Criado um dissipador para processadores quânticos Redação do Site Inovação Tecnológica

Criado um dissipador para processadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/05/2017

O refrigerador quântico é incorporado dentro do chip supercondutor - neste protótipo, várias unidades são incorporadas a dois osciladores quânticos paralelos. [Imagem: Aalto University / Kuan Yen Tan]

Resfriador quântico

"Estou trabalhando nessa engenhoca há cinco anos, e ela finalmente funcionou."

Foi assim que Kuan Yen Tan, da Universidade Aalto, na Finlândia, comemorou seu feito.

Ele construiu um dissipador para processadores quânticos, um circuito refrigerador adequado para funcionar junto aos processadores quânticos.

Vale mesmo a comemoração porque, mais do que resfriar os processadores, o refrigerador de Tan viabiliza o funcionamento dos processadores quânticos, uma vez que o calor induz erros nos qubits - se os qubits ficarem quentes demais, eles não podem ser inicializados porque ficam alternando velozmente entre estados diferentes.

O refrigerador em nanoescala resolve este problema, tendo sido projetado para funcionar diretamente junto aos qubits supercondutores, uma das plataformas mais avançadas rumo à viabilização da computação quântica.

Além disso, ainda que os refrigeradores quânticos já façam parte do arsenal dos laboratórios mais avançados há algum tempo, os segredos da termodinâmica em nível atômico ainda não estão totalmente desvendados.

Tunelamento

O circuito que contém os qubits supercondutores é resfriado utilizando o tunelamento dos elétrons que atravessam um isolador de dois nanômetros de espessura.

O truque está em dar aos elétrons uma energia insuficiente para o tunelamento direto. O elétron então vai buscar a energia que falta para que ele tunele do processador quântico, que então perde energia e resfria.

Os testes foram feitos em um ressonador quântico. Agora que atestaram que o conceito funciona, a equipe pretende incorporar o dissipador em um processador quântico real, além de tentar obter temperaturas cada vez mais baixas.

Bibliografia:

Quantum-circuit refrigerator
Kuan Yen Tan, Matti Partanen, Russell E. Lake, Joonas Govenius, Shumpei Masuda, Mikko Möttönen
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 15189
DOI: 10.1038/ncomms15189

NASA demonstra eletrônica que funciona em Vênus Redação do Site Inovação Tecnológica

NASA demonstra eletrônica que funciona em Vênus

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/05/2017

Imagens do circuito integrado antes (esquerda) e depois (direita) do teste em condições que simularam as condições atmosféricas de Vênus - apesar dos danos, o circuito continua funcionando. [Imagem: Philip G. Neudeck]

Eletrônica extrema

Uma equipe de engenheiros do Centro de Pesquisas Glenn, da NASA, construiu um circuito eletrônico de demonstração que promete viabilizar missões científicas de longa duração na superfície de Vênus.

As sondas espaciais enviadas a Vênus só conseguem funcionar na superfície do planeta por algumas horas devido às condições atmosféricas extremas. A temperatura na superfície do planeta é de cerca de 450º C e a atmosfera de dióxido de carbono tem uma pressão atmosférica 92 vezes maior que a da Terra.

Como os componentes eletrônicos comerciais não funcionam nesse ambiente, as sondas já enviadas a Vênus tinham todos os seus instrumentos e computadores encapsulados dentro de recipientes térmicos e resistentes à pressão. Mesmo assim, elas só duraram algumas horas, e todo esse aparato, extremamente pesado, encarece muito a missão.

• Cinco missões espaciais estrambóticas da NASA

Chip de carbeto de silício

Para superar esses desafios, Phil Neudeck e seus colegas desenvolveram circuitos integrados feitos com o semicondutor carbeto de silício. Os circuitos resistiram a temperaturas e pressões similares às de Vênus durante 521 horas - mais de 100 vezes mais do que qualquer sistema eletrônico já incluído em uma missão ao planeta.

"Nós demonstramos uma operação elétrica largamente mais longa com chips diretamente expostos - sem refrigeração e sem nenhuma embalagem protetora do chip - em uma reprodução física e química de alta-fidelidade da atmosfera de superfície de Vênus. E os dois circuitos integrados ainda funcionavam após o final do teste," contou Neudeck.

Detalhes do circuito integrado antes (em cima) e depois (embaixo) do teste. [Imagem: NASA]

No início deste ano, a equipe já havia demonstrado circuitos integrados de carbeto de silício quase idênticos, que funcionaram por mais de 1.000 horas a 480º C em uma atmosfera terrestre. Aqueles circuitos integrados estão sendo desenvolvidos para operar no interior dos motores de aviões, permitindo exercer controles que poderão resultar no aumento da eficiência de combustível.

• Sonda mergulha na atmosfera de Vênus

Bibliografia:

Experimentally Observed Electrical Durability of 4H-SiC JFET ICs Operating from 500 C to 700 C
Philip G. Neudeck, David J. Spry, Liangyu Chen, Dorothy Lukco, Carl W. Chang, Glenn M. Beheim
AIP Advances
Vol.: 897, pp. 567-570
DOI: 10.1063/1.4973429

Prolonged silicon carbide integrated circuit operation in Venus surface atmospheric conditions
Philip G. Neudeck, Roger D. Meredith, Liangyu Chen, David J. Spry, Leah M. Nakley, Gary W. Hunter
Materials Science Forum 2017
Vol.: 6, 125119

Hipercristal: nasce uma nova forma de manipular a luz Redação do Site Inovação Tecnológica

Hipercristal: nasce uma nova forma de manipular a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/05/2017

O hipercristal manipula a luz com uma eficiência sem precedentes. [Imagem: Tal Galfsky]

Interação da luz com a matéria

O controle da interação entre a luz e a matéria é fundamental para vários fenômenos e tecnologias, o que inclui coisas como a fotossíntese, os lasers, os LEDs e as células solares.

