Física quântica vira realidade tangível Redação do Site Inovação Tecnológica

Física quântica vira realidade tangível

Redação do Site Inovação Tecnológica -  30/01/2018

Embora todos os quadrados individuais sejam idênticos, o layout e o design geral do metamaterial fazem com que as ondas se propaguem em um padrão específico, conforme indicado pelas cores diferentes dos quadrados.[Imagem: Chiara Daraio/Caltech]

Mecânica quântica a olho nu

Este pequeno chip é a encarnação de um experimento que, até poucos anos atrás, os físicos considerariam impossível - ele demonstra em macroescala um fenômeno que só ocorre no reino da mecânica quântica, que opera na escala das moléculas e átomos para baixo.

E o chip foi construído com um objetivo bem prático: criar um sistema de engenharia para projetar metamateriais que interagem com ondas de forma específica.

"Antes do nosso trabalho, não havia uma maneira única e sistemática de projetar metamateriais que controlassem as ondas mecânicas para diferentes aplicações. Em vez disso, as pessoas otimizavam um projeto para que ele cumprisse um propósito específico, ou experimentavam novos projetos com base em algo que viram na natureza, e depois estudavam quais propriedades surgiriam da repetição dos padrões," descreve a pesquisadora Chiara Daraio, do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Ocorre que os metamateriais podem lidar com uma ampla diversidade de ondas, da luz às ondas do mar ou dos terremotos. É por isso que eles servem para fazer mantos da invisibilidade, escudos contra terremotos, barreiras sônicas contra tsunamis, coisas supertransparentes e uma série de outras possibilidades. Isso significa que cada um desses materiais deve ser projetado especificamente para o fim a que se destina - lembre-se que metamateriais são formados por estruturas repetidas responsáveis por manipular as ondas.

Este novo chip promete pela primeira vez disponibilizar um método para a concepção sistemática desses metamateriais utilizando os princípios da mecânica quântica, o que permitirá, por exemplo, lidar com a grande diversidade de comprimentos de onda envolvidos nas diversas aplicações.

A expectativa é que, com uma maior facilidade de projeto, os metamateriais possam alcançar aplicações mais convencionais, como a transferência de energia entre aparelhos sem precisar de fios.

Quadrupolo

O pequeno chip, de 10 x 10 centímetros, comporta-se como um isolante topológico quando estimulado externamente usando ultra-som - sob a ação do ultra-som, dentre as 100 pequenas placas idênticas da pastilha, apenas as dos cantos começam a vibrar.

Isolantes topológicos são materiais cuja superfície tem características eletromagnéticas e ópticas diferentes do seu interior, um fenômeno que tem sua origem e opera ao nível da mecânica quântica. O chip é um sistema macroscópico que opera segundo o mesmo comportamento, com a diferença de que a luz que aciona os isolantes topológicos foi substituída por ondas de som e, em vez de átomos e elétrons, o efeito ocorre em placas visíveis a olho nu.

Além de ser uma demonstração prática e abrir o caminho para a aplicação mais ampla dos metamateriais, o experimento demonstrou pela primeira vez a existência de um quadrupolo elétrico, só previsto teoricamente em 2017. [Imagem: Marc Serra-Garcia et al. - 10.1038/nature25156]

"Em um isolantes topológico convencional, as vibrações só se espalham pela superfície, mas não dentro. O fenômeno é reduzido por uma dimensão," explica Sebastian Huber, do Instituto ETH de Zurique, coautor do trabalho.

Em um isolante topológico de segunda ordem, no entanto, o fenômeno é reduzido em duas dimensões. Consequentemente, com uma pastilha de silício bidimensional, a vibração não ocorre mais ao longo das bordas, mas apenas nos cantos, em um ponto de dimensão zero. "Somos os primeiros a ter sucesso em criar experimentalmente o isolante topológico de ordem superior previsto [pela teoria]," acrescentou Huber.

Aplicações práticas e teóricas

Para demonstrar o potencial de sua criação, a equipe criou uma lente acústica perfeita, que focaliza o som sem perda de sinal, e um guia de ondas que direciona e retarda a propagação do som.

Eles acreditam que sua plataforma experimental permitirá construir metamateriais para funcionarem como guias de ondas para redes de comunicação, sistemas de colheita de energia do ambiente, sensores de alta sensibilidade, melhores antenas etc.

Mas a demonstração também interessa aos teóricos.

"A descoberta-chave de um ponto de vista teórico é que certos isolantes topológicos de segunda ordem não podem ser descritos matematicamente como um dipolo, como são os isolantes topológicos convencionais, mas como quadrupolos, que são muito mais complexos. O fato de termos sido capazes de implementar isso experimentalmente em uma estrutura macroscópica pela primeira vez é, portanto, também um avanço para os teóricos." explicou Huber.

Bibliografia:

Designing perturbative metamaterials from discrete models
Kathryn H. Matlack, Marc Serra-Garcia, Antonio Palermo, Sebastian D. Huber, Chiara Daraio
Nature Materials
DOI: 10.1038/s41563-017-0003-3

Observation of a phononic quadrupole topological insulator
Marc Serra-Garcia, Valerio Peri, Roman Süsstrunk, Osama R. Bilal, Tom Larsen, Luis Guillermo Villanueva, Sebastian D. Huber
Nature
DOI: 10.1038/nature25156

Alumínio superforte pode superar aço inoxidável Redação do Site Inovação Tecnológica -

Alumínio superforte pode superar aço inoxidável

Redação do Site Inovação Tecnológica -  30/01/2018

O alumínio foi alterado em nanoescala, nas fronteiras entre os grãos do cristal - uma operação que ocorre, basicamente, em nível atômico. [Imagem: Sichuang Xue et al. - 10.1038/s41467-017-01729-4]

Resistência do alumínio

Depois de alcançar os extremos em termos de densidade - um alumínio superdenso e outro alumínio tão leve que flutua na água - agora os metalurgistas obtiveram uma liga de alumínio tão forte que rivaliza com a resistência do aço inoxidável.

