segunda-feira, 21 de setembro de 2009

Sistema neural interpreta pensamentos básicos à distância

Um conjunto internacional de pesquisadores, coordenados pelo Dr. Juan López Coronado, da Universidade Politécnica de Cartagena, na Espanha, está desenvolvendo um sensor que pretende não apenas ser capaz de interpretar intencionalidades básicas do pensamento humano, mas também de interpretá-los à distância.

O objetivo da pesquisa não é criar algum tipo de "leitor de pensamentos", mas de permitir que pessoas com deficiências físicas e neurológicas possam controlar equipamentos robotizados sem a necessidade da inserção física de sensores em seus corpos ou mesmo da colagem de sensores diretamente na cabeça.

Roupas inteligentes
O conjunto de sensores sem fios deverá ser instalado em um chapéu ou boné ou mesmo em uma outra peça de roupa dotada de conexões elétricas, conhecidas pelo conceito de "roupas inteligentes."

"O dispositivo permite decodificar a intencionalidade da pessoa por meio de sensores não-invasivos, ou seja, sem a necessidade de perfurar a caixa craniana. Algoritmos de computador capturam os sinais elétricos dos sensores e interpretam os aspectos básicos do pensamento humano ligados à coordenação motora," explica o Dr. Coronado.

Antecipando o movimento do outro
Se esta descrição do novo sistema não parece apresentar muitas novidades, o Dr. Coronado logo antecipa novidades quando o sistema for utilizado simultaneamente por várias pessoas: "Entre duas pessoas que estejam portando o novo sistema, tendo os sensores no boné ou na roupa, um deles poderá interpretar com antecipação se a outra pessoa pretende estender a mão para cumprimentá-lo."

Por exemplo, duas pessoas cegas, ambas portando o novo sistema de sensores sem fios, poderão aproximar-se e cumprimentar-se dando-se as mãos naturalmente. Várias outras possibilidades serão exploradas nos primeiros testes, incluindo o acompanhamento de pessoas idosas e o acionamento à distância de equipamentos robotizados.

Computadores quânticos poderão ter bits com cinco dados diferentes

Circuito supercondutor para teste do qudit, um bit quântico capaz de armazenar cinco dados diferentes.


Do bit ao qubit

Os computadores quânticos - máquinas superpoderosas que os cientistas afirmam que nos esperam no futuro - utilizam propriedades da mecânica quântica que permitem que um bit quântico, ou qubit, guarde mais do que um dado ao mesmo tempo - em vez de ser simplesmente 0 ou 1, um qubit pode ser as duas coisas ao mesmo tempo e "decidir" qual ele enviará para o cálculo no momento oportuno.

Se isso não parece suficiente, agora cientistas da Universidade de Santa Bárbara, nos Estados Unidos, demonstraram um qubit que consegue guardar simultaneamente até cinco informações, em vez das duas tradicionais.

As possibilidades que se abrem para um computador quântico precisariam de um computador quântico para serem calculadas, uma vez que sua velocidade e capacidade de armazenamento, em teoria, poderiam subir exponencialmente em relação ao que se calculava até agora, conforme o papel do qudit em seu circuito.

Nasce o qudit
O novo qubit é tão impressionante que os pesquisadores criaram um novo nome para ele - qudit. Se um qubit pode conter 2 níveis de energia, um qutrit pode conter 3 níveis; para resumir a nomenclatura, os físicos definiram que um qudit pode conter "d" níveis de energia. No novo circuito quântico supercondutor agora demonstrado, o qudit tem um d = 5, o que significa que cada bit quântico pode conter até 5 informações diferentes.

"Nosso qudit é o equivalente quântico de uma chave de cinco posições, em vez de apenas ligado e desligado," explica Matthew Neeley, o principal autor da pesquisa. "Como ele tem mais níveis de energia, a física de um qudit é mais rica do que a de um qubit individual. Isto nos permite explorar determinados aspectos da mecânica quântica que vai além daquilo que pode ser observado apenas com um qubit."

Super bits
Da mesma forma que os bits representam os 0s e 1s dos computadores atuais, os qudits poderão um dia representar os 0s, 1s, 2s, 3s e 4s dos computadores quânticos. "A maioria das pesquisas [na computação quântica] feitas até hoje têm-se focado nos sistemas de qubits, mas nós esperamos que nossa demonstração experimental motive mais esforços nos qudits, que seria mais uma ferramenta para o processamento quântico de informações," diz Neeley.