Hoje existem duas tecnologias básicas para manipular a luz, em seus diferentes comprimentos de onda: os cristais fotônicos e os metamateriais.

Os dois têm suas vantagens e inconvenientes, mas ambos tropeçam em uma estreita largura de banda - permitindo manipular apenas uma ou poucas cores simultaneamente - e emissão de luz um tanto fraca.

Tal Galfsky, da Faculdade da Cidade de Nova Iorque, resolveu esses dois inconvenientes mesclando os dois materiais artificiais - cristais fotônicos e metamateriais - para obter um nível de controle sobre a luz sem precedentes.

Hipercristal

O resultado foi batizado de hipercristal, uma nova classe de material artificial que apresenta uma taxa de emissão de luz e uma intensidade significativamente superiores à dos materiais individuais.

As propriedades únicas dos hipercristais resultam da combinação de escalas de comprimento na estrutura do material, bem como das propriedades inerentes das estruturas em nanoescala usadas em sua construção.

Os hipercristais mesclam as estruturas em estrutura micrométrica ou maiores dos metamateriais, com as estruturas nanométricas dos cristais fotônicos. [Imagem: Tal Galfsky et al. - 10.1073/pnas.1702683114]

A equipe afirma que os hipercristais deverão ter um impacto significativo em várias áreas de pesquisa tecnológica, a começar por LEDs ultrarrápidos para uso em Li-Fi, uma tecnologia sem fios que transmite dados em alta velocidade usando luz visível, células solares com maior capacidade de absorção de luz e emissores de fótons individuais para computação quântica.

Bibliografia:

Photonic hypercrystals for control of light-matter interactions
Tal Galfsky, Jie Gu, Evgenii E. Narimanov, Vinod M. Menon
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1702683114

Maior laser de raios X do mundo gera primeiras luzes Redação do Site Inovação Tecnológica

Maior laser de raios X do mundo gera primeiras luzes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  10/05/2017

Túnel principal de aceleração do XFEL, medindo 2,1 km.[Imagem: DESY/D. Nölle]

Laser de raios X

O laboratório XFEL, o maior laser de raios X do mundo, atingiu o último grande marco antes de sua abertura oficial, prevista para Setembro.

A instalação de 3,4 km de comprimento, a maioria localizada em túneis subterrâneos em Hamburgo, na Alemanha, gerou sua primeira luz laser de raios X.

O laser de raios X tem um comprimento de onda de meros 0,8 nanômetro - cerca de 500 vezes menor do que a luz visível. Neste primeiro teste, o laser teve uma taxa de repetição de um pulso por segundo, o que deverá aumentar para 27.000 pulsos por segundo quando as operações começarem para valer.

"A instalação, para a qual muitos países em todo o mundo contribuíram com conhecimento e com componentes, passou pelo seu primeiro grande teste de forma brilhante. Agora podemos começar a direcionar os flashes de raios X com espelhos especiais através da última seção do túnel para a sala de experimentos e, em seguida, passo a passo iniciar o comissionamento das estações de experimentação. Estou muito ansioso para o início da operação pelos usuários internacionais, que está previsto para setembro," disse o prof. Robert Feidenhans, diretor do XFEL.

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De doenças à astrofísica

A luz de raios X do XFEL será um bilhão de vezes mais brilhante do que a das fontes convencionais de luz síncrotron.

O comprimento de onda do laser corresponde ao tamanho de um átomo, o que significa que os raios X poderão ser usados para fazer imagens e filmes do nanocosmo em resolução atômica - incluindo biomoléculas, cujo estudo é essencial para o campo da biomedicina, na busca de uma melhor compreensão das doenças e de novas terapias para combatê-las.

Outras oportunidades de pesquisa incluem processos químicos e técnicas catalíticas, com o objetivo de melhorar sua eficiência ou torná-los mais ecológicos, pesquisas de materiais e até experimentos astrofísicos, com vistas a recriar condições semelhantes às existentes no interior dos planetas.

• Raios X são gerados com raios laser

Criado componente fundamental para a computação spintrônica Redação do Site Inovação Tecnológica

Criado componente fundamental para a computação spintrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/05/2017

O diodo spintrônico é baseado em um memoristor, um componente que imita as sinapses do cérebro. [Imagem: NIST]

Diodo spintrônico

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) dos EUA desenvolveram um componente básico fundamental para o desenvolvimento da spintrônica.

Componentes spintrônicos processam e transmitem informações usando o momento angular de cada elétron - mais conhecido como spin do elétron -, em vez das cargas elétricas de trilhões de elétrons fluindo na forma de uma corrente, como na eletrônica atual.

O resultado é que futuros circuitos baseados nesse conceito serão mais rápidos e consumirão uma fração da energia necessária para os equipamentos atuais.