"Ligas de alumínio leves e de alta resistência, com força comparável aos aços inoxidáveis, vão revolucionar as indústrias automobilística e aeroespacial," disse o professor Xinghang Zhang, da Universidade Purdue, nos EUA.

Normalmente as ligas de alumínio são leves e macias - em termos metálicos - e apresentam uma resistência mecânica baixa. Mas a equipe de Zhang descobriu duas técnicas capazes de alterar a microestrutura do alumínio para conferir-lhe maior resistência e ductilidade.

Falhas de empilhamento e fase 9R

O novo alumínio de alta resistência tornou-se possível pela introdução de "falhas de empilhamento", que são distorções na estrutura do cristal - e essas distorções influenciam fortemente as características mecânicas dos metais e ligas.

A rede cristalina de um metal é constituída por sequências repetitivas de camadas atômicas. Se faltar uma camada, diz-se que há uma falha de empilhamento. Além disso, podem ocorrer as chamadas "fronteiras gêmeas", consistindo em duas camadas de falhas de empilhamento.

Embora sejam fáceis de serem produzidas em metais como cobre e prata, essas distorções são difíceis de serem introduzidas no alumínio devido à sua alta "energia de falha de empilhamento". A equipe apostou então em um tipo específico de falha de empilhamento, chamada de fase 9R.

"Você precisa introduzir nanofronteiras gêmeas e fases 9R no alumínio nanogranulado para aumentar a força e a ductilidade e melhorar a estabilidade térmica," disse o professor Zhang.

E foi exatamente isto o que ele e sua equipe descobriram como fazer - e de duas maneiras diferentes.

Pulverização com metal

A primeira técnica consiste na indução de fases 9R no alumínio - simples ou gêmeas - por choque, o que foi feita bombardeando filmes de alumínio ultrafinos com microprojéteis minúsculos de dióxido de silício.

Na segunda técnica, a fase 9R e as fronteiras gêmeas foram induzidas no alumínio não por choque, mas pela introdução de átomos de ferro na estrutura do cristal de alumínio através de um processo chamado pulverização magnetrônica, ou pulverização catódica.

Esta última abordagem é particularmente promissora porque, como o ferro também pode ser introduzido no alumínio usando outras técnicas, como a fundição, ela poderá ser ampliada do laboratório para aplicações industriais.

"Estes resultados mostram como fabricar ligas de alumínio que são comparáveis, ou mesmo mais resistentes, do que os aços inoxidáveis. Há um grande potencial de impacto comercial nesta descoberta," finalizou Zhang.

Bibliografia:

High-Strength Nanotwinned Al Alloys with 9R Phase
Qiang Li, Sichuang Xue, Jian Wang, Shuai Shao, Anthony H. Kwong, Adenike Giwa, Zhe Fan, Yue Liu, Zhimin Qi, Jie Ding, Han Wang, Julia R. Greer, Haiyan Wang, Xinghang Zhang
Advanced Materials
Vol.: 8, Article number: 1653
DOI: 10.1002/adma.201704629

High-velocity projectile impact induced 9R phase in ultrafine-grained aluminium
Sichuang Xue, Zhe Fan, Olawale B. Lawal, Ramathasan Thevamaran, Qiang Li, Yue Liu, K. Y. Yu, Jian Wang, Edwin L. Thomas, Haiyan Wang, Xinghang Zhang
Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-017-01729-4

Descobertas simultâneas fazem elétron conversar diretamente com fóton Redação do Site Inovação Tecnológica

Descobertas simultâneas fazem elétron conversar diretamente com fóton

Redação do Site Inovação Tecnológica -  31/01/2018

Fazer com que elétrons conversem diretamente com fótons é um feito com amplos desdobramentos tecnológicos - esta imagem ilustra o feito da equipe que trabalhou com o material bidimensional WS2. [Imagem: TU Delft/Scixel]

Descobertas simultâneas

A corrida por uma nova plataforma de computação - que vá além da eletrônica atual - já conta com competidores de peso, como processadores quânticos, spintrônicos, neuromórficos, fotônicos etc.

Agora essa corrida ficou ainda mais disputada graças ao surgimento não de um, mas de dois competidores híbridos, que fundem a fotônica (processadores que funcionam com luz em vez de eletricidade) com a spintrônica (processadores que usam o spin dos elétrons, e não sua carga).

E os novos competidores já surgem com uma vantagem: eles são baseados em componentes de silício, o que significa que é mais fácil passar a coisa do laboratório para a indústria.

Outro detalhe interessante é que se trata de um feito raro na ciência - duas equipes da Universidade de Delft, na Holanda, trabalhando em laboratórios vizinhos, mas de forma independente uma da outra, descobriram ao mesmo tempo como fazer com que elétrons conversem diretamente com fótons.

As duas técnicas, que foram publicadas em artigos separados pela revista Science, prometem ajudar a conectar múltiplos qubits dentro de um mesmo processador quântico, superando a limitação de outras plataformas, como a dos qubits supercondutores, e viabilizar novas formas de processamento de dados mais energeticamente eficientes.

Spin fala com fóton 1

A equipe liderada por Su-Hyun Gong descobriu uma forma de converter a informação contida no spin de um elétron em um sinal de luz - um fóton - usando um material bidimensional, o dissulfeto de tungstênio (WS2), um metal dicalcogeneto com propriedades similares às da mais conhecida molibdenita. E tudo funciona a temperatura ambiente.

Isto significa que os dados podem ser armazenados em uma estrutura - o spin de um elétron - que consome uma quantidade irrisória de eletricidade em comparação com os fluxos de elétrons atuais, e ainda pode ser diretamente traduzido para transmissão da informação dentro do chip ou para fora do computador.

"Esta combinação pode muito bem resultar em estratégias verdes de processamento de informações em nanoescala," disse o professor Kobus Kuipers, coordenador da equipe, acentuando que o mecanismo também é útil no campo emergente da valetrônica.

A segunda equipe está trabalhando com qubits em uma plataforma de silício. [Imagem: TU Delft]

Spin fala com fóton 2

A equipe liderada por Nodar Samkharadze descobriu como acoplar o spin do elétron a um fóton de micro-ondas.

