Proteção definitiva contra hackers tem poucos átomos de espessura Redação do Site Inovação Tecnológica

Proteção definitiva contra hackers tem poucos átomos de espessura

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/12/2017

As camadas atômicas individualmente emitem luz, mas em multicamadas as propriedades mudam, com regiões aleatórias que emitem ou bloqueiam a luz. Esse padrão aleatório pode ser traduzido em uma chave de autenticação. [Imagem: NYU Tandon/Althea Labre]

Criptografia no hardware

Muitos especialistas em ciência da computação e segurança da informação afirmam que só estaremos a salvo de hackers e roubos de informações quando a segurança for incorporada no hardware.

Até agora a indústria não encontrou uma forma de viabilizar essa nova camada de proteção aos usuários, por isso tem havido um interesse crescente no desenvolvimento de mecanismos que sejam baratos e que possam ser incorporados nos aparelhos eletrônicos convencionais.

Uma opção promissora acaba de ser desenvolvida por Abdullah Alharbi, da Universidade de Nova Iorque, nos EUA.

Ele usou cristais de molibdenita, um dos materiais mais promissores para o futuro da computação, para criar primitivas de cibersegurança virtualmente impossíveis de serem clonadas.

As estruturas em camadas incorporam a aleatoriedade, um comportamento essencial para a construção das primitivas de segurança que devem criptografar e proteger os dados do computador - fisicamente, direto no hardware, e não por programação.

Proteção física contra hackers

Normalmente a molibdenita é um material formado por apenas uma camada atômica, mas a equipe cultivou os cristais em camadas. Ao variar a espessura de cada camada, eles descobriram ser possível ajustar o tamanho e o tipo da estrutura da banda de energia (bandgap), que por sua vez afeta as propriedades do material.

"Na espessura de monocamada, este material tem as propriedades ópticas de um semicondutor que emite luz, mas em várias camadas as propriedades mudam e o material já não emite luz. Esta propriedade é exclusiva desse material," explica o professor Davood Shahrjerdi, coordenador da equipe.

Ajustando o processo de crescimento do material, o filme vai incorporando aleatoriamente regiões que emitem ou não emitem luz. Ao final, quando o material pronto é exposto à luz, esse padrão se traduz em uma chave de autenticação única que pode proteger componentes de hardware com um custo mínimo - não dá pra fazer outro igual.

Incorporadas em circuitos integrados, essas primitivas de segurança à prova de clonagem podem ser usadas para proteger ou autenticar fisicamente o próprio hardware ou as informações digitais. Elas interagem com um estímulo - neste caso, a luz - para produzir uma resposta única que pode servir como uma chave criptográfica.

"Não são necessários contatos metálicos e a produção pode ocorrer independentemente do processo de fabricação dos chips," destaca Shahrjerdi. "É segurança máxima com um investimento mínimo".

Bibliografia:

Physically Unclonable Cryptographic Primitives by Chemical Vapor Deposition of Layered MoS2
Abdullah Alharbi, Darren Armstrong, Somayah Alharbi, Davood Shahrjerdi
ACS Nano
Vol.: Article ASAP
DOI: 10.1021/acsnano.7b07568

Hidrogênio é extraído do metano sem produzir CO2 Redação do Site Inovação Tecnológica

Hidrogênio é extraído do metano sem produzir CO2

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/12/2017

O hidrogênio é extraído do metano e gera carbono sólido como rejeito - que pode ser armazenado indefinidamente. [Imagem: Brian Long]

Hidrogênio sem CO2

Acaba de ser inventada uma técnica para extrair hidrogênio do gás metano sem produzir CO2 (dióxido de carbono) no processo.

O hidrogênio é um combustível limpo, cuja queima só produz água, enquanto o metano é o mais simples dos hidrocarbonetos e o componente primário do gás natural. É um ótimo combustível, mas também um poderoso gás de efeito estufa.

O hidrogênio que usamos hoje já é produzido a partir do metano, por meio de um processo chamado "reforma a vapor do metano". O problema é que o processo consome muita energia e produz muito dióxido de carbono, que normalmente é liberado na atmosfera. Este é um dos principais gargalos à anunciada "economia do hidrogênio" - o hidrogênio propriamente dito é limpo, mas seu processo de obtenção é bem "sujo".

David Upham e seus colegas da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos EUA, encontraram uma alternativa para isso.

Carbono sólido

A equipe desenvolveu um método de um único passo pelo qual o metano é convertido em hidrogênio, o que não é apenas mais simples e potencialmente mais barato do que os métodos convencionais de reforma do metano, como também o rejeito é uma forma sólida de carbono que pode ser facilmente transportada e armazenada indefinidamente.

O segredo do processo está no uso de metais e sais fundidos como sistemas catalíticos.

"Você introduz uma bolha de gás metano na base de um reator cheio desse metal fundido cataliticamente ativo. Conforme a bolha sobe, as moléculas de metano atingem a parede da bolha e reagem para formar carbono e hidrogênio," detalha o professor Eric McFarland.

O hidrogênio sai pelo topo do reator, enquanto o carbono sólido fica boiando no metal líquido, podendo ser retirado.

Segundo McFarland, a eletricidade produzida a partir do hidrogênio derivado desse processo livre de dióxido de carbono seria mais barata do que a atualmente gerada por energia solar, que, embora seja mais sustentável, ainda não é competitiva em termos de custo com os combustíveis fósseis.