Embora já existam demonstrações de inteligência artificial com spintrônica e uma estreita convergência da spintrônica com a computação quântica, os componentes fundamentais dessa tecnologia emergente ainda exigem tensões mais elevadas do que seria desejável para chips verdadeiramente revolucionários.

Foi justamente esse problema que Hyuk-Jae Jang e Curt Richter resolveram: eles modificaram um memoristor, o componente usado para construir sinapses artificiais, para que ele funcione como uma chave liga/desliga de correntes de spin, filtrando os elétrons com spins diferentes - essencialmente um diodo spintrônico.

O problema de alta tensão

É o spin o que dá magnetismo às coisas magnéticas: Cada elétron se comporta como um pequeno ímã, com dois pólos opostos. Materiais nos quais a maioria dos spins dos elétrons está alinhada na mesma direção (polarizada) produzem um campo magnético com a mesma orientação. Elétrons com o mesmo alinhamento de spin passam facilmente através desse material, enquanto elétrons com o alinhamento oposto são bloqueados.

Essa propriedade tem sido explorada para fazer "válvulas de spin" microscópicas - tipicamente um canal com uma camada magnética em cada extremidade. A polaridade relativa dos dois ímãs liga ou desliga a válvula: Se os dois ímãs tiverem o mesmo alinhamento, a corrente polarizada por spin passa através do canal; se os ímãs tiverem alinhamentos opostos, a corrente não consegue fluir.

Esse diodo spintrônico é "comutado" invertendo-se a polaridade de um dos ímãs, o que é feito aplicando uma corrente suficiente de elétrons com a rotação oposta. No entanto, inverter a polaridade do ímã gasta mais energia do que seria desejável.

Sinapse eletrônica vira diodo spintrônico

Jang e Richter foram buscar uma solução para o problema nos memoristores porque estes são essencialmente sanduíches de diferentes materiais, com um eletrodo na parte superior e outro na parte inferior, entre os quais estão uma camada de metal (condutor) e uma camada óxido (mau condutor). Quando uma tensão é aplicada aos eletrodos numa direção, a corrente flui e, invertendo-se a tensão, a corrente é desligada.

Eles descobriram que isso acontece porque a corrente faz com que átomos do metal condutor se difundam e interajam com o óxido - as camadas são extremamente finas - formando pequenos filamentos através da camada isolante que funcionam como canais de baixa resistência à corrente. Se a corrente é invertida, a camada de óxidos se livra dos átomos metálicos e a resistência volta a subir, interrompendo a corrente.

Qualquer que seja o sentido da corrente, assim que ela é desligada a resistência da camada de óxido fica "congelada" no estado em que se encontra - é por isso que os memoristores se "lembram" da última corrente que os atravessou, permitindo que eles funcionem como sinapses artificiais.

A novidade é que esses mesmos filamentos atômicos que se difundem pela camada de óxido permitem filtrar a corrente pelo spin, seguindo o modelo tradicional das válvulas de spin - e com baixas tensões e correntes.

"O que torna [nosso componente] único é que você pode abrir ou fechar um canal de spin usando um controle elétrico," explicou Jang. "E assim, com uma pequena tensão, podemos ligar e desligar a corrente de spin em um tempo de sub-nanossegundo, sem ter que inverter a polaridade do eletrodo ferromagnético de uma válvula de spin. Essa operação de alta velocidade e baixo consumo de energia é essencial para construir a futura tecnologia de lógica baseada em spintrônica para substituir a atual tecnologia de eletrônica baseada em CMOS, usada para fabricar quase todos os circuitos integrados hoje."

Bibliografia:

Organic Spin-Valves and Beyond: Spin Injection and Transport in Organic Semiconductors and the Effect of Interfacial Engineering
Hyuk-Jae Jang, Curt Andrew Richter
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201602739

Sensor brasileiro testa qualidade do etanol na hora Com informações da Agência Fapesp -

Sensor brasileiro testa qualidade do etanol na hora

Com informações da Agência Fapesp -  10/05/2017

O sensor poderá ser instalado em carros, postos e usinas, mostrando em segundos se o etanol está dentro dos padrões legais. [Imagem: LNNano/Divulgação]

Melhor que densímetro

Pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas (SP), desenvolveram um sensor para avaliar a qualidade do álcool combustível de maneira simples, rápida e prática.

O aparelho tem a capacidade de atestar, em segundos, se o etanol avaliado está dentro das especificações ou se foi adulterado.

O sensor consiste em dois eletrodos metálicos, sendo um deles revestido com uma camada funcional de espessura nanométrica. Os eletrodos são acoplados frente a frente e imersos no etanol. A avaliação da resposta elétrica do sensor permite determinar o teor alcoólico do combustível e informar, de imediato, se o etanol está dentro dos padrões de consumo.

A tecnologia tem potencial para substituir o densímetro, o aparelho usado hoje nas bombas de combustível.

"Embora amplamente utilizados para a verificação de combustível, os densímetros são mais imprecisos e o resultado da análise é de difícil visualização por parte do consumidor. Por ser pequeno e ter um custo baixo quando produzido em escala, o novo dispositivo pode ser instalado não apenas nas bombas, mas em todos os elos produtivos da cadeia, como usinas, caminhões de transporte ou mesmo nos carros dos consumidores finais," afirmou Carlos César Bof Bufon, responsável pelo projeto.