"O spin do elétron é aprisionado em um ponto quântico duplo de silício e o fóton de micro-ondas é armazenado em um ressonador supercondutor de alta impedância dentro do chip. O componente de campo elétrico do fóton na cavidade se acopla diretamente ao dipolo de carga do elétron no ponto quântico duplo e, indiretamente, ao spin do elétron, por meio de um forte gradiente de campo magnético local gerado por um micromagneto próximo," detalhou a equipe.

Isto significa que a informação guardada no spin de um elétron - que pode funcionar também como qubit - fala diretamente com um meio de transmissão de dados - as micro-ondas.

"Isso é importante para conectar bits quânticos distantes em um chip de silício, abrindo o caminho para aumentar a escala dos bits quânticos dentro dos chips de silício," disse Guoji Zheng, membro da equipe.

Bibliografia:

Nanoscale chiral valley-photon interface through optical spin-orbit coupling
Su-Hyun Gong, Filippo Alpeggiani, Beniamino Sciacca, Erik C. Garnett, L. Kuipers
Science
Vol.: 359, Issue 6374, pp. 443-447
DOI: 10.1126/science.aan8010

Strong spin-photon coupling in silicon
N. Samkharadze, G. Zheng, N. Kalhor, D. Brousse, A. Sammak, U. C. Mendes, A. Blais, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen
Science
Vol.: eaar4054
DOI: 10.1126/science.aar4054

Cristais - como sal ou açúcar - dissolvem-se em pulsos Redação do Site Inovação Tecnológica -

Cristais - como sal ou açúcar - dissolvem-se em pulsos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  01/02/2018

Quando um cristal sólido se dissolve na água, o processo não é contínuo, é pulsado, como se pode ver nesses mapas de taxas. [Imagem: MARUM at the University of Bremen]

Dissolução em pulsos

Quando Cornelius Fischer e Andreas Luttge, da Universidade de Bremem, na Alemanha, decidiram observar em detalhes o que acontece quando cristais de sal se dissolvem na água, eles não esperavam encontrar algo tão surpreendente: a dissolução dos cristais não é homogênea e nem contínua, ela ocorre em pulsos, marcados por ondas que se espalham como quando uma pedra cai em um lago.

"O que vimos são ondas ou anéis," conta Fischer. "Temos um poço no meio e, em seguida, em torno desses poços, ficam anéis de remoção de massa." - a remoção de massa é a passagem das moléculas do cristal sólido para a solução líquida.

Cristalização e dissolução

Na vida cotidiana, dissolver cristais é tão simples quanto mexer o açúcar em um copo com água. E, claro, o processo também funciona de modo inverso: cristais de açúcar se formarão à medida que a água se evaporar do copo.

Também sabemos que os cristais - seja sal, açúcar, a calcita encontrada no calcário ou o belo e transparente quartzo - formam-se através de um processo contínuo, à medida que as moléculas são depositadas da solução na rede cristalina regular do sólido que está-se formando.

Por isso, ninguém imaginava que, em suas entranhas, o processo de dissolução pudesse ser pulsado, e não contínuo.

"Nós sempre pensamos que a dissolução era um processo contínuo, tipo uma formação de cristal ao contrário, e ficamos abismados quando esses experimentos mostraram que esse não é um processo contínuo. Em vez disso, o que vimos são pulsos que ocorrem em torno desses poços," disse Fischer.

Os pulsos de dissolução - a dupla os chama de "flutuações rítmicas da densidade local da superfície reativa" - aparecem claramente nos mapas de taxas, imagens estáticas de alta resolução que capturam a taxa em que o material se dissolve ao longo do tempo a partir da superfície de um cristal.

Além de ampliar o conhecimento fundamental dos fenômenos físicos, a descoberta de que a dissolução dos cristais não é contínua poderá influenciar áreas tão diversas quanto a prevenção da corrosão em metais, a indústria química, a fabricação de alimentos, a indústria farmacêutica etc.

Bibliografia:

Cornelius Fischer and Andreas Lüttge: Pulsating dissolution of crystalline matter
Cornelius Fischer, Andreas Luttge
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 115 (5) 897-902
DOI: 10.1073/pnas.1711254115

Transístor com "capacitância negativa" gasta menos energia Redação do Site Inovação Tecnológica

Transístor com "capacitância negativa" gasta menos energia

Redação do Site Inovação Tecnológica -  01/02/2018

Estrutura e imagens de microscopia eletrônica mostrando o transístor que explora o fenômeno da capacitância negativa. [Imagem: Mengwei Si]

Capacitância negativa

Uma propriedade inusitada, chamada "capacitância negativa", pode de fato ser explorada para criar um novo tipo de transístor de baixo consumo de energia, validando uma teoria proposta em 2008.

A capacitância, ou armazenamento de uma carga elétrica, normalmente tem um valor positivo. No entanto, a teoria dizia que, usando o material ferroelétrico adequado no transístor seria possível produzir uma capacitância negativa, o que poderia resultar em um consumo de energia muito menor para operar o transístor.

Os materiais ferroelétricos alternam sua polarização quando uma determinada tensão elétrica crítica é atingida. Isso gera uma acumulação repentina de carga elétrica na superfície do material em uma intensidade que pode momentaneamente exceder a carga fornecida aos eletrodos pela fonte de energia. Se um resistor for colocado entre os eletrodos e a energia da fonte elétrica externa for sendo reduzida, produz-se uma diminuição da tensão no material ferroelétrico enquanto a carga ainda está aumentando. Consequentemente, a capacitância - carga dividida pela tensão - terá um valor negativo.

É um estado não-estável, de curta duração, mas que pode ser explorado na prática - é isto que acaba de ser demonstrado experimentalmente.

Transístor com capacitância negativa

A confirmação prática da teoria foi feita usando uma camada extremamente fina, ou 2-D, do semicondutor molibdenita (dissulfeto de molibdênio) para construir um canal adjacente a uma parte crítica dos transistores, chamada base. A seguir, um material ferroelétrico chamado óxido de háfnio-zircônio foi usado para compor, junto a essa nova base, o componente-chave da nova arquitetura do transístor - o capacitor negativo.