A empresa Shell se interessou pela tecnologia e irá financiar os próximos passos da pesquisa, necessários para o escalonamento da tecnologia.

Bibliografia:

Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon
David Chester Upham, Vishal Agarwal, Alexander Khechfe, Zachary R. Snodgrass, Michael J. Gordon, Horia Metiu, Eric W. McFarland
Science
Vol.: 358, Issue 6365, pp. 917-921
DOI: 10.1126/science.aao5023

Objetos plásticos conectam-se à rede WiFi sem eletrônicos e sem baterias Redação do Site Inovação Tecnológica

Objetos plásticos conectam-se à rede WiFi sem eletrônicos e sem baterias

Redação do Site Inovação Tecnológica -  06/12/2017

Conexão WiFi usando apenas peças plásticas impressas em 3D dará um impulso à internet das coisas. [Imagem: Vikram Iyer et al. - 10.1145/3130800.3130822]

Plástico substitui eletrônica

Pesquisadores da Universidade de Washington descobriram uma maneira de fazer com que objetos plásticos conectem-se a redes WiFi sem usar qualquer tipo de circuito eletrônico - logo, sem baterias.

Para demonstrar a tecnologia, eles usaram uma impressora 3D para fabricar peças plásticas que podem informar quando o conteúdo de um recipiente está se esgotando, balanças, sensores de vento e botões que enviam sinais de alerta para a rede com base em uma variedade de sensores.

A novidade representa um impulso para a internet das coisas, em que se pretende que praticamente qualquer objeto possa se conectar à rede e coletar informações ou enviar comandos.

Com esta tecnologia torna-se possível monitorar o conteúdo dos frascos de alimentos ou produtos de limpeza e gerar uma lista de supermercado para sua reposição, por exemplo.

"Nosso objetivo era criar algo que acabe de sair da sua impressora 3-D em casa e possa enviar informações úteis para outros aparelhos. Mas o grande desafio é como você se comunica sem fio com WiFi usando apenas plástico? Isso é algo que ninguém havia conseguido fazer antes," disse Vikram Iyer, membro da equipe.

O sistema funciona de forma passiva, refletindo as ondas do roteador WiFi. [Imagem: Vikram Iyer et al. - 10.1145/3130800.3130822]

WiFi sem eletrônica

Para 3-D imprimir objetos que podem se comunicar com receptores Wi-Fi comerciais, a equipe empregou técnicas de retroespalhamento das ondas eletromagnéticas presentes no ambiente - é o mesmo processo das redes sem fios e sem baterias que usam sinais de TV no ambiente.

As peças refletem os sinais de rádio emitidos pelo roteador WiFi ou outro dispositivo. As informações incorporadas nesses padrões refletidos podem então ser decodificadas por um receptor WiFi. A antena é incorporada no interior do objeto impresso 3-D na forma de um filamento condutor que mistura plástico com cobre.

As funções normalmente realizadas por componentes eletroeletrônicos para geração dos sinais foram substituídas por movimento mecânico ativado por molas, engrenagens, interruptores e outras peças que podem ser fabricadas em impressoras 3D. Um movimento físico qualquer - pressionar um botão, despejar o conteúdo de um recipiente, retirar um martelo de um quadro de ferramentas - aciona as engrenagens e molas fazendo com que um interruptor conecte e desconecte intermitentemente a antena, alterando seu estado reflexivo.

A informação - na forma de 0s e 1s - é codificada pela presença ou ausência do dente da engrenagem. A energia de uma mola similar à de um relógio controla o sistema de engrenagem, e a largura e o padrão de dentes da engrenagem controlam quanto tempo o interruptor faz contato com a antena, criando padrões de sinais que podem ser decodificados por um receptor WiFi.

Esquema do mecanismo interno das peças plásticas usado para codificar as informações. [Imagem: Vikram Iyer et al. - 10.1145/3130800.3130822]

Faça você mesmo

Com os modelos CAD que a equipe está disponibilizando ao público, os entusiastas da impressão em 3-D poderão criar objetos com plásticos comercialmente disponíveis que possam se comunicar sem fio com outros dispositivos inteligentes. Isso pode incluir um controle deslizante sem bateria que controle o volume da música, indicadores de que o conteúdo de embalagens está no final, um sensor de água que envia um alarme para o telefone quando ele detecta um vazamento etc.

Os modelos serão disponibilizados no site do projeto, no endereço http://printedwifi.cs.washington.edu (em inglês).

Bibliografia:

3D Printing Wireless Connected Objects
Vikram Iyer, Justin Chan, Shyamnath Gollakota
ACM Transactions on Graphics
Vol.: 36, No. 6, Article 242
DOI: 10.1145/3130800.3130822

Alto-falantes são miniaturizados e ainda ganham em qualidade Redação do Site Inovação Tecnológica

Alto-falantes são miniaturizados e ainda ganham em qualidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/12/2017

Esquema e foto do dispositivo projetado para mudar o ambiente ao redor de uma fonte sonora. O protótipo foi feito de plástico ABS. [Imagem: Jiajun Zhao]

Miniaturização dos alto-falantes

Em uma orquestra, as notas mais baixas são produzidas pelos instrumentos maiores. Por exemplo, na família das cordas, o contrabaixo emite notas muito mais baixas do que o violino porque é de quatro a cinco vezes maior.

O mesmo é verdade para os alto-falantes. Os grandes alto-falantes, conhecidos como woofers, são necessários para produzir notas graves claras. Já os alto-falantes pequenos, como os usados nos telefones celulares, produzem sons tão agudos que muitas vezes não fazem justiça à música gravada.