O segredo do sensor está em uma nanotecnologia, um revestimento nanométrico com moléculas que fazem o trabalho de mensuração do etanol. [Imagem: Tatiana P. Vello et al. - 10.1038/srep43432]

Qualidade do etanol na internet

Além de atestar se o produto está de acordo com as especificações da Agência Nacional do Petróleo (ANP), outro benefício do dispositivo eletrônico em relação às tecnologias tradicionais é a possibilidade de conexão com a internet, dentro do conceito de internet das coisas.

"O dispositivo pode ser conectado à internet das coisas e poderá transferir informações em tempo real a uma rede de dados onde são acessadas de forma remota. Isso abre a possibilidade de se criar aplicativos que informam a qualidade do etanol em um conjunto de postos de combustível, por exemplo", explicou Bufon.

A tecnologia está patenteada e pronta para ser adotada pela indústria. "Nossa expectativa é que o sensor esteja disponível no mercado em cerca de dois anos", disse o pesquisador.

Bibliografia:

A simple capacitive method to evaluate ethanol fuel samples
Tatiana P. Vello, Rafael F. de Oliveira, Gustavo O. Silva, Davi H. S. de Camargo, Carlos C. B. Bufon
Nature Scientific Reports
Vol.: 7, Article number: 4343
DOI: 10.1038/srep43432

Alto-falante de grafeno produz som sem vibrar Redação do Site Inovação Tecnológica -

Alto-falante de grafeno produz som sem vibrar

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/05/2017

O alto-falante de grafeno já vem com amplificador e equalizador, tudo dentro de um minúsculo chip. [Imagem: David Horsell/University of Exeter]

Alto-falante sem vibração

Se você alguma vez pensou que o grafeno parece ser tão bom que só faltava falar, então não falta mais.

Mark Heath e David Horsell, da Universidade de Exeter, no Reino Unido, desenvolveram um método pioneiro que usa o grafeno para gerar sinais sonoros complexos e controláveis.

Em essência, o sistema combina alto-falante, amplificador e equalizador gráfico, tudo em um chip do tamanho de uma unha e sem quaisquer partes móveis.

De forma mais simples, é um alto-falante que produz som sem precisar vibrar.

Alto-falante com amplificador e equalizador

Os alto-falantes tradicionais vibram mecanicamente para produzir o som, usando uma bobina móvel e uma membrana que movimenta o ar em torno dela para frente e para trás. É uma tecnologia que quase não mudou em mais de um século.

Já a nova técnica não envolve peças móveis. Uma camada do grafeno é aquecida e resfriada por uma corrente elétrica alternada que representa o som - a mesma corrente que chega ao alto-falante comum -, e a transferência dessa variação térmica para o ar faz com que ele se expanda e contraia, gerando as ondas sonoras.

Embora a conversão de calor em som não seja uma novidade, Heath e Horsell foram os primeiros a mostrar que esse processo simples permite que as frequências de som sejam misturadas, amplificadas e equalizadas - tudo dentro do mesmo dispositivo de tamanho milimétrico.

Termoacústica

Com o grafeno sendo quase completamente transparente, a capacidade de produzir sons complexos sem movimento físico pode "abrir uma nova geração dourada de tecnologias audiovisuais", diz a dupla, incluindo telas de celulares que transmitem imagens e sons.

"A termoacústica (conversão de calor em som) tem sido negligenciada porque é considerada como um processo tão ineficiente que não teria aplicações práticas. Em vez disso, nós focamos na forma como o som é realmente produzido e descobrimos que, controlando a corrente elétrica através do grafeno, não só conseguimos produzir som, mas também alterar seu volume e especificar como cada componente de frequência é amplificado. Essa amplificação e controle abre uma gama de aplicações no mundo real que não tínhamos previsto," disse Horsell.

Bibliografia:

Multi-frequency sound production and mixing in graphene
Mark S. Heath, David W. Horsell
Nature Scientific Reports
Vol.: 7, Article number: 1363
DOI: 10.1038/s41598-017-01467-z

Material híbrido pode dobrar eficiência de células solares Redação do Site Inovação Tecnológica -

Material híbrido pode dobrar eficiência de células solares

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/05/2017

Esta é a estrutura da perovskita híbrida orgânico-inorgânica - CH₃NH₃PbI₃[Imagem: Libai Huang]

Perovskita híbrida

Este material, com o enigmático nome de "perovskita híbrida", pode se tornar a base de uma nova família de células solares com nada menos do que o dobro da eficiência obtida pelas mais modernas células de silício cristalino.

Sua base é um cristal da já conhecida família das perovskitas, que produzem naturalmente células solares de alta eficiência, embora ainda não muito duráveis.

Ao cristal, tipicamente inorgânico, foram adicionados elementos orgânicos - moléculas de metil-amônia - que podem tornar uma célula solar capaz de capturar até dois terços (66%) da energia do Sol, sem perder quase nada em aquecimento.

Isso é nada menos do que o dobro do que se pode conseguir com uma célula solar de silício.

"Meus estudantes de graduação aprenderam como fabricá-la em uns poucos dias," vangloria-se a professora Libai Huang, da Universidade Purdue, nos EUA.

Limites das células solares

As células solares de silício conseguem transformar apenas um terço da energia do Sol em eletricidade por causa de seu hiato de energia, ou intervalo de banda (bandgap), que é a quantidade de energia necessária para fazer um elétron sair de seu estado fundamental e passar para um estado condutor, criando a eletricidade - esse limite de eficiência é conhecido como Limite de Shockley-Queisser (33,7%).

