Brown cria uma máquina do tempo que funciona com base em um dispositivo que ele batizou de capacitor de fluxo.

Agora, um grupo de físicos australianos e suíços projetou um dispositivo que usa o tunelamento quântico do fluxo magnético em torno de um capacitor - ou seja, um capacitor de fluxo.

E, mais do que curiosamente, o dispositivo funciona de uma forma que essencialmente rompe a simetria da inversão do tempo - em outras palavras, ele quebra a famosa seta do tempo.

Mesmo assim ele não vai servir para viajar no tempo, mas terá amplas aplicações tecnológicas, das telecomunicações e dos radares à computação quântica.

Circulador supercondutor

Os capacitores de fluxo projetados pela equipe são essencialmente "circuladores eletrônicos", dispositivos que controlam a direção na qual sinais de micro-ondas ou outras frequências se movem.

"Nós propusemos dois possíveis circuitos diferentes, um dos quais se assemelha ao icônico design de três pontas do capacitor de fluxo cinematográfico.

"Nele, 'tubos' quânticos de fluxo magnético podem se mover em torno de um capacitor central por um processo conhecido como tunelamento quântico, onde eles superam obstáculos insuperáveis classicamente," explicou o professor Jared Cole, da Universidade RMIT, na Austrália.

O dispositivo é construído a partir de um supercondutor, no qual a eletricidade pode fluir sem resistência elétrica, tornando os fenômenos quânticos passíveis de serem explorados de forma controlada.

Esquema do capacitor do fluxo real (esquerda) e seu desenho sobreposto ao capacitor de fluxo do filme "De Volta Para o Futuro" (direita). [Imagem: Clemens Müller et al. (2018)]

Quebra da simetria da reversão do tempo

A quebra da simetria da reversão do tempo, que neste caso ocorre pela combinação dos campos magnéticos e das cargas elétricas, significa que a seta do tempo - o tempo fluindo do passado rumo ao futuro - deixa de ser relevante, de modo que o reverso de qualquer processo possível também se torna possível.

No ano passado, uma equipe brasileira demonstrou esse efeito de fazer o tempo andar para trás usando um fluxo de calor.

"Infelizmente, esse efeito não nos permite viajar de volta no tempo," explica o pesquisador Tom Stace, da Universidade de Queensland, na Austrália. "Em vez disso, ele significa que os sinais circulam pelo circuito em apenas uma direção, muito parecidos com carros em uma rotatória."

• Reversão do tempo criará tecnologias para o futuro

Aplicações do capacitor de fluxo

O capacitor de fluxo poderá ser usado, por exemplo, para isolar as partes de um aparato experimental umas das outras, o que é essencial quando as partes individuais são sistemas quânticos extremamente sensíveis, como qubits.

Isso pode tornar o dispositivo um componente crucial para os computadores quânticos, que sofrem com a perda de dados dos qubits justamente porque qualquer coisa no ambiente afeta seus dados, levando a um processo chamado decoerência.

"Nossa pesquisa dá um passo importante no sentido de escalonar essa tecnologia, quando os pesquisadores precisam direcionar com precisão os sinais de controle e de medição no interior de um computador quântico," disse Clemens Mueller, do ETH de Zurique, na Suíça.

No curto prazo, o dispositivo poderá encontrar aplicação também no desenvolvimento de melhores antenas de telefonia móvel, Wi-Fi e radar, permitindo filtrar melhor as frequências e eliminar ruídos.

• No fluxo contínuo do tempo não há lugar para o presente

Bibliografia:

Breaking time-reversal symmetry with a superconducting flux capacitor
Clemens Müller, Shengwei Guan, Nicolas Vogt, Jared H. Cole, Thomas M. Stace
Physical Review Letters
Vol.: 120, 213602
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.213602
https://arxiv.org/abs/1709.09826

Experimento no espaço para criar materiais que se constroem sozinhos Redação do Site Inovação Tecnológica

Experimento no espaço para criar materiais que se constroem sozinhos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  05/06/2018

A ideia é ir adicionando diferentes botões de controle para guiar o processo de montagem das partículas coloidais.[Imagem: NASA/iGoal Animation]

Automontagem controlada

A automontagem é uma das principais ferramentas da nanotecnologia - em vez de montar as coisas como se constrói uma casa, colocando tijolo por tijolo, as partículas são projetadas para apresentarem uma afinidade que as faz juntarem-se por conta própria, gerando a peça final sem a necessidade de qualquer ação externa.

Esse conceito é particularmente promissor para a exploração espacial - já que não dá para levar tudo a bordo de uma nave, o negócio é construir as coisas conforme necessário por lá mesmo.

Os primeiros testes para isso estão prestes a começar na Estação Espacial Internacional com a chegada o experimento ACE, sigla em inglês de Experimento Avançado com Coloides.

Usando diferentes formas de energia como "botões de controle", o aparelho foi projetado para dar diferentes instruções às nanopartículas para que elas se montem da forma planejada. Nesse primeiro protótipo, a temperatura está sendo usada para controlar a montagem e as interações das partículas. Suspensas em um líquido, as partículas foram projetadas para se ligar umas às outras de formas específicas para formar cristais 3D de acordo com a temperatura.

"Em uma temperatura uma fase de cristalização é favorecida, e, em outra, outra fase de cristalização é favorecida. Essencialmente, a temperatura é um estímulo externo para guiar e ajudar as partículas a se ligarem da maneira correta. É uma maneira de orientá-las ou controlar sua montagem," disse Stefano Sacanna, da Universidade de Nova Iorque, um dos projetistas do ACE.