A boa notícia é que dá para miniaturizar os alto-falantes, com dispositivos minúsculos emitindo sons profundos.

"Uma configuração de áudio tradicional combina alto-falantes pequenos para frequências altas e woofers grandes para frequências baixas, o que é volumoso e desajeitado. Usamos 'ressonâncias estruturais' para construir um sistema de alto-falante miniaturizado que funciona tão bem quanto os tradicionais," disse Jiajun Zhao, da Universidade Rei Abdullah, na Arábia Saudita.

Ressonâncias estruturais

As ressonâncias estruturais a que o pesquisador se refere envolvem a colocação de uma fonte sonora dentro de um invólucro em forma de anel, feito de um material de alta densidade, com canais em forma de bobina. Os canais de ar reduzem a velocidade total do som, o que melhora os sons de baixa frequência e suprime sons de frequência mais alta.

"Por meio da ressonância do ar dentro dos canais, muito mais da energia elétrica da fonte é convertida em potência sonora do que aconteceria sem eles," explicou o pesquisador Ying Wu.

Simulações computadorizadas desse design mostraram que o invólucro não apenas melhora os sons baixos, mas também emite um som mais forte em todas as direções. Isso supera outra limitação dos alto-falantes tradicionais, que tendem a emitir som em apenas uma direção.

"Quando uma fonte [sonora] de um telefone celular é fechada pela estrutura, é emitida uma energia sonora mais de 200 vezes mais forte do que quando a estrutura não está lá," diz Zhao. "Estamos felizes em ver que nosso design não funciona apenas no papel, mas também na realidade".

• Alto-falante de grafeno produz som sem vibrar

Bibliografia:

Enhancing monochromatic multipole emission by a subwavelength enclosure of degenerate Mie resonances
Jiajun Zhao, Likun Zhang, Ying Wu
The Journal of the Acoustical Society of America
Vol.: 142, EL24
DOI: 10.1121/1.4990010

Biofábricas vivas construídas com impressão 3D Redação do Site Inovação Tecnológica

Biofábricas vivas construídas com impressão 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica -  14/12/2017

A ideia é usar tintas bacterianas para produzir minúsculas fábricas bioquímicas, selecionando as bactérias adequadas para gerar os produtos desejados. [Imagem: Bara Krautz]

Fábricas vivas

A impressão 3D não precisa mais ficar limitada à "matéria morta", como plásticos ou metais.

Uma equipe suíça desenvolveu uma biotinta para imprimir superfícies com bactérias vivas, tornando possível criar materiais biológicos capazes de quebrar substâncias tóxicas ou produzir materiais de alta pureza para aplicações biomédicas.

A ideia da equipe é usar suas tintas bacterianas para produzir minúsculas fábricas bioquímicas, selecionando as bactérias adequadas para gerar diversos produtos com as propriedades desejadas.

"Imprimir usando hidrogéis contendo bactérias tem um potencial enorme porque há uma grande variedade de bactérias úteis por aí. A maioria das pessoas só associa as bactérias com doenças, mas na verdade não conseguimos sobreviver sem bactérias," disse Patrick Rühs, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH).

Para demonstrar seu conceito, Rühs e seu colega Manuel Schaffner usaram as bactérias Pseudomonas putida e Acetobacter xylinum. A primeira pode quebrar o tóxico composto químico fenol, enquanto a segunda secreta nanocelulose de alta pureza. Essa celulose bacteriana mantém a umidade e é estável, com potenciais aplicações no tratamento de queimaduras.

A boneca recebeu uma "máscara facial" de biotinta ativa. [Imagem: Manuel Schaffner et al. - 10.1126/sciadv.aao6804]

Tinta viva funcional

Em uma única passagem da impressora 3D pode-se usar até quatro tintas diferentes - contendo diferentes espécies de bactérias - em diferentes concentrações, a fim de produzir objetos que exibam várias propriedades.

A tinta é composta por um hidrogel biocompatível que dá estrutura ao material. O hidrogel em si é composto por ácido hialurônico, moléculas de açúcar de cadeia longa, e sílica pirogênica. O meio de cultura para a bactéria é misturado na tinta. A seguir são adicionadas as bactérias com a "gama de propriedades desejadas" e, em seguida, qualquer estrutura tridimensional pode ser impressa na forma tradicional.

A equipe batizou sua técnica de FLINK (functional living ink, ou tinta viva funcional) e agora precisará vencer alguns obstáculos para sua utilização prática em larga escala. Uma delas é que o processo de impressão é lento, e tempo é um fator crítico para coisas que devem ser mantidas vivas nas condições adequadas.

Bibliografia:

3D printing of bacteria into functional complex materials
Manuel Schaffner, Patrick A. Rühs, Fergal Coulter, Samuel Kilcher, André R. Studart
Science Advances
Vol.: 3, no. 12, eaao6804
DOI: 10.1126/sciadv.aao6804

Biomaterial surpreende ao gerar eletricidade "fora da curva" Redação do Site Inovação Tecnológica

Biomaterial surpreende ao gerar eletricidade "fora da curva"

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/12/2017

Além de ser um material barato e biodegradável, a glicina gerou eletricidade "fora da curva".[Imagem: Sarah Guerin et al. - 10.1038/nmat5045]

Piezoeletricidade biológica

Uma descoberta surpreendente abriu novos caminhos para a colheita de energia, a geração de eletricidade a partir do meio ambiente em quantidade suficiente para alimentar pequenos aparelhos portáteis.