O óxido de háfnio já é amplamente utilizado como material dielétrico - isolante - nas bases dos transistores de hoje. Mas Mengwei Si, da Universidade Purdue, nos EUA, descobriu que o efeito de capacitância negativa pode ser obtido com um material similar, o óxido de zircônio-háfnio.

"O objetivo principal é fazer transistores mais eficientes, que consomem menos energia, especialmente para aplicações com restrições de energia, como telefones celulares, sensores distribuídos e componentes emergentes para a internet das coisas," disse o professor Peide Ye, coordenador da equipe.

A teoria original para esse conceito foi proposta em 2008 por Sayeef Salahuddin e Supriyo Datta, colegas de Ye na mesma universidade.

Com ou sem velocidade

O transístor com capacitância negativa foi criado por um processo chamado deposição de camada atômica, que é comumente usado na indústria, tornando a abordagem potencialmente prática para a fabricação industrial.

Agora que os primeiros passos foram dados, a equipe pretende verificar se os transistores de capacitância negativa podem ser ligados e desligados rapidamente o suficiente para serem práticos para aplicações comerciais de alta velocidade.

"No entanto, mesmo sem um chaveamento ultrarrápido, o componente ainda pode ter um impacto transformador em uma ampla gama de dispositivos que podem operar em menor frequência e precisam operar com baixos níveis de energia," disse Ye.

Bibliografia:

Steep-slope hysteresis-free negative capacitance MoS2 transistors
Mengwei Si, Chun-Jung Su, Chunsheng Jiang, Nathan J. Conrad, Hong Zhou, Kerry D. Maize, Gang Qiu, Chien-Ting Wu, Ali Shakouri, Muhammad A. Alam, Peide D. Ye
Nature Nanotechnology
Vol.: 8 (2), pp 405-410
DOI: 10.1038/s41565-017-0010-1

Use of Negative Capacitance to Provide Voltage Amplification for Low Power Nanoscale Devices
Sayeef Salahuddin, Supriyo Datta
Nano Letters
DOI: 10.1021/nl071804g

Raio trator acústico a caminho de levitar seres humanos Redação do Site Inovação Tecnológica

Raio trator acústico a caminho de levitar seres humanos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  02/02/2018

Por enquanto os testes foram feitos com bolinhas de isopor de 2 centímetros, mas equipamentos maiores poderão levitar até seres humanos. [Imagem: University of Bristol]

Levitação sônica para objetos grandes

Os levitadores acústicos, que também podem ser configurados para funcionar como raios tratores sônicos, usam a potência do som para manter partículas em pleno ar e, ao contrário da levitação magnética, conseguem levitar a maioria dos sólidos e líquidos.

E agora eles conseguem também capturar de forma estável objetos maiores do que o comprimento de onda do som usado para fazer o levitador sônico funcionar.

Os cientistas acreditavam que os raios tratores e levitadores sônicos estavam fundamentalmente limitados a manipular objetos pequenos, já que todas as tentativas anteriores de capturar partículas maiores do que o comprimento de onda haviam se mostrado instáveis, com os objetos girando incontrolavelmente. Isso ocorre porque o campo de som rotativo transfere uma parte do seu movimento giratório para os objetos, fazendo com que eles girem cada vez mais rápido, até serem ejetados da armadilha.

Tornados de som

Asier Marzo e seus colegas da Universidade de Bristol, no Reino Unido, desenvolveram uma nova abordagem que elimina essa limitação.

A coisa funciona mais ou menos como um "tornado de som" - uma estrutura semelhante a um tornado, com o som circundando um núcleo silencioso. A novidade é que a técnica usa vórtices acústicos com flutuações rápidas. A taxa de rotação do tornado pode ser controlada com grande precisão alterando-se rapidamente a direção de torção dos vórtices, estabilizando o feixe do raio trator e evitando que o objeto comece a girar.

A alternância do raio trator sônico equivale à criação de vórtices gêmeos entrelaçados, um em cada sentido. [Imagem: University of Bristol]

Essa estabilidade permitiu aumentar o tamanho do núcleo silencioso do raio trator, permitindo que ele sustente objetos maiores. Trabalhando com ondas ultra-sônicas de 40kHz - os morcegos conseguem ouvir, mas os humanos não -, os pesquisadores mantiveram no ar uma esfera de poliestireno de dois centímetros de diâmetro - ela é 4 vezes maior do que qualquer objeto até agora levitado acusticamente e mede o dobro do comprimento de onda usado.

Levitação de seres humanos

A capacidade de manipulação de objetos na faixa dos centímetros torna a tecnologia de levitação sônica adequada para a manipulação de cápsulas de medicamentos, implementos microcirúrgicos dentro do corpo ou qualquer outro objeto delicado que precise seguir pelo processo produtivo sem contato para evitar contaminação ou deformação.

Agora que a limitação do comprimento de onda foi vencida, a equipe afirma que sua técnica deverá permitir levitar objetos muito maiores, bastando para isso aprimorar o sistema de controle do vórtice, com uma sintonia mais fina que o torne ainda mais estável.

Eles afirmaram ter planos para, num futuro não muito distante, levitar seres humanos.

• Construa seu próprio raio trator sônico

Bibliografia:

Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles
Asier Marzo, Mihai Caleap, Bruce W. Drinkwater
Physical Review Letters
Vol.: 120, 044301
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.044301

Exoesqueleto acionado por músculo artificial biomimético Redação do Site Inovação Tecnológica

Exoesqueleto acionado por músculo artificial biomimético

Redação do Site Inovação Tecnológica -  05/02/2018

Os primeiros testes foram feitos em uma paciente que sofreu AVC e teve paralisia parcial - na foto o equipamento está montado em um manequim. [Imagem: Hashimoto Lab]

Músculo artificial macio

Engenheiros japoneses criaram novo tipo de músculo artificial macio e flexível - mais parecido com os músculos humanos - que se destacou em um campo que está progredindo rapidamente.

O atuador mostrou-se capaz de acionar um exoesqueleto, que a equipe está desenvolvendo para auxiliar o movimento de pessoas idosas e pacientes em hospitais.