Manufatura aditiva

Na Terra, a força da gravidade puxa as nanopartículas para o fundo do recipiente, não permitindo o início do processo de montagem - as nanopartículas ficam suspensas em líquidos. O ambiente de microgravidade da Estação Espacial permitirá observar como os cristais estão crescendo, permitindo separar os efeitos da gravidade.

Uma melhor compreensão de como essas partículas interagem ajudará os pesquisadores a transformar essa ciência em tecnologia, transformando a automontagem em uma nova forma de manufatura aditiva. Ou seja, não serão apenas o exploradores espaciais que terão a ganhar com os resultados deste experimento.

O processo ainda é primário, mas não é em essência diferente de como as coisas vivas são feitas na natureza - blocos de construção que se juntam, comportando-se de acordo com seu código genético, defende Stefano.

• Automontagem dirigida transforma estrutura amorfa em cristalina

Robô navega sem motor e sem bateria Redação do Site Inovação Tecnológica

Robô navega sem motor e sem bateria

Redação do Site Inovação Tecnológica -  01/06/2018

Este robô rema embaixo d'água sem precisar de bateria e motor.[Imagem: Tian Chen/Osama R. Bilal/Caltech]

Robô sem motor

Este robô subaquático move-se sem precisar de usar um motor, o que significa que ele também não precisa de baterias ou combustível.

Em vez disso, ele rema usando a deformação do próprio material com que é feito, deformação esta que é induzida por mudanças de temperatura.

"[Nosso protótipo] mostra que podemos usar materiais estruturados que deformam em resposta a sinais do ambiente para controlar e impulsionar robôs," disse o professor Chiara Daraio, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos EUA, que desenvolveu o robô em colaboração com colegas do Instituto ETH de Zurique, na Suíça.

"Combinando movimentos individuais simples, nós fomos capazes de incorporar uma programação no material para realizar uma sequência de comportamentos complexos," acrescentou o pesquisador Osama Bilal.

Músculos artificiais autônomos

O novo sistema de propulsão se baseia em tiras de um polímero flexível que fica enrolado quando frio e se estende quando aquecido. O polímero é posicionado para ativar um interruptor dentro do corpo do robô, que por sua vez é preso a uma pá, posicionada como o remo de um barco.

O interruptor é feito de um elemento biestável, um componente que pode ser estável em duas geometrias distintas. Neste caso, ele é construído com tiras de um material elástico que, quando empurrado pelo polímero, alterna de uma posição para a outra. Quando o robô frio é colocado em água quente, o polímero se estica, ativa o interruptor e a liberação súbita de energia resultante movimenta o remo, empurrando o robô para a frente.

As tiras de polímero também podem ser ajustadas para dar respostas específicas em momentos diferentes: isto é, uma tira mais espessa levará mais tempo para se aquecer, esticar e, finalmente, ativar a sua pá do que uma tira mais fina. Essa capacidade permite construir robôs capazes de girar e se mover em diferentes velocidades.

Bibliografia:

Harnessing bistability for directional propulsion of soft, untethered robots
Tian Chen, Osama R. Bilal, Kristina Shea, Chiara Daraio
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1800386115

Brasileiros descobrem como aumentar eficiência dos aceleradores de partículas Com informações da Agência Fapesp

Brasileiros descobrem como aumentar eficiência dos aceleradores de partículas

Com informações da Agência Fapesp -  11/06/2018

Embora a versão atual esteja em plena atividade, já está pronto o projeto do novo LHC.[Imagem: Daniel Dominguez/Maximilien Brice]

Aceleradores de partículas

Falar em aceleradores de partículas lembra logo instalações gigantescas, como o LHC (Large Hadron Collider), voltadas para a pesquisa fundamental em física de altas energias.

Mas existem inúmeros aceleradores bem menores, que são utilizados em medicina (exames por imagem ou tratamento de tumores), na indústria (esterilização de alimentos, inspeção de cargas, engenharia eletrônica) e em vários tipos de investigação (prospecção de petróleo, pesquisa arqueológica, estudo de obras de arte).

Qualquer que seja o objetivo, contudo, é necessário controlar o caos dos feixes de partículas para aumentar a eficiência em todas essas aplicações, incluindo a velocidade máxima atingida pelas partículas aceleradas.

Uma nova contribuição nessa área acaba de ser dada por Meirielen Caetano de Sousa e Iberê Luiz Caldas, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo.

Barreira contra o caos

Meirielen e Iberê idealizaram uma barreira de transporte que confina as partículas, impedindo que elas passem de uma região do acelerador para outra. Esse procedimento, ainda não efetivado em aceleradores comuns, já foi observado em tokamaks - reatores de formato toroidal utilizados em fusão nuclear -, nos quais o confinamento magnético das partículas impede que o plasma superaquecido entre em contato com as paredes do equipamento, que poderiam ser derretidas pelo calor.

Físicos planejam construir um "LHC" para quasipartículas, para estudar a matéria sólida. [Imagem: Fabian Langer/Universidade de Regensburg]

"Nos tokamaks, a barreira de transporte é obtida por meio de eletrodos, aplicados nas bordas do plasma, que alteram o campo elétrico. Em aceleradores, isso ainda não foi realizado. O que já se fez foi adicionar uma onda eletrostática com parâmetros bem definidos ao sistema. Ao interagir com as partículas, a onda consegue controlar o caos mas gera múltiplas barreiras, que não vedam a região de forma tão precisa. Trata-se de uma solução menos robusta. Em nosso estudo, modelamos um sistema com uma única barreira, a exemplo do que ocorre em tokamaks," detalhou Meirielen.