Sarah Guerin, da Universidade de Limerick, na Irlanda, descobriu que a biomolécula glicina gera uma quantidade substancial de eletricidade quando é pressionada ou comprimida - ou seja, essa biomolécula possui um tipo de piezoeletricidade.

A glicina é o mais simples dos aminoácidos. Além de estar presente em praticamente todos os resíduos agrícolas e florestais, ela pode ser produzida por menos de 1% do custo dos materiais piezoelétricos usados atualmente nos chamados nanogeradores.

Os materiais piezoelétricos geram eletricidade em resposta à pressão, e vice-versa. Eles são amplamente utilizados em carros, celulares e consoles de jogos. Ao contrário da glicina, esses materiais são normalmente sintéticos e muitas vezes contêm elementos tóxicos em sua composição.

"É realmente emocionante que uma molécula tão pequena possa gerar tanta eletricidade," disse Sarah. "Nós usamos modelos de computador para prever a resposta elétrica de uma ampla gama de cristais e o número alcançado pela glicina ficou fora dos gráficos. A seguir, crescemos cristais longos e estreitos de glicina no álcool e produzimos eletricidade apenas tocando neles."

A equipe correu para patentear sua descoberta e agora está pensando em aplicações adequadas para geradores elétricos biodegradáveis - as aplicações médicas estão no topo da lista de interesse.

Bibliografia:

Control of piezoelectricity in amino acids by supramolecular packing
Sarah Guerin, Aimee Stapleton, Drahomir Chovan, Rabah Mouras, Matthew Gleeson, Cian McKeown, Mohamed Radzi Noor, Christophe Silien, Fernando M. F. Rhen, Andrei L. Kholkin, Ning Liu, Tewfik Soulimane, Syed A. M. Tofail, Damien Thompson
Nature Materials
DOI: 10.1038/nmat5045

Conheça o excitonium, novo estado da matéria finalmente comprovado Redação do Site Inovação Tecnológica

Conheça o excitonium, novo estado da matéria finalmente comprovado

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/12/2017

Ilustração das quasipartículas excitons movendo-se coletivamente em um material semicondutor.[Imagem: Peter Abbamonte/Frederick Seitz/UIUC]

O que é excitonium?

Na década de 1960, o físico Bertrand Halperin cunhou o termo "excitonium" - ou excitônio - para descrever um estado exótico da matéria, no qual as cargas positivas e negativas se emparelham sem se anular. Desde então, vários experimentos demonstraram evidências de sua existência e abriram caminho para seu uso prático.

Mas nenhuma dessas demonstrações fora considerada definitiva até agora, porque elas deixavam em aberto possibilidades de outras explicações.

Nesta semana, duas equipes estão reportando resultados que trazem o excitonium definitivamente para os livros de física, sem mais ressalvas.

Excitons

Você não vai encontrar um pedaço de excitonium por aí e ele nem poderá ser minerado. O excitonium é um condensado, um sólido, mas que surge como propriedade de algum material. Esse "estado da matéria" emerge quando, no material base, formam-se quasipartículas chamadas excitons.

Os excitons são compostos por um par improvável: um elétron, que ganha energia e se desloca pela faixa de condução do material, e a "lacuna" que ele deixa ao se deslocar - lembre-se que o elétron representa uma carga negativa e a lacuna que ele deixa representa a carga positiva.

É aí que acontece o inusitado: o elétron e a lacuna se "emparelham", mas não se anulam - é a interação entre ambos que forma o exciton. E a movimentação dos excitons define o material como um excitonium.

"Isso é muito parecido com o processo que ocorre em um supercondutor, onde você tem elétrons atraídos um para o outro para formar pares que fluem sem resistência. No nosso caso, os elétrons emparelham com 'lacunas de elétrons' positivamente carregadas para criar um superfluido com uma carga líquida zero," explicou o professor Rui-Rui Du, da Universidade Rice, nos EUA.

A equipe da Universidade Rice comprovou a existência do excitônio usando duas camadas sobrepostas de semicondutores ultrapuros, o arseneto de índio e o antimoneto de gálio (InAs/GaSb). Já Anshul Kogar e colegas da Universidade de Illinois usaram disseleneto de titânio (1T-TiSe2), um metal de transição dicalcogeneto, uma classe de semicondutores que engloba a família da molibdenita.

Ilustração da movimentação dos excitons em uma dupla camada de semicondutores. [Imagem: R. Du/Rice University]

Aplicações do excitônio

Apesar de ser uma demonstração importante para a física, várias equipes já vêm trabalhando com os excitons há vários anos, havendo inclusive uma expectativa de seu uso na computação quântica.

Um experimento de 2008 mostrou que os excitons podem fazer uma ponte entre a computação eletrônica e a comunicação óptica. No ano seguinte, já se falava em um processador excitônico, comunicando-se diretamente por luz.

Desde então, os excitons têm sido associados com avanços em células solares, lasers de múltiplas cores, LEDs e vários outros.