A demonstração do qudit foi feita em um circuito supercondutor, funcionando em temperaturas criogênicas. O fato de funcionarem apenas nessas situações extremamente controladas, além da facilidade com que perdem os dados, são os principais entraves para o desenvolvimento dos computadores quânticos.

quinta-feira, 17 de setembro de 2009

Elo perdido da eletrônica permitirá computador que aprende



Cientistas da HP conseguiram incluir uma camada de memristores em um processador de silício tradicional, comprovando que esse novo componente eletrônico funciona em conjunto com os componentes eletrônicos tradicionais e abrindo caminho para sua chegada ao mercado a curto prazo.

O que é memristor?
O memristor é considerado o elo perdido da eletrônica, um componente eletrônico com um comportamento similar ao do resistor, mas capaz de "lembrar seu passado", o que significa que ele funciona como uma memória não-volátil.

O memristor foi previsto teoricamente em 1971 pelo então jovem professor Leon Chua, da Universidade de Berkeley, nos Estados Unidos. Mas o dispositivo permaneceu como um componente quase lendário até o ano passado, quando os engenheiros conseguiram construir um memristor pela primeira vez, utilizando técnicas da nanotecnologia de última geração.

A descoberta do memristor
Desde que a eletrônica foi criada, ainda na época das válvulas eletrônicas, os cientistas e engenheiros sempre montaram os circuitos utilizando três blocos básicos: resistores, capacitores e indutores. Mas, em 1971, Leon Chua percebeu que estava faltando algo ao estudar como as quatro variáveis básicas de um circuito - tensão, corrente, carga e fluxo - se relacionam com esses três elementos.

Cada um dos três blocos básicos da eletrônica se relaciona com duas das quatro propriedades eletrônicas dos circuitos, criando uma cadeia que conecta a carga ao fluxo por meio da tensão e da corrente. Mas a matemática não-linear de Chua mostrava que deveria haver um quarto componente, capaz de ligar diretamente fluxo e carga.

Ele então batizou esse elo perdido da eletrônica de memristor - uma junção livre dos termos memória e resistor. E previu que esse quarto componente eletrônico fundamental teria propriedades que não poderiam ser duplicadas por nenhuma combinação dos três outros componentes.


Da teoria à prática
Tudo isto permaneceu no campo da teoria até o início do ano passado, quando cientistas comprovaram a existência do quarto componente eletrônico fundamental.

Agora as coisas parecem estar andando muito mais rapidamente. Apenas um ano e meio desde a demonstração do memristor, ele já está no interior de um chip trabalhando em conjunto com seus companheiros mais antigos e mais conhecidos.

Os memristores se comportam mais ou menos como os resistores - que simplesmente oferecem uma resistência à passagem da corrente elétrica. A sua grande vantagem é que ele consegue "lembrar" da última corrente que passou por ele, funcionando como uma memória, que poderá substituir tanto as memórias DRAM dos computadores quanto as memórias de dispositivos móveis, como os pendrives.

Substituto do transístor
Mas as vantagens dos memristores vão muito além de simples substitutos das memórias. Eles são excelentes substitutos dos transistores. Os pesquisadores afirmaram que cada memristor individual se mostrou capaz de substituir de 7 até 12 transistores, dependendo do papel que ele desempenha dentro do chip.

Melhor ainda: enquanto os transistores exigem a presença de energia constantemente, o memristor mantém sua memória mesmo quando a energia é desligada. Toda a perda de energia que acontece nos chips atuais deixa de existir nos pontos onde o memristor substitui os blocos de transistores, diminuindo o consumo de energia do processador e, por decorrência, seu aquecimento.

Fabricação dos memristores
No estágio atual de desenvolvimento, os memristores são construídos em uma grade de nanofios. Cada junção entre dois fios é um sanduíche cujo recheio é um aglomerado de partículas de dióxido de titânio. É esse sanduíche que é o memristor.

No experimento agora feito, a camada de memristores foi colocada sobre a camada do processador CMOS tradicional. Fios de cobre são utilizados para conectar os memristores com os demais componentes do chip. A adição da camada de memristores transformou o chip original em um FPGA (Field-Programmable Gate Array), um tipo de chip que pode ser fisicamente reconfigurado depois que ser fabricado.


Boot instantâneo
As possibilidades de avanços na eletrônica e na informática, graças ao advento do memristor, são praticamente inumeráveis. Duas delas, contudo, ganham destaque facilmente, graças à capacidade dos memristores de funcionarem em dois modos: modo digital e modo analógico.
A primeira possibilidade, baseada no modo digital de ser dos memristores, é a substituição das memórias RAM tradicionais por memórias não-voláteis, que não perdem o conteúdo quando a energia é desligada. Isto significa, por exemplo, que você poderá desligar o seu computador com todos os programas abertos e, ao religá-lo, continuar o trabalho instantaneamente, uma vez que não será preciso aguardar todo o processo de boot, abertura dos programas, reabertura dos arquivos e assim por diante.