Essa barreira única e robusta deverá ser produzida por meio de uma perturbação magnética ressonante. Ao responder à perturbação, o plasma fica confinado em uma só região.

"Criamos o modelo, o descrevemos matematicamente e as simulações numéricas mostraram que ele funciona. Cabe agora levar a proposta aos físicos experimentais, para que a solução seja testada na prática," disse Meirielen.

• Brasileiros modelam ordem que impera no caos

Controle do caos

As partículas usadas para análises, testes e imageamento são geradas por um canhão de elétrons - pela diferença de potencial entre o anodo e o catodo - ou pela aplicação de um pulso de laser ao plasma. E elas são então aceleradas por meio de ondas eletromagnéticas, que lhes fornecem sucessivos aportes de energia.

Recentemente, o Capitão Picard inaugurou um novo acelerador de partículas europeu. [Imagem: HUD/Divulgação]

"O que se espera de um acelerador é que todas as partículas cheguem juntas no final, sem se desviar no caminho, e mais ou menos com a mesma energia e velocidade. Se elas se comportam de forma caótica, isso não acontece. E o feixe deixa de servir para qualquer aplicação", explicou Iberê.

A barreira proposta pelos dois físicos brasileiros controla o caos, possibilita que a velocidade máxima alcançada pelas partículas aumente e que a velocidade inicial necessária diminua. Para uma onda de baixa amplitude, a velocidade final simulada aumentou 7% e a velocidade inicial diminuiu 73%.

Além do aumento da eficiência dos aceleradores, a pesquisa poderá ajudar a diminuir o uso das fontes radioativas.

"Hoje em dia, a emissão de partículas, para uso médico ou industrial, ainda é muito baseada no emprego de materiais radioativos. Decorrem disso vários problemas, como poluição, decaimento do material emissor com necessidade de reposição e altos custos. Os aceleradores evitam esses problemas. A utilização de radioisótopos está sendo parcialmente substituída por aceleradores. Daí o grande interesse em otimizar o funcionamento desses equipamentos," explicou o professor Iberê.

• Anti-Big Bang cria novo tipo de acelerador de partículas

Bibliografia:

Improving particle beam acceleration in plasmas
Meirielen Caetano de Sousa, Iberê Luiz Caldas
Physics of Plasmas
Vol.: 25, 043110
DOI: 10.1063/1.5017508

Descoberto novo elemento magnético a temperatura ambiente Redação do Site Inovação Tecnológica

Descoberto novo elemento magnético a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica -  11/06/2018

Este esquema mostra como uma fase tetragonal do rutênio foi forçada em um filme fino. [Imagem: Patrick Quarterman et al. - 10.1038/s41467-018-04512-1]

Elementos ferromagnéticos

O elemento químico rutênio (Ru) tornou-se o quarto elemento químico a apresentar propriedades magnéticas a temperatura ambiente.

Esta descoberta deverá ser usada para viabilizar componentes de lógica e memória magnéticas para computadores, sensores e outros dispositivos que usam materiais magnéticos.

O ferromagnetismo é o mecanismo básico pelo qual certos materiais (como o ferro) formam ímãs permanentes ou são atraídos por ímãs.

Até agora, sabíamos de apenas três elementos da tabela periódica que são ferromagnéticos a temperatura ambiente - ferro (Fe), cobalto (Co) e níquel (Ni). O elemento de terras raras gadolínio (Gd) não ocupa uma vaga por apenas 8 graus Celsius.

Patrick Quarterman e seus colegas da Universidade de Minnesota, nos EUA, demonstraram agora que o rutênio é o quarto material ferromagnético de um único elemento químico.

Eles comprovaram isto fabricando filmes ultrafinos do material para forçar a manifestação da sua fase ferromagnética. O rutênio prefere cristalizar em uma configuração hexagonal, que não é ferromagnética, mas a equipe conseguiu forçá-lo a cristalizar em uma configuração tetragonal, que revelou o ferromagnetismo a temperatura ambiente.

"Levamos cerca de dois anos para encontrar um caminho adequado para crescer este material e validá-lo. Este trabalho irá levar a comunidade de pesquisas magnéticas a examinar os aspectos fundamentais do magnetismo em muitos [outros] elementos bem conhecidos," disse o professor Jian-Ping Wang, coordenador da equipe.

Rutênio magnético

A gravação magnética é a tecnologia dominante no armazenamento de dados, mas as memórias de acesso aleatório magnéticas (MRAM) estão começando a ocupar seus lugares.

Essas memórias e dispositivos lógicos magnéticos impõem restrições adicionais aos materiais magnéticos onde os dados são armazenados e computados, em comparação com os materiais magnéticos tradicionais dos discos rígidos.

Essa pressão por novos materiais aumentou o interesse em encontrar as condições certas para tornar magnéticos materiais que normalmente não são ferromagnéticos, como o próprio rutênio, o paládio (Pd) e o ósmio (Os). Quarterman e seus colegas afirmam que este experimento abre as portas para estudos fundamentais deste novo rutênio ferromagnético e seus assemelhados.

Do ponto de vista das aplicações práticas, o rutênio é interessante porque ele é resistente à oxidação, e previsões teóricas afirmam que ele tem uma alta estabilidade térmica - um requisito vital para a viabilização das memórias magnéticas que a equipe pretende demonstrar a seguir.