Bibliografia:

Evidence for a topological excitonic insulator in InAs/GaSb bilayers
Lingjie Du, Xinwei Li, Wenkai Lou, Gerard Sullivan, Kai Chang, Junichiro Kono, Rui-Rui Du
Nature
Vol.: 8, Article number: 1971
DOI: 10.1038/s41467-017-01988-1

Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide
Anshul Kogar, Melinda S. Rak, Sean Vig, Ali A. Husain, Felix Flicker, Young Il Joe, Luc Venema, Greg J. MacDougall, Tai C. Chiang, Eduardo Fradkin, Jasper van Wezel, Peter Abbamonte
Science
Vol.: 358, Issue 6368, pp. 1314-1317
DOI: 10.1126/science.aam6432

Estados magnéticos exóticos abrem caminho para redes neurais em hardware Redação do Site Inovação Tecnológica

Estados magnéticos exóticos abrem caminho para redes neurais em hardware

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/12/2017

As setas coloridas indicam as polarizações norte e sul - o maior interesse está nas conjunções dessas polarizações, que criam estados exóticos nunca antes vistos.[Imagem: Gartside et al. - 10.1038/s41565-017-0002-1]

Além do binário

Virtualmente toda a computação depende do armazenamento dos dados em memórias magnéticas. Cada bit é essencialmente definido com a direção em que estão apontando ímãs microscópicos - se ele aponta para o norte é 0, se para o sul é 1.

Agora, Jack Gartside e seus colegas do Imperial College de Londres descobriram como gravar qualquer padrão magnético em nanofios - gravar diferentes padrões magnéticos significa que os sistemas de armazenamento, como os discos rígidos, podem não ficar mais limitados a 0 ou 1.

Mais do que isso, a equipe demonstrou que sua técnica funciona como base para processadores neuromórficos, um hardware que funciona de forma mais parecida com o cérebro humano, e para as redes neurais artificiais.

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Redes neurais em hardware

A novidade consiste no aproveitamento de estados magnéticos exóticos, como o ponto onde três pólos sul se encontram. Essa junção representa um sistema complexo, que pode ser usado para emular muitos sistemas complexos encontrados na natureza, como a forma como nossos cérebros processam informações.

Sistemas de computação projetados para processar informações como o cérebro são conhecidos como redes neurais artificiais. Já existem poderosas redes neurais baseadas em software, mas o interesse maior tem sido sua criação em hardware, com ganhos de eficiência incalculáveis.

"Com este novo método de escrita, nós abrimos a possibilidade de treinar esses nanofios magnéticos para que eles resolvam problemas úteis. Se tivermos sucesso, isso trará as redes neurais em hardware mais próximas da realidade," disse Gartside.

Além das aplicações em computação, o método pode ser usado para estudar aspectos fundamentais dos sistemas complexos, criando estados magnéticos que estão longe de serem ótimos - como três polos iguais juntos - e ver como o sistema responde.

A demonstração ainda é complicada do ponto de vista prático, dependendo da ponta de um microscópio de força atômica, mas não há em tese nada que impeça a automação do processo, como se fosse a cabeça magnética de um disco rígido.

• Darwin, um processador neuromórfico com plasticidade cerebral

Bibliografia:

Realization of ground state in artificial kagome spin ice via topological defect-driven magnetic writing
Jack C. Gartside, Daan M. Arroo, David M. Burn, Victoria L. Bemmer, Andy Moskalenko, Lesley F. Cohen, Will R. Branford
Nature Nanotechnology
DOI: 10.1038/s41565-017-0002-1

Impressão 3D faz peças de aço inoxidável sem perder resistência Redação do Site Inovação Tecnológica

Impressão 3D faz peças de aço inoxidável sem perder resistência

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/12/2017

A equipe demonstrou sua técnica usando um material nobre, uma liga de aço inoxidável largamente utilizada na indústria. [Imagem: Leifeng Liu/University of Birmingham]

Resistência e ductilidade

Apesar do avanço da impressão 3D e da chamada manufatura aditiva, imperava na indústria um grande ceticismo quanto à possibilidade de se chegar à fabricação de peças metálicas realmente fortes e não quebradiças por esse processo.

Esse ceticismo agora caiu por terra, graças ao trabalho de uma equipe de engenheiros da China, Reino Unido e Suécia.

"A técnica de impressão em 3D é conhecida por produzir objetos com formas anteriormente inalcançáveis, e nosso trabalho mostra que ela também oferece a possibilidade de produzir a próxima geração de ligas estruturais com melhorias significativas na resistência e na ductilidade," disse o professor Leifeng Liu, coordenador da equipe.

Em metalurgia, resistência e ductilidade são propriedades vistas como antagônicas, por isso a otimização das duas ao mesmo tempo dá uma ideia da significância da inovação.

E a equipe demonstrou sua técnica usando um material nobre, uma liga de aço inoxidável largamente utilizada na indústria.

Resfriamento ultrarrápido

O avanço foi possível graças à incorporação à impressora 3D de um sistema de resfriamento ultrarrápido, que baixa a temperatura do material a uma taxa teórica de 100 milhões de graus Celsius por segundo - até agora só se havia alcançado algo em torno de 1.000 ºC por segundo.

O aço é arrefecido de forma tão rápida que ele atinge um estado de não-equilíbrio, permitindo a cristalização de microestruturas - a chamada rede de deslocamento - com dimensões nanométricas. São essas nanoestruturas as responsáveis pela melhoria das propriedades mecânicas das peças resultantes.

"Este trabalho dá aos pesquisadores uma nova ferramenta para projetar novas ligas com propriedades ultramecânicas. Também ajudará a impressão 3D em metal a ter acesso a um campo onde são necessárias elevadas propriedades mecânicas, como peças estruturais na indústria aeroespacial e automotiva," disse Liu.