"Em uma sociedade que envelhece rapidamente, um número crescente de pessoas idosas necessita de cuidados após sofrer acidentes vasculares cerebrais e outras deficiências relacionadas à idade. Várias tecnologias, dispositivos e robôs estão emergindo para ajudar os cuidadores," disse o professor Minoru Hashimoto, da Universidade Shinshu.

Mas ele se diz insatisfeito com essas várias tecnologias porque elas geralmente são muito pesadas para os idosos e pacientes, o que o levou a apostar no campo dos músculos artificiais macios.

"Neste nosso estudo, nós procuramos desenvolver um dispositivo assistivo de vestir leve e macio para dar suporte a atividades do cotidiano das pessoas mais velhas, com músculos enfraquecidos e com problemas de mobilidade," acrescentou.

O músculo artificial é formado por uma pilha de mantas de PVC na qual é incorporada uma malha eletricamente condutora. [Imagem: Minoru Hashimoto Lab]

Músculo de PVC

O mecanismo que serve de atuador para o exoesqueleto consiste em um gel de cloreto de polivinilo (PVC) plastificado, uma malha de eletrodos e uma bateria.

A malha de eletrodos permeia todo o gel. Quando a tensão elétrica é aplicada, o gel flexiona e se contrai, como um músculo biológico, formando um atuador macio e fácil de ser moldado para inserção nas diversas partes do exoesqueleto. Cada atuador é formado por uma série desses elementos sobrepostos.

Em uma avaliação preliminar, um paciente com acidente vascular cerebral com alguma paralisia em um lado do corpo andou com e sem o exoesqueleto.

"Verificamos que o assistente de vestir permitiu um movimento natural, aumentando o comprimento do passo e diminuindo a atividade muscular durante a caminhada em linha reta," escreveu a equipe.

A seguir, a equipe planeja criar um atuador em forma de fibras usando o mesmo gel de PVC, o que poderá permitir a fabricação de um tecido capaz de fornecer suporte muscular externo.

Brasileiro induz caos no laser para aumentar segurança na internet Redação do Site Inovação Tecnológica

Brasileiro induz caos no laser para aumentar segurança na internet

Redação do Site Inovação Tecnológica -  05/02/2018

Suporte de alumínio exerce pressão sobre o laser para alterar formato das ondas de luz emitidas.[Imagem: Thiago R. Raddo et al. - 10.1038/s41598-017-14436-3]

Caos como segurança

Pesquisadores da USP em São Carlos (SP) idealizaram um mecanismo inédito e inacreditavelmente simples para dificultar o acesso não autorizado - também conhecido como espionagem - a informações trafegando em redes de fibras ópticas.

Thiago Raddo e Ben-Hur Borges manipularam o laser comumente usado nas telecomunicações para alterar o padrão de transmissão dos dados por fibra óptica.

Normalmente o sinal de luz emitido pelo laser percorre a fibra com um certo padrão. A técnica consiste em tornar esse padrão completamente imprevisível, sem impedir que a mensagem seja compreendida quando chegar ao destino.

"A partir do momento que um sinal de luz desordenado é usado para transmissão de dados, se torna muito mais difícil um usuário não autorizado ou um espião ter acesso à informação que está sendo enviada ao destinatário," explicou Raddo.

Pressão mecânica

Já existem equipamentos geradores de caos para aplicações ópticas, mas eles são grandes e caros, inadequados para aplicações no dia a dia.

Assim, o que se destaca na solução proposta por Raddo é a simplicidade: para gerar desordem no sinal emitido, o laser recebe uma força mecânica externa gerada por um suporte de alumínio.

"O laser atua sem nenhum aparato complexo ou qualquer tipo de realimentação óptica. Isso é inédito na ciência atual," disse Raddo, destacando que a solução é de baixo custo e pode ser facilmente implantada.

A imprevisibilidade gerada pelo laser equivale à criptografia da informação, oferecendo uma camada adicional de segurança.

Ainda não há previsão para a tecnologia entrar no mercado porque ainda são necessários alguns desenvolvimentos para sua aplicação prática. Mas Raddo já sabe o que precisa fazer: "Vamos estudar outras abordagens, aprimorar o que foi desenvolvido e aguardar o interesse da indústria."

Bibliografia:

Strain induced polarization chaos in a solitary VCSEL
Thiago R. Raddo, K. Panajotov, Ben-Hur Viana Borges, M. Virte
Nature Scientific Reports
Vol.: 7, Article number: 14032
DOI: 10.1038/s41598-017-14436-3

Leve e discreta, antena têxtil é tecnologia para ser vestida Com informações da USP

Leve e discreta, antena têxtil é tecnologia para ser vestida

Com informações da USP -  06/02/2018

Antena com fenda associa operação em banda larga e facilidade de fabricação em tecnologia têxtil. [Imagem: Marcos Santos/USP]

Antenas para roupas

Engenheiros da USP criaram antenas feitas com tecidos com um amplo leque de aplicações.

Essa tecnologia de vestir, projetada para ser colocada em roupas e uniformes, melhora a recepção de sinais de internet sem fio, GPS e, se as antenas forem conectadas a sensores, permitem transmitir informações médicas, como temperatura do corpo e batimentos cardíacos do paciente, para centros médicos e hospitais.

A antena têxtil é feita com um substrato de tecido dielétrico - que não conduz corrente elétrica -, tendo em sua face superior o radiador, feito com tecido condutor, projetado para transmitir e receber sinais na faixa de frequências desejada. A face inferior do substrato também é revestida por tecido condutor, que atua como uma blindagem, evitando que a antena irradie sinais eletromagnéticos na direção do corpo do usuário.

"O tecido do substrato é o denim, o mesmo usado nas calças jeans, um material de fácil acesso e de alta resistividade," explicou a professora Fátima Salete Correra. "O radiador, que é uma parte metálica da antena, utiliza um tecido de poliéster (tafetá) com 35% de cobre puro, conhecido como PCPTF, sigla em inglês para Pure Copper Polyester Taffeta."