• Magnetoeletricidade: surge uma nova forma de controlar o magnetismo

Bibliografia:

Demonstration of Ru as the 4th ferromagnetic element at room temperature
Patrick Quarterman, Congli Sun, Javier Garcia-Barriocanal, Mahendra DC, Yang Lv, Sasikanth Manipatruni, Dmitri E. Nikonov, Ian A. Young, Paul M. Voyles, Jian-Ping Wang
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 2058
DOI: 10.1038/s41467-018-04512-1

Drone muda de forma para passar por lugares estreitos Redação do Site Inovação Tecnológica

Drone muda de forma para passar por lugares estreitos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/06/2018

A capacidade morfológica é autônoma, não dependendo do piloto. [Imagem: Valentin Rivière et al. - 10.1089/soro.2017.0120]

Drone que encolhe

Se você quer fazer filmes para o Youtube mas tem medo de quebrar seu precioso drone fazendo-o voar em lugares estreitos, esta pode ser a solução que você estava procurando.

Inspirado na forma como as corujas ajustam suas asas para voar silenciosamente por entre as árvores, este robô aéreo é capaz de alterar seu perfil em pleno voo.

Ajustando seus braços, nos quais são fixadas as hélices, ele consegue reduzir drasticamente sua envergadura, podendo então voar por lugares apertados sem exigir que o controlador humano seja um ás de pilotagem - o drone encolhe os braços sozinho ao detectar uma passagem muito estreita.

Valentin Riviere e seus colegas da Universidade Aix-Marseille, na França, batizaram seu drone de Quad-Morphing, um quadricóptero morfológico.

• Asa bioinspirada abre, trava e fecha sem usar energia

O drone muda automaticamente seu formato ao encontrar uma passagem estreita. [Imagem: Valentin Rivière et al. - 10.1089/soro.2017.0120]

Ajustando a envergadura

Para ganhar a capacidade de mudar de forma, o drone tem dois braços rotativos, cada um equipado com duas hélices.

Um sistema contendo fios elásticos e rígidos permite que o robô mude a orientação de seus braços em voo, de modo que eles fiquem perpendiculares ou paralelos ao seu eixo central. Na posição paralela, a envergadura do drone reduz-se à metade, suficiente para atravessar um trecho estreito, voltando então à posição perpendicular para estabilizar o voo.

Os testes mostraram que o sistema automático de ajuste consegue fazer o robô passar em segurança por vãos estreitos voando a uma velocidade de até 9 km/h, o que é bastante rápido para um drone desse tipo.

O mecanismo de autopilotagem usado nos testes baseou-se em um sistema de localização 3D disponível no laboratório. Mas o drone já recebeu uma câmera em miniatura que captura 120 quadros por segundo, com a qual os engenheiros pretendem fazer com que o drone avalie os espaços por onde deve passar de forma totalmente autônoma. Os testes com este novo sistema de visão artificial deverão começar ainda neste mês.

• Avião gira as asas de forma independente

Bibliografia:

Agile Robotic Fliers: A Morphing-Based Approach
Valentin Riviere, Augustin Manecy, Stephane Viollet
Soft Robotics
DOI: 10.1089/soro.2017.0120

Espuma metálica supera todas as blindagens de aço Redação do Site Inovação Tecnológica

Espuma metálica supera todas as blindagens de aço

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/06/2018

Este é um dos painéis de espuma de aço inoxidável após os testes - os fragmentos ficaram presos no material, que não cedeu e nem trincou. [Imagem: NCSU]

Blindagem de espuma metálica

Coletes e escudos feitos com uma espuma de aço inoxidável poderão bloquear projéteis e estilhaços viajando a até 1.500 metros por segundo (5.400 km/h), ejetados de uma detonação a apenas 45 centímetros de distância.

As espumas metálicas são fabricadas criando um grande número de poros, de diversos tamanhos, no metal base, gerando um material de baixa densidade e, portanto, muito mais leve do que o metal original.

O experimento envolveu disparar um projétil explosivo e incendiário, de 23 x 152 milímetros (mm), em uma placa de alumínio de 2,3 mm de espessura. A 45 centímetros (cm) de distância, foram colocadas placas feitas com a espuma metálica, com 9,5 mm e 16,5 mm de espessura.

Os escudos resistiram à onda de pressão da explosão e detiveram os fragmentos de cobre e aço criados pela própria explosão, bem como o alumínio da placa onde ocorreu a detonação.

Os painéis das duas espessuras bloquearam a onda de choque. A espuma de 16,5 mm bloqueou todos os fragmentos, que mediam de 15 mm² até mais de 150 mm². A espuma de 9,5 mm deteve a maioria, mas não todos os fragmentos.

Extrapolando esses resultados, uma chapa de espuma de aço de 10 mm seria suficiente para defender de todos os efeitos da explosão.

"Em resumo, descobrimos que a espuma compósita de aço inoxidável oferece muito mais proteção do que todos os materiais de blindagem existentes, ao mesmo tempo em que reduz o peso notavelmente," disse o professor Afsaneh Rabiei, da Universidade da Carolina do Norte, nos EUA. "Podemos fornecer tanta proteção quanto uma blindagem de aço atual em uma fração do peso - ou fornecer muito mais proteção com o mesmo peso."

Além da proteção de veículos civis e militares, as espumas metálicas são promissoras para uso aeroespacial - já se sabia, por exemplo, que as espumas de metal bloqueiam radiação gama, de nêutrons e raios X.