Bibliografia:

Dislocation network in additive manufactured steel breaks strength-ductility trade-off
Leifeng Liu, Qingqing Ding, Yuan Zhong, Ji Zou, Jing Wu, Yu-Lung Chiu, Jixue Li, Ze Zhang, Qian Yu, Zhijian Shen
Materials Today
DOI: 10.1016/j.mattod.2017.11.004

Finalmente um compósito que preserva as propriedades dos nanotubos Redação do Site Inovação Tecnológica

Finalmente um compósito que preserva as propriedades dos nanotubos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/12/2017

Depois de infiltrar-se pela cerâmica, os nanotubos formam estruturas parecidas com as usadas em edifícios de bambu. [Imagem: Fabian Schütt et al. - 10.1038/s41467-017-01324-7]

Compósitos de nanotubos

Extremamente leves, condutores excepcionais e mais estáveis do que o aço: devido às suas propriedades únicas, os nanotubos de carbono têm sido apontados como o material ideal para inúmeras aplicações, desde baterias ultraleves e plásticos de alto desempenho, até implantes médicos.

Até hoje, no entanto, tem sido difícil transferir essas características extraordinárias observadas em nanoescala para uma aplicação industrial. O grande problema é que os nanotubos de carbono não combinam bem com outros materiais ou, quando combinam, então suas propriedades decaem drasticamente.

Agora, uma equipe da Alemanha e da Itália desenvolveu um método alternativo no qual os minúsculos tubos podem ser combinados com um material de suporte de modo a formar uma rede 3D estável que permite que eles retenham suas propriedades características.

O método é baseado em um processo simples de infiltração química a úmido. Os nanotubos são misturados com água e gotejados em um material cerâmico extremamente poroso feito de óxido de zinco, que absorve o líquido como uma esponja. Os nanotubos nas gotas se prendem ao suporte de cerâmica e formam automaticamente uma camada estável, semelhante a um feltro. O suporte de cerâmica fica então revestido internamente com nanotubos, por assim dizer.

Como edifícios de bambu

Os efeitos foram fascinantes, tanto para o suporte de cerâmica quanto para o revestimento de nanotubos.

Por um lado, a estabilidade do suporte de cerâmica aumenta tão drasticamente que ele passa a suportar uma carga equivalente a 100.000 vezes o seu próprio peso.

"Com o revestimento de nanotubos, o material cerâmico pode sustentar cerca de 7,5 kg e, sem eles, apenas 50 g - é como se o tivéssemos montado com uma jaqueta justa feita de nanotubos de carbono, que oferece suporte mecânico. A pressão sobre o material é absorvida pela resistência à tração do feltro de nanotubos. As forças de compressão são transformadas em forças de tração," resumiu o pesquisador Fabian Schütt, da Universidade de Kiel.

O princípio é comparável ao que opera nos edifícios de bambu, muito comuns na Ásia. As hastes de bambu ficam ligadas tão fortemente com uma simples corda que o material leve pode formar andaimes extremamente estáveis e até edifícios inteiros. "Fizemos o mesmo em nanoescala com as malhas de nanotubos, que se envolvem em torno do material cerâmico - apenas muito, muito menores," completou Helge Krüger, membro da equipe.

Além da resistência, a técnica permite fabricar inúmeros tipos de materiais eletricamente condutores.

Detalhe do "feltro" de nanotubos que se infiltra pela parede da cerâmica de sustentação. [Imagem: Fabian Schütt et al. - 10.1038/s41467-017-01324-7]

Aplicações

As aplicações para o novo material vão de eletrodos para baterias e tecnologia de filtragem, até como material de enchimento para plásticos condutores, implantes para medicina regenerativa, sensores e componentes eletrônicos em nanoescala. A boa condutividade elétrica e a resistência do material a rasgos também é interessante para aplicações eletrônicas flexíveis, em roupas funcionais ou no campo da tecnologia médica, por exemplo.

"É concebível criar um plástico que, por exemplo, estimule células do osso ou do coração a crescerem. Devido à sua simplicidade, o processo também poderá ser transferido para estruturas de rede feitas de outros nanomateriais - o que ampliará a gama de possíveis aplicações," disse o professor Rainer Adelung.

Bibliografia:

Hierarchical self-entangled carbon nanotube tube networks
Fabian Schütt, Stefano Signetti, Helge Krüger, Sarah Röder, Daria Smazna, Sören Kaps, Stanislav N. Gorb, Yogendra Kumar Mishra, Nicola M. Pugno, Rainer Adelung
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 1215
DOI: 10.1038/s41467-017-01324-7

Optoeletrônica sem vidro pode ir parar dentro dos computadores Redação do Site Inovação Tecnológica

Eletrônica

Optoeletrônica sem vidro pode ir parar dentro dos computadores

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/12/2017

Esquema de funcionamento do modulador optoeletrônico feito de metal. Os dados eletrônicos entram pela esquerda e os dados ópticos correspondendentes saem pela direita. [Imagem: Masafumi Ayata et al. - 10.1126/science.aan5953]

Optoeletrônica sobre metal

Pesquisadores do Instituto ETH de Zurique, na Suíça, desenvolveram o primeiro componente optoeletrônico - que conecta sinais de luz a sinais eletrônicos -, que funciona sem nenhum elemento de vidro. Ele é todo feito de metal.

O componente, tecnicamente um modulador, converte os sinais eletrônicos manipulados pelos processadores e demais chips, em sinais ópticos, para serem transmitidos por fibra óptica.