Contudo, os fótons que chegam do Sol podem ter mais energia do que o intervalo de banda, e por um tempo muito curto - na faixa de 10^-12 segundo - os elétrons ficam com uma energia extra. Esses elétrons são chamados de "portadores quentes", e no silício eles existem por apenas um picossegundo, tempo no qual eles viajam uma distância máxima de apenas 10 nanômetros antes de dissipar sua energia como calor. Esta é uma das principais razões para a baixa eficiência das células solares.

A equipe então projetou um material que oferece as condições para que os elétrons quentes vivam por pelo menos 100 picossegundos, tempo no qual eles viajam até 200 nanômetros, permitindo o aproveitamento de toda a sua energia.

Imagens com microscópios ultrarrápidos, como estas, mostram que os elétrons movem-se mais de 200 nanômetros pelo novo material, com uma perda de energia mínima como calor. [Imagem: Libai Huang]

Eletrodos e chumbo

Mas nem tudo está pronto para que o novo material transforme-se em uma célula solar revolucionária.

Primeiro os pesquisadores terão que sintetizar eletrodos com os níveis de energia necessários para arrancar a energia extra e fazê-la fluir para fora da célula solar.

A equipe afirma que também pretende testar outros compostos para tentar substituir o chumbo presente em seu material por outros elementos menos tóxicos.

Bibliografia:

Long-range hot-carrier transport in hybrid perovskites visualized by ultrafast microscopy
Zhi Guo, Yan Wan, Mengjin Yang, Jordan Snaider, Kai Zhu, Libai Huang
Science
Vol.: 356, Issue 6333, pp. 59-62
DOI: 10.1126/science.aam7744

Começa projeto para construção do primeiro biocomputador Redação do Site Inovação Tecnológica

Começa projeto para construção do primeiro biocomputador

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/05/2017

O projeto Bio4Comp vai usar unidades biocomputacionais impulsionadas por motores moleculares dentro de nanocanais.[Imagem: Till Korten/Cornelia Kowol]

Biocomputação

A União Europeia incluiu em seu programa EU-Horizon 2020 um projeto para construir um novo tipo de computador baseado em biomoléculas.

Os pesquisadores já receberam a parte inicial dos €6,1 milhões e já começaram a trabalhar.

"Praticamente todos os problemas matemáticos realmente interessantes do nosso tempo não podem ser computados de forma eficiente com a nossa atual tecnologia de computadores," disse o professor Dan Nicolau, que acredita que os biocomputadores serão muito superiores à atual computação eletrônica.

A ideia é usar máquinas biomoleculares, também conhecidas como motores moleculares, cada uma medindo alguns poucos nanômetros, para resolver problemas por meio de uma abordagem que a equipe chama de "biocomputação baseada em redes": as máquinas moleculares serão postas para se mover por uma rede de microcanais projetados para representar um algoritmo matemático.

Sempre que as biomoléculas atingirem uma junção na rede, elas ou adicionam um número à soma que estão calculando ou seguem adiante. Dessa forma, cada biomolécula atua como um pequeno computador, com processador e memória, já que fazem o cálculo e guardam consigo e resultado.

Computação paralela e eficiente

Embora cada biomolécula individual seja muito mais lenta do que um transístor, elas se automontam, de forma que podem ser usadas em grande número, acrescendo rapidamente seu poder de computação - e gastando muito pouca energia.

"Nós estamos usando motores moleculares das células que foram otimizados por um bilhão de anos de evolução para serem nanomáquinas altamente eficientes energeticamente. E as unidades de computação biológica podem se multiplicar para se adaptarem à dificuldade do problema matemático," disse Stefan Diez, membro da equipe.

Outra vantagem é que o biocomputador não funcionará de forma sequencial, como os atuais, fazendo cálculos verdadeiramente paralelos, já que uma biomolécula não precisa se importar com o que a outra está fazendo para fazer o seu próprio trabalho.

Imagens por microscópio eletrônico dos primeiros protótipos das redes que serão utilizadas, cada uma projetada para um tipo diferente de cálculo. [Imagem: Till Korten/Cornelia Kowol]

Múltiplos objetivos

O objetivo da equipe é chegar até o fim do projeto, em 2021, com a biocomputação em um nível de desenvolvimento que a torne competitiva com outras abordagens alternativas de computação, como a computação de DNA e a computação quântica.

Para isso, eles pretendem fazer um trabalho intenso no campo da biotecnologia, modificando as propriedades dos motores de proteínas, como a quinesina, a fim de otimizá-la para a biocomputação e permitir sua integração em dispositivos microfluídicos.

"Otimizar os motores moleculares não só nos dará ferramentas ideais para a nanotecnologia mas, ao mesmo tempo, aprenderemos muito sobre como eles funcionam e o que fazem dentro da célula. Esses insights serão úteis, além dos objetivos específicos do projeto, por exemplo para elucidar os papéis dessas proteínas em doenças graves, como câncer e demência," disse o professor Diez.