Bibliografia:

A study on blast and fragment resistance of composite metal foams through experimental and modeling approaches
Jacob Marx, Marc Portanova, Afsaneh Rabieia
Composite Structures
Vol.: 194, 15 June 2018, Pages 652-661
DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.03.075

Microssensores de gás para localizar pessoas soterradas Redação do Site Inovação Tecnológica

Microssensores de gás para localizar pessoas soterradas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  06/06/2018

Drones e robôs também poderão ser equipados com os sensores de gás, permitindo que áreas de difícil acesso sejam vasculhadas. [Imagem: Andreas Güntner/ETH Zurich]

Detecção pelo cheiro

Estes minúsculos sensores são capazes de detectar pessoas pelo cheiro. A ideia é melhorar a busca de pessoas soterradas em acidentes, como terremotos, avalanches ou deslizamentos de terra.

Os cães de resgate treinados ainda são os melhores trabalhadores nessas horas, mas eles não costumam estar disponíveis imediatamente nas áreas de desastre, sendo necessário aguardar que as equipes e seus cães se preparem e viajem de longe.

A ideia de Andreas Güntner, do Instituto ETH de Zurique, na Suíça, é permitir que a defesa civil de cada localidade tenha seu próprio estoque de sensores, que poderão ser lançados imediatamente na área do acidente, evitando a perda de tempo precioso.

A equipe já havia desenvolvido microssensores de gás extremamente sensíveis, capazes de detectar acetona, amônia e isopreno - todos produtos metabólicos que emitimos em baixas concentrações através da respiração ou da pele.

Agora cada chip recebeu sensores de CO2 e umidade.

"A combinação de sensores para vários compostos químicos é importante porque as substâncias individuais podem vir de outras fontes além dos humanos. O CO2, por exemplo, pode vir de uma pessoa soterrada ou de algo queimando," disse Güntner.

Sensores para resgate e salvamento

Os primeiros testes comprovaram que essa combinação de sensores pode ser bastante útil na busca por pessoas acidentadas. Os pesquisadores usaram uma câmara de teste no Instituto de Pesquisa da Respiração da Universidade de Innsbruck, na Áustria, como um simulador de armadilhas. Os voluntários foram localizados em no máximo duas horas.

Aparelhos eletrônicos já são usados durante as operações de busca e salvamento, usando microfones e câmeras, mas eles ajudam a localizar apenas pessoas presas que são capazes de se fazer ouvir ou são visíveis sob as ruínas. A ideia de Güntner é complementar esses recursos com os sensores químicos.

Agora a equipe está procurando parceiros da indústria ou investidores para apoiar a construção de um protótipo. Drones e robôs também poderão ser equipados com os sensores de gás, permitindo que áreas de difícil acesso ou inacessíveis sejam vasculhadas.

Bibliografia:

Sniffing Entrapped Humans with Sensor Arrays
Andreas T. Güntner, Nicolay J. Pineau, Pawel Mochalski, Helmut Wiesenhofer, Agapios Agapiou, Christopher A. Mayhew, Sotiris E. Pratsinis
Analytical Chemistry
Vol.: 90 (8), pp 4940-4945
DOI: 10.1021/acs.analchem.8b00237

Células artificiais com fotossíntese abrem múltiplos caminhos Redação do Site Inovação Tecnológica

Células artificiais com fotossíntese abrem múltiplos caminhos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/06/2018

Uma membrana (borda externa vermelha) encapsula a actina (linhas brancas), os blocos de construção do citoesqueleto e dos tecidos. A actina foi polimerizada acoplando a síntese de ATP com organelas artificiais (pontos verdes) no interior da membrana. [Imagem: Disease Biophysics Group/Harvard University]

Biologia sintética

Fabricar células artificiais é uma meta de longa data da biologia sintética porque mesclar o artificial com o biológico tem um potencial tecnológico difícil de dimensionar.

Novas ferramentas médicas, robôs, próteses sensíveis e inteligentes, conexão direta entre o corpo e dispositivos computacionais, química verde, novas ferramentas de biotecnologia e novos métodos de produção de biocombustíveis podem ser citados, apenas para não deixar as possibilidades e opções totalmente em aberto.

E um passo importante no longo caminho que há pela frente para se alcançar tudo isto foi dado agora por uma equipe das universidades de Harvard (EUA) e Sogang (Coreia do Sul).

Keel Yong Lee e seus colegas criaram uma estrutura artificial que não apenas é similar a uma célula biológica, como também possui seu próprio sistema de fotossíntese para alimentar suas reações metabólicas, incluindo a colheita de energia, a fixação de carbono e a formação do seu próprio citoesqueleto.

"Nós ativamos a atividade metabólica com luz, construímos uma rede de proteínas sob demanda em uma célula viva e empacotamos todos os componentes necessários para fazer isso em uma célula," resumiu o professor Kevin Parker.

"Os mecanismos que demonstramos devem ser o primeiro passo no desenvolvimento de múltiplas redes regulatórias para células artificiais capazes de apresentar homeostase e comportamentos celulares complexos," complementou seu colega Kwanwoo Shin.

O controle da produção da actina é feito alterando a cor da luz que ilumina a célula artificial. [Imagem: Video courtesy of the Disease Biophysics Group/Harvard University]

Células artificiais com fotossíntese

Para construir as células sintéticas, os pesquisadores projetaram uma organela capaz de realizar fotossíntese partindo de componentes dos reinos vegetal e animal.

"Nossa ideia foi simples. Nós escolhemos duas proteínas fotoconversoras - uma de plantas, a outra de bactérias - que podem gerar um gradiente através da membrana celular para desencadear reações," descreveu Lee.

As proteínas foram incorporadas em uma membrana lipídica simples, juntamente com enzimas que geram trifosfato de adenosina (ATP), a energia essencial das células.

Os fotoconversores são sensíveis a diferentes comprimentos de onda da luz: um ao vermelho e o outro ao verde. Quando a membrana é iluminada com luz vermelha, ocorre uma reação química fotossintética, produzindo ATP. Quando a membrana é iluminada com luz verde, a produção é interrompida.