Computadores que aprendem
A segunda possibilidade é ainda mais futurística e utiliza o modo analógico do novo componente eletrônico.

Os pesquisadores demonstraram que a forma de funcionamento dos circuitos dotados de memristores lembra muito o comportamento de organismos vivos muito simples. Organismos vivos são "analógicos", e não digitais como os computadores. Isto abre o caminho para a criação de computadores capazes de aprender, onde os memristores comporiam uma espécie de "sinapse artificial," criando computadores "neuromórficos."

Não será ainda um chip parecido com o cérebro humano, mas, ainda assim, será um chip capaz de aprender a reconhecer padrões. Hoje, qualquer capacidade de "aprendizado" dos computadores é baseado nos softwares que eles rodam. Com os memristores, o próprio hardware se tornará capaz de aprender.

O computador se tornará capaz, por exemplo, de adaptar sua interface com o usuário dependendo da forma como o usuário interage com ela. Essa capacidade também poderá ser explorada em programas de inteligência artificial como os utilizados para reconhecimento de faces e de linguagem.

quarta-feira, 16 de setembro de 2009

Cabos de alumínio com nanotubos reduzem perdas de eletricidade






Pesquisa testa cabo de alumínio com nanotubos de carbono que aumenta condutividade elétrica, reduzindo perdas de energia em até 65%. Projeto ganhou o primeiro lugar do Prêmio Werner von Siemens.






Estima-se que hoje a perda de energia durante a transmissão nos cabos elétricos de alta tensão seja de cerca de 5,5 kW por quilômetro de linha. Isso sem considerar as perdas nas estações.

Uma pesquisa feita no Centro de Engenharia de Nanoprodutos da Fundação Educacional Inaciana Padre Sabóia de Medeiros (FEI) testou um cabo de alumínio com nanotubos de carbono que aumenta a condutividade elétrica em 170 vezes e reduz as perdas de energia em até 65% em relação aos cabos de alumínio tradicionais.

Alma de alumínio
O fio é composto de uma alma de alumínio com camada superficial de nanotubos de carbono. De acordo com o professor do Departamento de Engenharia de Materiais da FEI, Ricardo Hauch Ribeiro de Castro, orientador da pesquisa, o trabalho se destaca pela técnica de aplicação, de baixo custo e elevado rendimento, que confere à nova tecnologia a possibilidade de implantação industrial.

"Com um custo razoável de aplicação, esse novo conceito de fio poderia ser utilizado em linhas de transmissão, reduzindo as perdas significativamente. Redução de perdas representa queda no custo total de energia", disse Castro à Agência FAPESP.

Prêmio de Inovação Tecnológica
O projeto foi desenvolvido por Eric Costa Diniz, aluno de engenharia elétrica da FEI, e contou com a colaboração dos professores Marcello Bellodi e Alessandro La Neve, ambos do Departamento de Engenharia Elétrica.

A pesquisa conquistou o 1º lugar no Prêmio Werner von Siemens de Inovação Tecnológica em 2008, na categoria Estudante - Novas Ideias, categoria Energia. O projeto foi escolhido entre 253 trabalhos inscritos por estudantes de graduação e pós-graduação do Brasil. Como prêmio, Diniz recebeu R$ 10 mil.

Cabo de energia com nanotecnologia
De acordo com Castro, as perdas naturais na condução de energia ocorrem porque a superfície sofre ligeira oxidação, formando uma camada passiva, o que prejudica a condutividade.

"Recobrindo a superfície do alumínio com nanotubos de carbono, esperava-se uma redução de perda, pois a condutividade elétrica dos nanotubos de carbono é elevada e tem um mecanismo diferente de condução eletrônica", explicou.

Segundo ele, esse novo fio abre perspectivas para a melhora da qualidade de transmissão de energia. "Além de reduzir as perdas, as propriedades mecânicas do cabo não são alteradas significativamente, já que a diferença entre o cabo tradicional de alumínio e o testado neste projeto é apenas uma camada superficial. Isso indica uma possibilidade concreta de substituição dos cabos atuais sem mudanças significativas na infraestrutura básica", disse.