Bibliografia:

Parallel computation with molecular-motor-propelled agents in nanofabricated networks
Dan V. Nicolau Jr, Mercy Lard, Till Korten, Falco C. M. J. M. van Delft, Malin Persson, Elina Bengtsson, Alf Mansson, Stefan Diez, Heiner Linke, Dan V. Nicolau
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 113 no. 10, 2591-2596
DOI: 10.1073/pnas.1510825113

Laser verde torna inspeção não-destrutiva simples e barata Redação do Site Inovação Tecnológica

Laser verde torna inspeção não-destrutiva simples e barata

Redação do Site Inovação Tecnológica -  09/05/2017

A checagem da estrutura metálica é feita detectando a porção da luz verde que é transformada em ultravioleta pelo metal. [Imagem: ACS]

Inspeção não-destrutiva

Imagine poder checar a integridade estrutural de um avião, navio, de uma ponte ou de um prédio, sem precisar desmontar tudo para ver como a coisa anda lá bem no fundo.

Existem técnicas capazes de fazer isto em alguma medida, como os raios X, mas que são caros e que não podem ser aplicados em qualquer situação. Outras técnicas de inspeção não-destrutiva, por sua vez, ainda não conseguem gerar resultados inequívocos.

Mas a ideia agora é usar um simples raio laser verde, do mesmo tipo encontrado nos apontadores que os professores e palestrantes usam.

A equipe do professor James Patterson, da Universidade Brigham Young, nos EUA, descobriu que é possível usar o laser verde comum para fazer uma técnica espetroscópica conhecida como geração de segundo harmônico, que altera o comprimento de onda da luz.

Inspeção a laser

Pelo efeito da geração de segundo harmônico, ao ser atingida pelo laser, uma peça metálica converte uma parte da luz verde em luz ultravioleta, que reflete de volta junto com o restante da luz verde.

"A intensidade da conversão depende das propriedades do metal, e se essas propriedades foram alteradas por alguma forma de estresse, podemos detectar isto na luz convertida," explicou Patterson.

Os testes indicam que a técnica consegue distinguir entre partes de metal que ainda estão intactas e aquelas que sofreram danos e precisam ser substituídas. Os pesquisadores afirmam que seu método é mais sensível do que as técnicas existentes de inspeção não-destrutiva e, portanto, pode dar avisos prévios de perigos iminentes em vários tipos de estruturas e veículos.

A equipe agora pretende colocar sua técnica em um pacote portátil para facilitar seu uso.

"Em princípio, você pode dar uma volta com um bastão e algumas fibras ópticas e escanear grandes áreas de um navio em busca de danos ocultos," disse Patterson.

Outras estruturas que poderiam ser avaliadas com a tecnologia incluem oleodutos, componentes de construção e pontes.

Bibliografia:

Nondestructive testing with second harmonic generation
Shawn Averett, Scott D. Smith, Alex Farnsworth, James Patterson
American Chemical Society 253rd National Meeting & Exposition

Cerâmica líquida vai aonde nenhuma cerâmica jamais foi antes Redação do Site Inovação Tecnológica -

Cerâmica líquida vai aonde nenhuma cerâmica jamais foi antes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  09/05/2017

O material líquido, transparente e com densidade similar à da água, ao ser aquecido, vira uma cerâmica que suporta altíssimas temperaturas. [Imagem: Kansas State University]

Líquido que vira cerâmica

Apenas cinco ingredientes - silício, boro, carbono, nitrogênio e hidrogênio - foram misturados para produzir um novo polímero líquido que, ao ser aquecido, vira uma cerâmica com valiosas propriedades térmicas, ópticas e eletrônicas.

Dadas as propriedades da cerâmica resultante, o polímero poderá ser usado na fabricação de têxteis cerâmicos, melhores lâminas para motores a jato e proteções antitérmicas customizadas, além de permitir a fabricação de peças cerâmicas em impressoras 3-D e poder entrar na composição de baterias.

Com uma densidade similar à da água, o polímero também pode ser produzido em larga escala, por processos industriais.

"Este polímero é um material útil que realmente funciona," disse Gurpreet Singh, da Universidade do Estados do Kansas, nos EUA. "Agora podemos pensar em usar cerâmicas onde você nunca poderia sequer imaginar".

Tecidos de cerâmica

Além de líquido e transparente, o novo material tem baixa densidade, o que significa que ele pode dar origem a cerâmicas leves, em vez das cerâmicas tradicionais, como as feitas à base de silício e boro, que são pesadas - quando endurece, o material fica escuro, quase preto.

E mesmo com uma densidade de massa de três a seis vezes inferior à de outras cerâmicas de ultra-alta-temperatura, como as de boreto de zircônio e carbureto de háfnio, a cerâmica resultante do aquecimento do novo polímero consegue suportar temperaturas extremas, de aproximadamente 1.700 graus Celsius.

Finalmente, o polímero pode ser usado para produzir fibras cerâmicas. Quando aquecido a temperaturas de 50 a 100 graus Celsius, o material torna-se um gel similar ao xarope ou mel. Nesse estado de gel, o polímero pode ser puxado para formar cordas ou fibras, dando origem a têxteis cerâmicos ou malhas cerâmicas.

Esta é a estrutura da cerâmica SiBNC - silício, boro, carbono, nitrogênio e hidrogênio. [Imagem: Kansas State University]

As cerâmicas são valiosas porque resistem a temperaturas extremas e são usadas em uma variedade de produtos, de velas de ignição e fornos de alta temperatura a motores a jato e escudos de proteção na exploração espacial.

A equipe patenteou seu material e agora está procurando parceiros na indústria para comercializá-lo.