A capacidade de ativar e desativar a produção de energia permite controlar muitas reações dentro da célula, incluindo a polimerização da actina, um elemento essencial da constituição das células e tecidos.

Essa possibilidade de produzir actina sob demanda e de forma ajustável permite controlar o formato das membranas celulares e pode ajudar a projetar células artificiais móveis.

Próteses celulares

Esta abordagem de baixo para cima para construir células sintéticas poderá ser usada para construir outras organelas artificiais, como o retículo endoplasmático ou um sistema semelhante ao núcleo, e pode ser o primeiro passo em direção a sistemas artificiais semelhantes a células que possam imitar os comportamentos complexos das células biológicas.

"Da medicina da fertilidade até feridas traumáticas e outras doenças mais exóticas, agora temos uma compreensão básica das ferramentas e requisitos para controlar o que acontece em uma célula. A ideia de próteses celulares está cada vez mais próxima com esse resultado," disse Parker.

Bibliografia:

Photosynthetic artificial organelles sustain and control ATP-dependent reactions in a protocellular system
Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Keon Ah Lee, Se-Hwan Kim, Heeyeon Kim, Yasmine Meroz, L Mahadevan, Kwang-Hwan Jung, Tae Kyu Ahn, Kevin Kit Parker, Kwanwoo Shin
Nature Biotechnology
DOI: 10.1038/nbt.4140

Luz torna processadores um milhão de vezes mais rápidos - ou quânticos Redação do Site Inovação Tecnológica

Luz torna processadores um milhão de vezes mais rápidos - ou quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/06/2018

Ilustração artística do pulso de luz polarizada colocando os elétrons em dois estados diferentes, permitindo que eles funcionem tanto como bits eletrônicos quanto como qubits. [Imagem: Stephen Alvey/Michigan Engineering]

Bits fotônicos e bits quânticos

Estados de energia dos elétrons em um semicondutor, setados e alterados com pulsos de luz, podem funcionar como os 0s e 1s não apenas dos futuros computadores eletrônicos e fotônicos, mas também de uma nova vertente de computadores quânticos capazes de funcionar à temperatura ambiente.

Uma equipe de pesquisadores da Alemanha e dos Estados Unidos demonstrou como pulsos de laser infravermelho podem fazer os elétrons transicionarem entre dois estados diferentes em uma fina película de semicondutor - um estado pode ser entendido como o 0 e o outro como o 1.

"Os componentes eletrônicos comuns estão na faixa dos gigahertz, um bilhão de operações por segundo. Esse método é um milhão de vezes mais rápido," disse Mackillo Kira, da Universidade de Michigan, que liderou a parte teórica do estudo - a parte experimental foi feita na Universidade de Regensburg, na Alemanha.

Isso é excelente para a eletrônica, mas também é rápido o suficiente para resolver um dos grandes problemas da computação quântica, que é a fragilidade dos qubits, que perdem os dados muito rapidamente. Assim, em vez de procurar uma maneira de manter um estado quântico por um tempo maior, a equipe criou uma maneira de fazer o processamento antes que os estados decaiam.

Ilustração dos pseudospins nos estados "para cima" e "para baixo". [Imagem: Stefan Schlauderer/Universidade de Regensburg]

Pseudospin

O material usado consiste em uma única camada de tungstênio e selênio com uma estrutura de favo de mel. Essa estrutura produz um par de estados nos elétrons conhecidos como pseudospins. Esses dois pseudospins podem codificar o 0 e o 1. Não é o spin do elétron, embora também seja uma espécie de momento angular, o que torna a técnica diferente da spintrônica - ela na verdade faz parte de um campo emergente conhecido como valetrônica, que faz uma ponte da eletrônica com a computação quântica.

Os elétrons são postos nesses estados por rápidos pulsos de luz infravermelha, durando apenas alguns femtossegundos. O pulso inicial tem seu próprio spin, conhecido como polarização circular da luz, que seta os elétrons em um estado pseudospin. Então, pulsos de luz sem um giro (linearmente polarizados) podem alterar os elétrons de um pseudospin para outro e vice-versa.

Tratando esses estados como 0s e 1s comuns é possível criar um novo tipo de processador totalmente fotônico, com velocidades de clock milhões de vezes mais rápidas.

Mas os elétrons também podem formar estados de superposição entre os dois pseudospins. Com uma série de pulsos, pode ser possível realizar cálculos antes que os elétrons decaiam do seu estado coerente. A equipe demonstrou que é possível inverter o valor desse qubit com rapidez suficiente para executar uma série de operações - basicamente, ele é rápido o suficiente para funcionar em um processador quântico.

"O material é relativamente fácil de produzir, funciona em temperatura ambiente e, com apenas alguns átomos de espessura, é compacto ao máximo," disse o professor Rupert Huber.

O desafio a seguir será demonstrar tudo não usando pulsos individuais para fazer uma coisa e depois outra, mas uma sequências de pulsos de laser para gravar e reescrever os pseudospins.