Sem o vidro - sem lentes e sem espelhos -, o componente é menor e mais rápido do que os moduladores atuais, e muito mais fácil e mais barato de se fabricar.

Até recentemente, os cientistas diziam que os componentes ópticos para a microeletrônica precisavam ser feitos de vidro porque, nos metais, os dados ópticos podem propagar-se apenas por aproximadamente 100 micrômetros.

Masafumi Ayata pensou fora da caixa e constatou que eles não precisam propagar nem por essa distância se o serviço puder ser feito em um espaço menor. Ele então miniaturizou o componente, que mede apenas 3 x 36 micrômetros, logo, dentro da faixa de tamanho em que tanto a informação óptica como a elétrica podem se propagar nos metais.

Experimento de troca de dados em alta velocidade usando o novo componente. [Imagem: Masafumi Ayata et al. - 10.1126/science.aan5953]

Modulador optoeletrônico

O componente é um modulador: os moduladores convertem os sinais de dados elétricos em sinais ópticos. Eles estão presentes em todos os roteadores da internet e permitem as conexões de fibra óptica com os computadores nos centros de dados.

No entanto, o novo componente funciona de forma diferente.

Quando a luz de uma fibra óptica chega no modulador metálico, essa luz faz com que os elétrons em sua superfície oscilem - essa oscilação é conhecida como plásmon de superfície. Essa oscilação pode ser alterada indiretamente pelos pulsos que constituem os dados eletrônicos. Quando a oscilação é convertida de volta em luz, a informação elétrica fica codificada no sinal óptico. Isso significa que a informação é convertida de elétrica em óptica, podendo então ser transmitida por fibra óptica.

Como ficou muito pequeno, além das redes de dados, o novo componente poderá ser usado dentro dos computadores, permitindo substituir os fios que conectam os diversos chips na placa de circuito impresso por fibras ópticas.

Em última instância, também é concebível que os moduladores possam ser usados em telas e monitores - incluindo os dobráveis - e sensores ópticos, como os usados nos sistemas LIDAR dos carros autônomos - uma espécie de radar de luz -, para medição de distância.

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Bibliografia:

High-speed plasmonic modulator in a single metal layer
Masafumi Ayata, Yuriy Fedoryshyn, Wolfgang Heni, Benedikt Baeuerle, Arne Josten, Marco Zahner, Ueli Koch, Yannick Salamin, Claudia Hoessbacher, Christian Haffner, Delwin L. Elder, Larry R. Dalton, Juerg Leuthold
Science
Vol.: 358, Issue 6363, pp. 630-632
DOI: 10.1126/science.aan5953

Rede quântica híbrida interliga qubits diferentes Redação do Site Inovação Tecnológica

Rede quântica híbrida interliga qubits diferentes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/12/2017

Ilustração esquemática de uma rede de informação híbrida com dois nós quânticos compostos por uma nuvem fria de átomos de rubídio (nuvem vermelha à esquerda) e um cristal dopado com íons de praseodímio (cubo branco à direita).[Imagem: ICFO/Scixel]

Rede quântica híbrida

Físicos demonstraram pela primeira vez uma rede quântica híbrida, na qual a comunicação por fótons entrelaçados foi feita usando dispositivos quânticos diferentes - e também localizados à distância, em laboratórios diferentes.

Os elementos-chave de uma rede de informações quânticas são os chamados nós quânticos, que armazenam e processam a informação. Eles consistem em sistemas de matéria, como gases atômicos frios, sólidos dopados ou supercondutores, entre outros, e as partículas de luz comunicantes, os fótons.

Enquanto os fótons parecem ser portadores de informação perfeitos, ainda há incerteza sobre qual sistema de matéria será usado como um nó de rede na internet quântica do futuro porque cada sistema oferece funcionalidades diferentes.

Como, com base no estágio atual das pesquisas, não dá para escolher ainda, os físicos estão partindo para a implementação de uma rede híbrida, que consiga combinar as melhores capacidades dos diferentes sistemas e fazer com que eles conversem entre si.

Vários experimentos já demonstraram a transferência confiável de informações quânticas entre nós idênticos, mas esta é a primeira vez que isso foi feito com uma rede híbrida, na qual os nós são tecnologias diferentes para guardar e processar a informação.

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Conexão de qubits diferentes

A equipe do Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO), na Espanha, usou dois nós quânticos muito diferentes: o nó emissor é uma nuvem de átomos de rubídio refrigerada a laser, enquanto o nó receptor é um cristal dopado com íons do elemento praseodímio.

No gás frio, eles geraram um bit quântico codificado em um único fóton com um comprimento de onda de 780 nanômetros (nm). O fóton foi a seguir convertido para o comprimento de onda usado em comunicações por fibra óptica (1552 nm) para demonstrar que esta rede poderia ser completamente compatível com a atual faixa de banda C de telecomunicações. Finalmente, o fóton foi enviado através de uma fibra óptica de um laboratório para o outro.

Uma vez no segundo laboratório, o comprimento de onda do fóton foi convertido para 606 nm, para que ele interagisse corretamente e transferisse seu estado quântico para o nó receptor de cristal. Após a interação com o cristal, o qubit fotônico foi armazenado no cristal por aproximadamente 2,5 microssegundos e recuperado com uma confiabilidade muito alta.