Protótipos de antenas de tecido

O primeiro desafio da pesquisa foi caracterizar os materiais têxteis da antena adequados para a operação em frequências de micro-ondas. Para serem práticas, elas precisariam ser feitas com materiais disponíveis no comércio, de baixo custo, além de resultarem em um produto leve e discreto.

"Em seguida, era necessário implantar uma tecnologia de fabricação que envolve o corte dos tecidos e sua fixação através de costura por linha dielétrica (não condutora de eletricidade), processo mais resistente que a colagem," contou o pesquisador Marcus Grilo, responsável pela construção das antenas de vestir. "Inicialmente, foi feita uma antena de microfita tradicional, com entrada e saída de sinais ligada diretamente ao radiador, para validar a tecnologia de fabricação e servir de base para aprimorar o que já é encontrado internacionalmente."

O primeiro protótipo é uma antena de banda larga, para redes sem fio (WiFi e Bluetooth), operando na banda ISM de 2,45 GHz, para aplicações industriais, científicas e militares. "O estudo propõe um circuito de alimentação original para conectar o sinal ao radiador e alargar a banda da antena. Assim, ela atende à frequência desejada em condições habituais de uso nas roupas, curvada e interagindo com o corpo," afirma o engenheiro.

Os ilhoses servem para conectar camadas metálicas do substrato da antena de banda dupla. Mas o conector mostra que uma tecnologia realmente de vestir exigirá novos padrões de conexão. [Imagem: Marcos Santos/USP]

Outro protótipo foi projetado para operar em banda dupla (ISM de 2,45 e 5,8 GHz, usadas em WiFi). "Seu radiador é formado por um quarto de cavidade ressonante em tecnologia SIW (guia de ondas integrado ao substrato), que ressoa nas duas bandas. As camadas metálicas nos dois lados do substrato precisam ser interligadas, o que foi feito com ilhoses metálicos," contou Marcus.

O protótipo mais recente é uma antena para banda larga, para a banda ISM de 5,8 GHz, em que o sinal é irradiado por uma fenda em formato de U inserida no radiador.

Aplicações das antenas têxteis

As antenas têxteis são utilizadas em sistemas WBAN, sigla em inglês para Wireless Body Area Network. "Embora não haja um termo específico em português, WBAN pode ser traduzido como 'redes corporais sem fios'. Em resumo, são sistemas vestíveis, que podem ser utilizados no corpo todo, com aplicações militares, médicas e civis," contou Fátima.

A aplicação médica teria como objetivo transmitir sinais biológicos dos pacientes, como temperatura corporal, pressão arterial e batimentos cardíacos, obtidos por meio de sensores e transmitidos por meio da antena. "Desse modo, não seria preciso o paciente deslocar-se até o hospital para ser examinado", explica a professora. "A telemedicina também é importante para monitorar a saúde de pessoas em condições de trabalho adversas. Por exemplo, no combate a incêndios, a medição a distância da temperatura corporal dos bombeiros pode alertar que o calor do ambiente está excessivo, causando risco de vida iminente."

Outra utilização prevista para antenas têxteis é a identificação por radiofrequência. "Em uma escola infantil, por exemplo, um chip integrado a uma antena bordada com fio condutor no uniforme do aluno acionaria um alarme caso a criança saísse para a rua antes da chegada dos pais," vislumbra Fátima. "Por fim, a antena têxtil permitiria a melhoria do sinal das redes sem fio (WiFi) em áreas de sombra".

O elo perdido para a economia do hidrogênio é... amônia? Redação do Site Inovação Tecnológica

O elo perdido para a economia do hidrogênio é... amônia?

Redação do Site Inovação Tecnológica -  06/02/2018

A questão central é que uma molécula de hidrogênio tem dois átomos do elemento, enquanto uma molécula de amônia tem 3 átomos de hidrogênio. [Imagem: Science Direct]

Hidrogênio na amônia

A tão sonhada economia do hidrogênio, baseada na geração de hidrogênio solar e na produção de eletricidade em células a combustível que não emitem qualquer poluente, pode ser viabilizada dispensando aquele que é um dos seus maiores entraves: a manipulação, armazenamento e transporte do próprio hidrogênio.

A proposta é de uma equipe internacional sediada na Austrália, cujo governo está vendo a ideia com bons olhos porque o país teria tudo para se transformar em um grande exportador de combustível renovável e totalmente não-poluente.

Ocorre que a molécula de hidrogênio é pequena demais, e vaza de qualquer invólucro que tente retê-la simplesmente permeando pelas paredes - isso exige paredes grossas demais e pressões descomunais para guardar o hidrogênio em tanques.

Mas a energia solar poderia ser armazenada, engarrafada e enviada globalmente usando a infraestrutura atualmente já usada para os combustíveis fósseis se o hidrogênio for manipulado não puro, mas na forma de amônia, defende a equipe.

Economia da amônia

A questão central é que, enquanto uma molécula de hidrogênio (H2) tem dois átomos do elemento, uma molécula de amônia (NH3) liga em conjunto 1 átomo de nitrogênio com 3 átomos de hidrogênio.

"Surpreendentemente, há uma massa de hidrogênio maior em um litro de amônia líquida do que em um litro de hidrogênio líquido. É contra-intuitivo, mas a amônia é simplesmente uma molécula melhor [para viabilizar a economia do hidrogênio]," explicou Keith Lovegrove, membro da equipe.

Assim, o pesquisador sugere que, em vez de falarmos em uma futura economia do hidrogênio, devemos começar a planejar a "economia da amônia". Sem átomos de carbono - tal como o hidrogênio e ao contrário dos derivados do petróleo, que são hidrocarbonos -, a amônia pode representar o combustível líquido limpo ideal, mas com uma transição mais fácil da atual economia do petróleo.

combustível limpo a partir da água do mar usando energia solar [Imagem: University of Central Florida]

Como meio de armazenamento de energia, a NH3 seria decomposta e posteriormente recombinada em um ciclo contínuo de armazenamento de energia termoquímica. Embora essas reações para armazenar energia e liberá-la mais tarde para gerar vapor ocorram em torno de 700° C, a mistura de hidrogênio e gás amônia seria armazenada e transportada a temperaturas quase ambiente, e gerando calor apenas quando necessário para alimentar um ciclo de vapor.