Bibliografia:

Lightwave valleytronics in a monolayer of tungsten diselenide
F. Langer, C. P. Schmid, S. Schlauderer, M. Gmitra, J. Fabian, P. Nagler, C. Schüller, T. Korn, P. G. Hawkins, J. T. Steiner, U. Huttner, S. W. Koch, Mackillo Kira, Rupert Huber
Nature
Vol.: 557, pages 76-80
DOI: 10.1038/s41586-018-0013-6

Bateria nuclear: Não precisa ser recarregada e dura para sempre Redação do Site Inovação Tecnológica

Bateria nuclear: Não precisa ser recarregada e dura para sempre

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/06/2018

Pode parecer um tanto assustador, mas a bateria nuclear é segura, não precisa recarregar e dura décadas. [Imagem: Elena Khavina/MIPT]

Bateria nuclear sem riscos

Seu próximo telefone celular, ou mesmo seu carro elétrico, poderão ser alimentados por uma bateria nuclear, em lugar das baterias de íons de lítio, graças a um avanço feito por pesquisadores russos.

E não é preciso se preocupar, porque a radiação envolvida nessa bateria nuclear é de baixa energia, podendo ser bloqueada até mesmo por uma folha de papel - o invólucro da bateria é mais do que suficiente para torná-la segura.

A tecnologia das baterias nucleares - betavoltaica ou betabaterias - foi de fato usada na década de 1970 para alimentar marcapassos cardíacos, antes de ser superada pelas baterias de íons de lítio, com vidas úteis muito mais curtas, mas também mais baratas. Além disso, naquela época as baterias nucleares ainda não haviam sido miniaturizadas.

A bateria nuclear, que funciona a partir do decaimento beta de um isótopo radioativo do níquel - o níquel-63 - foi criada por uma equipe do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT), Instituto Tecnológico de Materiais Superduros e Avançados de Carbono (TISNCM) e da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia (MISIS).

O protótipo fornece cerca de 3.300 miliwatts-hora de energia por grama, mais do que em qualquer outra bateria nuclear do mesmo tipo e 10 vezes mais do que a energia específica das baterias químicas atuais.

Esta é uma foto do protótipo da bateria nuclear, ainda fora do invólucro. [Imagem: TISNCM]

Como funcionam as pilhas e baterias

As baterias químicas comuns, como as pilhas e as baterias de lítio dos celulares, também conhecidas como células galvânicas, usam a energia das reações químicas de redução-oxidação, ou redox. Nessas reações, os elétrons são transferidos de um eletrodo para outro através de um eletrólito, dando origem a uma diferença de potencial entre os eletrodos. Se os dois terminais da bateria forem conectados por um condutor, os elétrons começam a fluir para equilibrar a diferença de potencial, gerando uma corrente elétrica.

Essas baterias químicas são caracterizadas por uma alta densidade de potência - a relação entre a potência da corrente gerada e o volume da bateria. No entanto, elas descarregam em um tempo relativamente curto (pilhas comuns) ou precisam ser recarregadas (baterias recarregáveis). Essa não é uma boa ideia em aplicações como marcapassos cardíacos, porque isso exige cirurgias adicionais, ou pode até mesmo ser impossível, no caso de a bateria estar alimentando uma espaçonave.

Felizmente, as reações químicas são apenas uma das possíveis fontes de geração de energia elétrica - a betavoltaica é outra.

Esquema da bateria nuclear de níquel-63 e semicondutores de diamante. [Imagem: V. Bormashov et al. - 10.1016/j.diamond.2018.03.006]

O que são baterias nucleares?

Uma bateria nuclear pode ser um nome amedrontador, mas a bateria betavoltaica trabalha com materiais semicondutores para converter a energia do decaimento beta em eletricidade.

As partículas beta de baixa energia - elétrons e pósitrons e, possivelmente, neutrinos - emitidas pelo elemento radioativo, ionizam os átomos do semicondutor, criando o mesmo desequilíbrio de cargas visto nas baterias químicas. Na presença do campo estático de uma estrutura p-n - positivo-negativo, a mesma estrutura semicondutora usada para fazer diodos e transistores - as cargas fluem numa direção, resultando em uma corrente elétrica.

A principal vantagem das células betavoltaicas sobre as células galvânicas é a sua longevidade: os isótopos radioativos usados nas baterias nucleares têm uma meia-vida que varia de dezenas a centenas de anos, de modo que sua potência permanece quase constante por muito tempo - em termos práticos, são baterias para a vida toda, ou mesmo para várias vidas.

Embora essa tecnologia fosse conhecida há décadas, agora, pela primeira vez, as baterias nucleares alcançaram uma densidade de energia que as torna competitivas com as baterias químicas.

Observe que as baterias betavoltaicas não devem ser confundidas com os geradores termoelétricos de radioisótopos, usados nos robôs marcianos, como o Curiosity, e na sonda espacial New Horizons, que explorou Plutão e continua em busca de outros corpos celestes nunca vistos. Esse tipo de gerador nuclear converte o calor liberado pelo decaimento radioativo em eletricidade usando termopares, mas com uma eficiência de poucos pontos percentuais. Seu uso prático é limitado na Terra devido ao combustível radioativo, tipicamente o plutônio-238, que impõe riscos à saúde, é difícil de reciclar e pode vazar para o ambiente - a betavoltaica não impõe esses riscos.

As baterias atômicas são diferentes dos geradores termoelétricos de radioisótoposusados em naves espaciais. [Imagem: NASA/JPL-Caltech]

Bateria eterna

A nova bateria betavoltaica usa níquel-63 como fonte de radiação e diodos de barreira Schottky feitos de diamante para a conversão de energia. Várias equipes vêm tentando usar semicondutores de diamante para fazer baterias que dispensam recarga, mas ninguém havia alcançado a eficiência obtida agora pelo grupo da Rússia.

O protótipo contém 200 conversores de diamante intercalados com camadas de níquel-63 e camadas de isótopos estáveis de níquel. A quantidade de energia gerada depende da espessura da folha de níquel e do próprio conversor, porque ambos afetam quantas partículas beta são absorvidas.