Além de transmitir bits quânticos por meio de fótons individuais, a capacidade de realizar conversões entre qubits fotônicos no comprimento de onda da banda C de telecomunicações mostra que esses sistemas seriam compatíveis com as redes de telecomunicações atuais, um pré-requisito importante para que os primeiros computadores quânticos sejam diretamente conectados à rede e falem com os computadores eletrônicos.

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Bibliografia:

Photonic quantum state transfer between a cold atomic gas and a crystal
Nicolas Maring, Pau Farrera, Kutlu Kutluer, Margherita Mazzera, Georg Heinze, Hugues de Riedmatten
Nature
Vol.: 551, 485-488
DOI: 10.1038/nature24468

Fusão nuclear sem radiação promete reator em 10 anos Redação do Site Inovação Tecnológica

Fusão nuclear sem radiação promete reator em 10 anos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Esquema geral da fusão nuclear hidrogênio-boro.[Imagem: HB11 Energy/Divulgação]

Rota alternativa para fusão nuclear

Existe uma piada entre os físicos que afirma que a geração de energia por meio da fusão nuclearestá 30 anos no futuro... e sempre estará.

Isso, é claro, com as propostas técnicas atualmente existentes para tentar domar a energia das estrelas.

Mas Heinrich Hora e seus colegas da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, colocaram um novo concorrente no páreo, uma nova rota para tentar tornar realidade a fusão nuclear controlada em um prazo mais curto.

A técnica é conhecida como fusão hidrogênio-boro, e é mais simples do que a fusão deutério-trício que está sendo desenvolvida em reatores como o ITER e o Wendelstein 7-X.

Entre as várias vantagens da fusão hidrogênio-boro estão a eliminação da necessidade de combustíveis radioativos e a não produção de lixo tóxico radioativo. E, ao contrário da maioria das outras fontes de produção de energia - como o carvão, o gás e a energia nuclear, que aquecem líquidos para girar turbinas e geradores - a energia gerada pela fusão de hidrogênio e boro converte-se diretamente em eletricidade.

A equipe australiana afirma que agora essa rota para a fusão nuclear já é viável, podendo estar mais próxima de se tornar realidade do que as outras abordagens.

Fusão hidrogênio-boro

O professor Hora já havia previsto há décadas que a fusão de hidrogênio e boro poderia ser possível sem a necessidade de um equilíbrio térmico. Em vez de aquecer o combustível até a temperatura do Sol usando ímãs gigantescos para controlar plasmas superquentes dentro de uma câmara, a fusão de hidrogênio e boro é feita usando dois lasers de alta potência que emitem rajadas rápidas, aplicando forças não lineares precisas para comprimir os núcleos dos dois elementos.

O grande entrave para essa rota sempre foi que ela exige temperaturas e densidades muito maiores - quase 3 bilhões de graus Celsius, ou 200 vezes mais quente do que o núcleo do Sol.

A novidade é que, nos últimos anos, foram construídas grandes fontes de laser, capazes de atingir energias altíssimas. Um laser na escala dos petawatts - como o XFEL e o LFEX - pode gerar pacotes de energia - ou pulsos - que duram apenas um trilionésimo de segundo, compactando nesse pulso algo como um quatrilhão de watts.

E Hora e seus colegas garantem que essa potência pulsada é suficiente para gerar uma reação de fusão nuclear que eles chamam de "reação em avalanche".

"Foi a coisa mais emocionante ver essas reações confirmadas em simulações e experimentos recentes," disse ele. "E não apenas porque isso prova uma parte do meu trabalho teórico anterior, mas também por ter medido a reação em cadeia iniciada pelo laser criando uma saída de energia um bilhão de vezes mais alta do que o previsto sob condições de equilíbrio termal."

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Este reator de fusão nuclear tipo estelarator, que está sendo construído na Alemanha, é um dos experimentos mais adiantados no campo da fusão nuclear. [Imagem: IPP]

Protótipo de reator

Com base nesses experimentos recentes, Hora e seus colegas traçaram agora um roteiro para o desenvolvimento da fusão nuclear hidrogênio-boro usando o mecanismo baseado em lasers petawatts pulsados. O roteiro parte do que já foi feito nos últimos experimentos para traçar o que deve ser feito a seguir para tornar o reator de fusão nuclear sem radioatividade uma realidade.

"Se os próximos anos de pesquisa não revelarem grandes obstáculos de engenharia, poderemos ter um protótipo de reator dentro de uma década," arrisca-se o professor Warren McKenzie - uma ótima notícia, já que 10 anos no futuro é bem melhor do que 30, mesmo que ele permaneça lá por algum tempo.

"Do ponto de vista da engenharia, nossa abordagem será um projeto muito mais simples porque os combustíveis e os resíduos são seguros, o reator não precisa de um trocador de calor e de um gerador de turbina a vapor, e os lasers que precisamos podem ser comprados no comércio," acrescentou McKenzie.

A equipe fundou uma empresa, a HB11 Energy, para tentar viabilizar a construção desse reator - o nome da empresa é uma referência ao hidrogênio (H) e ao isótopo 11 do boro (B11), usados na reação de fusão.

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Bibliografia:

Road map to clean energy using laser beam ignition of boron-hydrogen fusion
Heinrich Hora, Shalom Eliezer, G. J. Kirchhoff, Noaz Nissim, Jiaxiang X. Wang, Paraskevas Lalousis, Y. X. Xu, George H. Miley, Jose M. Martinez-Val, Warren McKenzie, J. Kirchhoff
Laser and Particle Beams
Vol.: 35, Issue 4, pp. 730-740
DOI: 10.1017/S0263034617000799