Rastros de luz monitoram objetos escondidos e não visíveis Redação do Site Inovação Tecnológica

Rastros de luz monitoram objetos escondidos e não visíveis

Redação do Site Inovação Tecnológica -  09/05/2017

O sistema consegue monitorar tudo o que acontece com o objeto dentro da caixa fechada. [Imagem: Akhlaghi et Dogariu - 10.1364/optica.4.000447]

Ver dentro sem abrir a caixa

Enxergar objetos através das paredes e fabricar câmeras que enxergam além da esquina pode ser mais simples do que se acreditava.

Milad Akhlaghi e Aristide Dogariu, da Universidade Central da Flórida, nos EUA, demonstraram como rastrear objetos escondidos analisando flutuações no "ruído óptico", reflexões da luz que não podem ser vistas a olho nu e nem detectadas pelos sensores comuns.

Enquanto essas reflexões da luz normalmente são indesejadas nas câmeras tradicionais, a dupla mostrou que é possível utilizá-las para detectar a localização de um objeto conforme ele se move fora do campo de visão - especificamente, dentro de uma caixa opaca fechada.

Assim, talvez não seja necessário abrir a caixa para ver se o gato de Schrodinger está vivo ou morto - se ele estiver se movendo a medição quântica estará definida, e o gato estará definitivamente vivo.

Por divertido que possa parecer, obviamente o mecanismo desenvolvido neste trabalho não poderia ser usado desta forma ou com esse objetivo, mas promete avançar o campo do sensoriamento remoto, ajudar no desenvolvimento de tecnologias de carros sem motoristas e melhorar a segurança da aviação - a técnica permite, por exemplo, enxergar através de um denso nevoeiro.

Rastreamento óptico

Existem várias tecnologias capazes de detectar e rastrear objetos à distância ou que não podem ser observados diretamente. A maioria delas, contudo, como o LIDAR - também conhecido como radar de luz, ou radar a laser - exige uma linha de visão entre o sensor e o objeto a ser observado, o que significa que elas não funcionam quando o objeto está obscurecido por neblina, nuvens ou outras condições que espalham a luz.

"Nós estamos promovendo uma mudança de paradigma," disse Dogariu. "Observar como as flutuações da luz são modificadas pela interação com o objeto nos permite recuperar informações sobre o objeto."

Parece fácil, mas isto é resultado de mais de dez anos de trabalho da equipe, que começou usando a luz para movimentar células vivas.

Primeiro, um pequeno objeto é colocado dentro de uma caixa de plástico, que reflete a luz de forma difusa. Um feixe de laser é disparado em uma das suas paredes, criando uma fonte de luz secundária dentro da caixa. O objeto alvo dispersa essa luz e, em seguida, essas ondas de luz tornam-se ainda mais aleatórias quando passam de volta através das paredes da caixa. A luz é então recolhida fora da caixa por um sensor, e um algoritmo isola o ruído natural das flutuações causadas pelo objeto.

"Um objeto que está escondido atrás de algum difusor de dispersão não é iluminado por um feixe espacialmente coerente," disse Dogariu. "O movimento do objeto, o tamanho do objeto e as propriedades do objeto afetam as propriedades estatísticas do campo óptico tipo ruído, e é este efeito o que nós medimos."

O sistema detecta variações difusas no brilho externo da caixa, invisíveis a olho nu. [Imagem: Akhlaghi et Dogariu - 10.1364/optica.4.000447]

Rastreamento de movimento

Como o sistema extrai informações sobre o movimento em cada direção independentemente, ele consegue identificar a posição exata em todos os graus de liberdade (esquerda-direita, cima-para baixo e diagonal). Além disso, como o método segue o movimento do centro de massa do alvo, a precisão de rastreamento não é afetada quando o objeto se inclina ou gira.

Isso permite detectar a direção na qual o objeto está se movendo, sua velocidade e suas dimensões. Mas não traz grandes informações sobre o objeto propriamente dito, como sua forma, cor ou seu formato.

Além disso, o sistema não é capaz de enxergar objetos parados, já que o algoritmo trabalha detectando variações no campo de luz, variações estas que são geradas apenas quando o objeto se move.

Embora a demonstração tenha sido feita com ondas de luz, abordagens semelhantes à base de ruído poderão ser implementadas em outros domínios, como a acústica, ou em outras frequências, como as micro-ondas, disse Dogariu.

Bibliografia:

Tracking hidden objects using stochastic probing
Milad I. Akhlaghi, Aristide Dogariu
Optica
Vol.: 4, Issue 4, pp. 447-453
DOI: 10.1364/optica.4.000447

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Memórias ferroelétricas de plástico: Rumo aos eletrônicos flexíveis Redação do Site Inovação Tecnológica

Memórias ferroelétricas de plástico: Rumo aos eletrônicos flexíveis

Redação do Site Inovação Tecnológica -  02/05/2017

O circuito de plástico pode ser dobrado até mil vezes sem perder a confiabilidade. [Imagem: Hyeonggeun Yu et al. - 10.1002/adfm.201700461]

Ferroelétrico com orgânico

Pela primeira vez, engenheiros conseguiram depositar uma película ultrafina de um óxido ferroelétrico em um substrato de polímero flexível.

Isto significa que esses materiais altamente promissores para a fabricação de memórias não-voláteis - que não perdem os dados na falta de energia - poderão ser utilizados nos tão esperados equipamentos flexíveis e dobráveis.