O protótipo da bateria nuclear alcançou uma potência de saída de cerca de 1 microwatt, enquanto a densidade de potência por centímetro cúbico foi de 10 microwatts, o que é suficiente para alimentar um marcapasso artificial.

A tensão de circuito aberto é de 1,02 volt e a corrente de curto-circuito de 1,27 microampere. A potência máxima de saída, de 0,93 microwatt, é fornecida a 0,92 volt. Como o níquel-63 tem uma meia-vida de 100 anos, essa potência corresponde a uma potência específica de cerca de 3.300 miliwatts-hora por grama, o que é 10 vezes mais do que as pilhas e baterias químicas disponíveis comercialmente.

Existem também tecnologias menos maduras, como um gerador nuclear à base de água, com potencial de substituir as atuais baterias. [Imagem: Kim Kwon et al. - 10.1038/srep05249]

Futuro das baterias nucleares

A eficiência alcançada pela equipe russa abre perspectivas reais para o retorno das baterias nucleares às aplicações médicas. A maioria dos marcapassos cardíacos de última geração tem mais de 10 centímetros cúbicos de tamanho e requer cerca de 10 microwatts de energia. Isso significa que a nova bateria nuclear pode ser usada para alimentar esses dispositivos sem qualquer alteração significativa em seu design e tamanho - seriam então "marcapassos perpétuos", cujas baterias não precisariam ser substituídas ou recarregadas, melhorando a qualidade de vida dos pacientes e eliminando o risco das cirurgias de reposição.

A indústria espacial também pode se beneficiar bastante das baterias nucleares compactas. Em particular, existe uma demanda por sensores externos sem fio autônomos e chips de memória com sistemas integrados de fornecimento de energia para espaçonaves. E o diamante é um dos semicondutores mais resistentes à radiação e aos rigores de temperatura do espaço.

"Os resultados até agora já são bastante notáveis e podem ser aplicados na medicina e na tecnologia espacial, mas estamos planejando fazer mais. Nos últimos anos, nosso instituto teve bastante sucesso na síntese de diamantes dopados de alta qualidade, particularmente aqueles com condutividade do tipo n [negativo]. Isso nos permitirá fazer a transição das barreiras Schottky para estruturas p-i-n [positivo-intrínseco-negativo] e, assim, alcançar uma potência da bateria três vezes maior," disse o professor Vladimir Blank, coordenador da equipe.

Bibliografia:

High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes
V. S. Bormashov, S. Yu. Troschiev, S. A. Tarelkin, A. P. Volkov, D. V. Teteruk, A. V. Golovanov, M. S. Kuznetsov, N. V. Kornilov, S. A. Terentiev, Vladimir D. Blank
Diamond and Related Materials
Vol.: 84, Pages 41-47
DOI: 10.1016/j.diamond.2018.03.006

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Material atômico chega à espessura das baterias Redação do Site Inovação Tecnológica

Material atômico chega à espessura das baterias

Redação do Site Inovação Tecnológica -  28/05/2018

Cristais líquidos alinham as camadas monoatômicas, mantendo os canais para transportes de íons, essenciais para as aplicações em armazenamento de energia. [Imagem: Drexel]

MXenos

Os materiais monoatômicos - como o grafeno e outros mil-fenos - funcionam magistralmente no laboratório, mas fazê-los passar para a escala industrial tem sido um desafio tão grande que muitos cientistas já vêm questionando se isso será realmente possível.

O problema com as técnicas atuais é que, quando a espessura do material chega a cerca de 100 micrômetros, que é o padrão da indústria para dispositivos de armazenamento de energia, por exemplo, os materiais perdem suas tão maravilhosas funcionalidades.

Uma primeira solução para essa dificuldade veio agora usando uma família de materiais menos conhecida, chamada de Mxenos (lê-se "mecsenos"), descoberta em 2014.

Mxenos são materiais cerâmicos baseados em carbetos ou nitretos e dispostos em camadas monoatômicas, como o grafeno e a molibdenita.

Flexível para fazer coisas rígidas

Yu Xia e seus colegas das universidades de Drexel e Pensilvânia, nos EUA, conseguiram montar películas de MXenos de uma espessura que torna o material utilizável em baterias e supercapacitores. Quando o material espesso resultante é visto ao microscópio, o que se percebe é que as folhas monoatômicas de MXeno se alinham verticalmente, preservando suas funcionalidades.

Isso foi possível usando um tipo de cristal líquido, o mesmo material usado nas telas de celulares e TVs, para guiar a automontagem das folhas de MXenos. O processo manteve os canais que permitem o movimento dos íons quase intactos, como eles existem nas folhas monoatômicas, mantendo a densidade de energia (quanta energia o dispositivo consegue armazenar) e a densidade de potência (a velocidade com que o dispositivo pode ser recarregado).

"Nosso processo funciona através da automontagem", disse o professor Shu Yang. "Por isso, ele é muito mais barato e pode ser escalonável para uma área grande. No final, é o conceito de usar materiais flexíveis com alinhamento e ordenação interessantes para alinhar materiais rígidos com nanoestruturas e funcionalidades interessantes que é o maior avanço."

Bibliografia:

Thickness-independent capacitance of vertically aligned liquid-crystalline MXenes
Yu Xia, Tyler S. Mathis, Meng-Qiang Zhao, Babak Anasori, Alei Dang, Zehang Zhou, Hyesung Cho, Yury Gogotsi, Shu Yang
Nature Physics
Vol.: 557, pages 409-412
DOI: 10.1038/s41586-018-0109-z