"Você pode transformá-la em hidrogênio quando chegar ao destino. Ou você pode usá-la diretamente, porque em turbinas a gás convencionais adaptadas você pode queimar amônia diretamente," disse Lovegrove.

Como o composto químico já é amplamente produzido e utilizado, com procedimentos bem estabelecidos de distribuição e manuseio, não seria uma transição difícil da economia do petróleo, defende Lovegrove: "A produção de amônia para fertilizantes é uma das maiores indústrias químicas do mundo. Existem plantas em todo o globo, e navios a transportam diariamente, por isso é uma coisa muito padrão."

Amônia solar

Ainda que a amônia não seja flor que se cheire, a ideia parece plausível. Contudo, há muito trabalho a se fazer para viabilizá-la tecnicamente.

Enquanto a quebra das moléculas de água em oxigênio e hidrogênio usando reatores solares já vem sendo pesquisada há bastante tempo, a reação de nitrogênio usando combustível solar, necessária para a fabricação da amônia, é um campo de pesquisa que acaba de começar.

Além disso, quando o hidrogênio é queimado como combustível, ele libera apenas água. Já a amônia libera água e o próprio nitrogênio, que precisaria ser coletado e receber uma destinação adequada.

Bibliografia:

Design and optimization of an ammonia synthesis system for ammonia-based solar thermochemical energy storage
Chen Chen, Keith M. Lovegrove, Abdon Sepulveda, Adrienne S. Lavine
Solar Energy
Vol.: 159, Pages 992-1002
DOI: 10.1016/j.solener.2017.11.064

Memoristor bate recorde armazenando 128 bits Redação do Site Inovação Tecnológica -

Memoristor bate recorde armazenando 128 bits

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/02/2018

Os memoristores são a base de processadores que poderão funcionar de forma mais parecida com o cérebro humano. [Imagem: Spyros Stathopoulos et al. - 10.1038/s41598-017-17785-1]

Eletrônica pós-transístor

Se os memoristores já não fossem promissores o suficiente - eles são comumente chamados de "sinapses artificiais" - agora se descobriu uma maneira de aprimorar as capacidades dessa nanotecnologia emergente que está viabilizando uma nova geração de eletrônicos.

Esses componentes eletrônicos emergentes são mais do que uma alternativa mais simples e menor para o transístor, que é a base de toda a nossa eletrônica. Como têm a capacidade de alterar sua resistência, lembrar-se dos dados que o atravessaram antes e armazenar múltiplos estados de memória, eles estão se tornando a base da computação neuromórfica, ou seja, mais parecida com o cérebro. A propósito, eles já estão até ameaçando deixar a computação quântica para trás.

Agora, Spyros Stathopoulos e seus colegas da Universidade de Southampton, no Reino Unido, alçaram o memoristor a um novo nível de desempenho mexendo em seus materiais componentes.

Memoristor com 128 bits

Enquanto um transístor consegue guardar um bit - 0 ou 1 - os memoristores retêm os dados "lembrando" a quantidade de carga que passou por eles anteriormente por meio de mudanças em sua resistividade. Isso significa, entre outras coisas, que cada componente pode guardar mais do que um dado - além de não perderem o dado quando o computador é desligado.

Stathopoulos demonstrou agora uma nova tecnologia de memoristor que pode armazenar até 128 estados de memória discerníveis por componente - quase quatro vezes mais do que já havia sido demonstrado até agora.

Ele alcançou esse nível de desempenho selecionando a melhor configuração de materiais óxidos funcionais - o componente central que dá ao memoristor sua capacidade de alterar sua resistência. As melhores opções encontradas foram bicamadas formadas por dióxido de titânio e óxido de alumínio (TiO₂Al_xO_y) e dióxido de titânio e óxido de tungstênio (TiO₂WO_x).

"Esta é uma descoberta realmente emocionante, com implicações potencialmente enormes para a eletrônica moderna. Os memoristores são uma tecnologia chave para os chips de próxima geração, que precisarão ser altamente reconfiguráveis robustos, escaláveis e eficientes em termos de energia. Ao mesmo tempo, esta tecnologia é ideal para desenvolver hardwares inovadores que possam aprender e se adaptar de forma autônoma, de forma muito parecida com o cérebro humano," disse o professor Themis Prodromakis, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Multibit memory operation of metal-oxide bi-layer memristors
Spyros Stathopoulos, Ali Khiat, Maria Trapatseli, Simone Cortese, Alexantrou Serb, Ilia Valov, Themis Prodromakis
Nature Scientific Reports
Vol.: 7, Article number: 17532
DOI: 10.1038/s41598-017-17785-1

Painel biofotovoltaico: Células solares mais verdes Redação do Site Inovação Tecnológica -

Painel biofotovoltaico: Células solares mais verdes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  09/02/2018

Em lugar de células solares de silício, as biocélulas a combustível usam algas para transformar luz do Sol em eletricidade. [Imagem: University of Cambridge]

Biocélula de combustível

Um novo projeto de biocélula de combustível usando algas mostrou-se cinco vezes mais eficiente do que os melhores modelos já apresentados até agora - tanto para algas como para plantas -, além de ser potencialmente mais barato para ser fabricada e mais prática de usar.

Além dos painéis solares fotovoltaicos tradicionais, aparelhos biofotovoltaicos - também conhecidos como células solares biológicas ou biocélulas solares - têm surgido nos últimos anos como uma abordagem ecológica e de baixo custo para coletar energia solar e convertê-la em corrente elétrica. Essas biocélulas solares utilizam as propriedades fotossintéticas de microrganismos, como as algas, para converter a luz em corrente elétrica.

Durante a fotossíntese, as algas produzem elétrons, alguns dos quais são expulsos da célula, onde podem ser coletados para produzir corrente elétrica. Até agora, todos os projetos de biocélulas solares apresentavam o carregamento (colheita de luz e geração de elétrons) e a entrega da energia (transferência para o circuito elétrico) em um único compartimento - os elétrons geram corrente assim que são liberados pelos microrganismos.