"Os materiais ferroelétricos são capazes de armazenar carga, o que os torna ideais para dispositivos de memória não-volátil. Mas eles tendem a ser frágeis e normalmente têm que ser fabricados a altas temperaturas - o que destrói a maioria dos polímeros. Nós descobrimos uma maneira de fabricar uma película extremamente fina de material ferroelétrico que pode ser feita a baixas temperaturas," disse o professor Jacob Jones, da Universidade Estadual da Carolina do Norte, nos EUA.

A capacidade de fabricar filmes finos ferroelétricos a baixas temperaturas é de fato o grande trunfo da técnica, já que isto permitirá integrar essa tecnologia de memória e armazenamento de dados com os semicondutores orgânicos - baseados em carbono - usados para fazer aparelhos flexíveis, já que eles são aplicados sobre bases de plástico como se fossem tinta.

Recentemente, outra equipe norte-americana conseguiu produzir o primeiro material ferroelétrico flexível, mas esta nova técnica significa que todos os materiais que vinham sendo pesquisados há mais tempo poderão igualmente ser utilizados.

Háfnio

A equipe trabalhou com o óxido de háfnio, ou háfnia, um material que tem propriedades ferroelétricas quando aplicado como um filme fino e com o qual a IBM vem trabalhando há alguns anos para criar transistores de nanotubos e chips 3D.

As películas finas de háfnia apresentaram propriedades ferroelétricas quando aplicadas por aspersão até atingirem espessuras variando de 20 nanômetros (nm) a 50 nm.

Ou seja, os protótipos da equipe representam um marco verdadeiro no campo da nanoeletrônica, com transistores orgânicos verticais muito finos, não-voláteis e que funcionam com baixas tensões.

O primeiro circuito de demonstração manteve integralmente sua funcionalidade mesmo quando dobrado até 1.000 vezes. A equipe agora pretende melhorar a confiabilidade quando o material for flexionado um número ainda maior de vezes.

Bibliografia:

Flexible Inorganic Ferroelectric Thin Films for Non-Volatile Memory Devices
Hyeonggeun Yu, Ching-Chang Chung, Nate Shewmon, Szuheng Ho, Joshua H. Carpenter, Ryan Larrabee, Tianlei Sun, Jacob L. Jones, Harald Ade, Brendan T. O Connor, Franky So
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.201700461

Lógica multibits já tem roteiro rumo à computação neuromórfica Redação do Site Inovação Tecnológica

Informática

Lógica multibits já tem roteiro rumo à computação neuromórfica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  02/05/2017

Materiais ferroelétricos podem gravar até 4 bits, abrindo caminho para sistemas de computação pós-binária.[Imagem: Baudry et al. - 10.1038/srep42196]

Lógica multivalorada

Pesquisadores traçaram um roteiro que descreve como usar os materiais ferroelétricos para processar informações usando a lógica multivalorada, que representa um salto além dos meros 0s e 1s que compõem nossos sistemas de computação atuais, permitindo processar informações de forma muito mais eficiente.

Expandir a linguagem binária atual para três ou mais valores, de modo que cada transístor possa codificar mais informações, significa abrir um mundo totalmente novo de possibilidades para a computação.

Apesar de as vantagens da computação baseada na lógica multivalorada - ou lógica plurivalente - serem conhecidas há muito tempo, o problema é que não descobrimos ainda um sistema material no qual seja possível implementá-la.

Laurent Baudry e seus colegas decidiram estudar se seria possível - ainda que teoricamente - fazer isto usando os ferroelétricos, uma classe de materiais cuja polarização pode ser controlada com campos elétricos - e que agora também podem ser feitas de plástico. Como os ferroelétricos mudam fisicamente de forma quando a polarização muda, eles são muito úteis em sensores e outros dispositivos, como máquinas de ultrassom médico.

Há um grande interesse em explorar essas propriedades para fazer melhores memórias de computador, mas a teoria por trás de seu comportamento só agora está emergindo.

• Memórias magnéticas tornam-se multi-bit

Computação neuromórfica

O novo trabalho estabelece uma receita por meio da qual torna-se possível explorar as propriedades de filmes muito finos de uma determinada classe de material ferroelétrico de grande sucesso experimental - as perovskitas.

De acordo com os cálculos do trio, as películas de perovskita podem conter duas, três ou até mesmo quatro posições de polarização energeticamente estáveis - em essência, até quatro bits.

Eles calcularam essas configurações estáveis e como manipular a polarização para mover o material entre as posições estáveis usando campos elétricos, abrindo caminho para que os engenheiros façam experimentos práticos de lógica multivalorada usando as perovskitas.

"Quando tornarmos isso real na forma de um dispositivo, ele aumentará enormemente a eficiência das unidades de memória e dos processadores," disse o professor Valerii Vinokur. "[Este roteiro] representa um passo significativo rumo à materialização da chamada computação neuromórfica, que se esforça por modelar o cérebro humano."

Vinokur antecipou que sua equipe teórica já está trabalhando com experimentalistas para aplicar os princípios estabelecidos em seu roteiro para criar um sistema prático funcional.

• Primeiro processador feito de uma única camada atômica

Bibliografia:

Ferroelectric symmetry-protected multibit memory cell
Laurent Baudry, Igor Lukyanchuk, Valerii M. Vinokur
Nature
Vol.: 7, Article number: 42196
DOI: 10.1038/srep42196