Nesta nova técnica, o sistema biofotovoltaico opera em duas câmaras, onde os dois processos envolvidos na operação da biocélula solar - geração de elétrons e sua conversão em corrente elétrica - são separados.

"O carregamento e a transferência da energia geralmente têm requisitos conflitantes. Por exemplo, a unidade de carregamento precisa ser exposta à luz solar para permitir um carregamento eficiente, enquanto que a parte de fornecimento de energia não requer exposição à luz, mas deve ser efetiva na conversão dos elétrons em corrente com um mínimo de perdas," explicou Kadi Liis Saar, da Universidade de Cambridge, idealizador da nova biocélula.

Um sistema de duas câmaras permitiu projetar as duas unidades de forma independente e, com isto, otimizar o desempenho dos dois processos simultaneamente, sem que um interferisse no outro, além de simplificar a construção do equipamento.

A densidade de potência melhorou muito, e o novo projeto deixa espaço para otimizações rumo à utilização prática. [Imagem: University of Cambridge]

Densidade de potência

A parte ativa da biocélula de combustível é composta por algas geneticamente modificadas para conter mutações que minimizam a quantidade de carga elétrica dissipada de forma não produtiva durante a fotossíntese. Juntamente com o novo projeto de câmaras separadas, isso resultou em uma célula biofotovoltaica com uma densidade de potência de 0,5 W/m2, cinco vezes mais do que os projetos anteriores.

Mas ainda há trabalho a ser feito, porque esse primeiro resultado representa apenas cerca de um décimo da densidade de energia fornecida pelas células solares convencionais. A boa notícia é que as células biofovoltaicas têm outras vantagens em relação aos painéis solares.

"Embora as células solares de silício convencionais sejam mais eficientes do que as biocélulas alimentadas com algas em termos da fração da energia do Sol que elas transformam em energia elétrica, existem possibilidades atrativas com outros tipos de materiais," ressalta o professor Christopher Howe. "Em particular, como as algas crescem e se dividem naturalmente, os sistemas baseados nelas podem exigir menos investimentos e podem operar de forma descentralizada".

Bibliografia:

Enhancing power density of biophotovoltaics by decoupling storage and power delivery
Kadi L. Saar, Paolo Bombelli, David J. Lea-Smith, Toby Call, Eva-Mari Aro, Thomas Müller, Christopher J. Howe, Tuomas P. J. Knowles
Nature Energy
Vol.: 3, 75-81
DOI: 10.1038/s41560-017-0073-0

Madeira superdura supera o aço e iguala titânio Redação do Site Inovação Tecnológica

Madeira superdura supera o aço e iguala titânio

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/02/2018

A madeira tratada é 12 vezes mais forte e 10 vezes mais dura do que a madeira natural original.[Imagem: Universidade de Maryland]

Supermadeira

Estes engenheiros da Universidade de Maryland, nos EUA, não estão rindo à toa.

Eles descobriram uma maneira de tornar a madeira mais de 10 vezes mais forte e mais resistente, criando uma substância natural que é mais forte do que o aço e até do que muitas ligas de titânio.

A madeira tratada com uma técnica simples em duas etapas é forte e resistente, uma combinação que não é geralmente encontrada na natureza - ela é tão forte como o aço, mas seis vezes mais leve.

É preciso 10 vezes mais energia para fraturar a supermadeira do que a madeira natural original, antes do tratamento - em termos técnicos, ela tem 10 vezes mais tenacidade, que é a resistência à tensão mecânica. Além disso, a madeira em lâminas pode ser dobrada e moldada no início do processo.

"Esta nova maneira de tratar a madeira torna-a 12 vezes mais forte do que a madeira natural e 10 vezes mais dura," acentuou o professor Liangbing Hu. "Isso pode ser um concorrente para o aço ou até mesmo para ligas de titânio [porque] ela é tão forte e durável [quanto esse metais]. Também é comparável à fibra de carbono, mas muito mais barata."

Como deixar a madeira superdura

"Nosso processo de duas etapas envolve a remoção parcial da lignina e da hemicelulose da madeira natural através de um processo de ebulição em uma mistura aquosa de NaOH [soda cáustica] e Na₂SO₃ [sulfito de sódio], seguida de prensagem a quente, levando ao colapso total das paredes celulares e à densificação completa da madeira natural, com as nanofibras de celulose [ficando] altamente alinhadas.

"Demonstramos que esta estratégia é universalmente eficaz para várias espécies de madeira. Nossa madeira processada tem uma força específica maior do que a maioria dos metais e ligas estruturais, tornando-se uma alternativa leve, de alto desempenho e de baixo custo," explicaram Jianwei Song e seus colegas.

Os testes da supermadeira incluíram disparar sobre ela projéteis semelhantes a balas de armas de fogo. O projétil passou direto através da madeira natural, mas ficou encrustado na madeira tratada - ou seja, é essencialmente uma madeira à prova de balas.

Aplicações da supermadeira

Além de um substituto para o aço e algumas ligas, a madeira superforte poderá também aliviar a pressão para o cultivo e extração de madeiras mais nobres e mais duráveis.

"Madeiras macias, como o pinho ou a balsa, que crescem rapidamente e são mais amigáveis com o meio ambiente, poderão substituir bosques mais lentos, mas mais densos, como a teca, em móveis ou edifícios," disse Hu.

"Esse tipo de madeira poderia ser usado em carros, aviões, edifícios - qualquer aplicação onde o aço é usado," finalizou.

Bibliografia:

Processing bulk natural wood into a high-performance structural material
Jianwei Song, Chaoji Chen, Shuze Zhu, Mingwei Zhu, Jiaqi Dai, Upamanyu Ray, Yiju Li, Yudi Kuang, Yongfeng Li, Nelson Quispe, Yonggang Yao, Amy Gong, Ulrich H. Leiste, Hugh A. Bruck, J. Y. Zhu, Azhar Vellore, Heng Li, Marilyn L. Minus, Zheng Jia, Ashlie Martini, Teng Li, Liangbing Hu
Nature
Vol.: 554, pages 224-228
DOI: 10.1038/nature25476