Cabos de aço versus cabos de alumínio
A maior parte das linhas de transmissão do sistema brasileiro utiliza, segundo o professor, cabos de aço do tipo 636. "Os cabos de alumínio são utilizados com menor frequência. Mas eles vêm ganhando mercado nos últimos anos e há projeções de uma mudança total do sistema de linhas de transmissão para as próximas décadas", afirmou.

"Com a nova proposta de cabo de alumínio com nanotubos de carbono, os ganhos na redução de perda são muito mais expressivos. Isso poderia intensificar a migração dos cabos de aço para essa nova geração de cabos de transmissão nanotecnológicos, reduzindo as perdas de energia e economizando muito dinheiro", apontou.

O custo da nanotecnologia
O próximo passo da pesquisa será estender a experiência para cabos de condução maiores - o trabalho foi feito com um protótipo de 10 centímetros de extensão. A maior limitação, segundo Castro, é o custo relativamente alto, uma vez que os nanotubos de carbono utilizados são importados da China ou dos Estados Unidos.

"Infelizmente, não há uma produção muito expressiva de nanotubos de carbono no Brasil, o que aumenta o custo do produto final."

Apesar dessa limitação, o professor da FEI afirma que a técnica de deposição dos nanotubos desenvolvida no projeto é economicamente viável. "Utilizando-se via líquida, foi possível montar um sistema eficaz e capaz de ser introduzido em uma fábrica de trefilação de cabos com investimentos relativamente modestos", disse.

"O ponto a favor é que, como é aplicada apenas uma única camada de nanotubos de carbono no corpo de alumínio, a quantidade utilizada é muito pequena. Estimamos o aumento do custo de fabricação de um fio de alumínio com nanotubos em R$ 3 por metro, em relação ao cabo convencional.

Apesar de parecer muito, se considerarmos o ganho operacional nas reduções de perdas durante a transmissão, o novo cabo poderia ter vantagens econômicas significativas", destacou Castro.
Segundo ele, a pesquisa prosseguirá no melhoramento do protótipo. "O próximo passo é o alinhamento dos nanotubos de carbono em uma única direção para explorar ao máximo sua condutibilidade elétrica", disse.

terça-feira, 15 de setembro de 2009

Unicamp desenvolve nanopeneiras de polímeros para uso biomédico


Aplicações biológicas e biomédicas
Pesquisadores da Unicamp acabam de desenvolver nanopeneiras poliméricas, com aplicações principalmente em processos biológicos, que prometem ser alternativa bem mais eficaz do que as membranas de microfiltração disponíveis no mercado.

São materiais biocompatíveis e biodegradáveis de uso potencial, por exemplo, em cápsulas implantadas no corpo humano para a liberação controlada de medicamentos.

"Não há registro na literatura de peneiras ou membranas com este polímero e a mesma homogeneidade e dimensões submicrométricas dos poros. Essas características permitem direcioná-las para aplicações biológicas, como filtração de vírus, bactérias e glóbulos vermelhos", afirma o pesquisador Luis Enrique Gutierrez-Rivera.

Litografia holográfica
Segundo a professora Lucila Cescato, orientadora da pesquisa, o processo de fabricação das nanopeneiras envolveu a litografia interferométrica (ou holográfica), técnica desenvolvida no Instituto de Física da Unicamp. "A técnica consiste em projetar um padrão de interferência, gerado através de dois feixes de laser que, quando coincidem no espaço, demarcam regiões claras e escuras, intercaladamente".

Este padrão de luz e sombra é gravado duas vezes no material fotossensível (no caso, a resina negativa SU-8). A resina é girada em 90 graus entre as exposições e submetida posteriormente à revelação.

"Quando removemos a região não-sensibilizada, formam-se os poros. E, se promovermos mais exposições ao padrão de interferência, é possível gerar estruturas tridimensionais".

Polímeros substituindo o silício
As nanopeneiras foram fabricadas com o polímero PLLA (mistura de ácido poli-L-láctico), que tem a propriedade de se decompor e ser absorvido pelo organismo.

"Na década de 1990, o material dominante em sistemas microeletromecânicos para aplicações biomédicas era o silício, mas nos últimos anos vem sendo cada vez maior a utilização de polímeros, devido às suas propriedades de biocompatibilidade e moldabilidade".

Lucila Cescato observa, entretanto, que as membranas comerciais são produzidas através da síntese de polímeros, o que implica em pouca uniformidade no tamanho dos poros e também na sua estrutura.

Filtros de café e filtros de hemodiálise
"As indústrias de alimentos e químicas utilizam largamente estas membranas na filtração de partículas em função do baixo custo. Ocorre que esses processos não exigem tanta seletividade; coadores de café, por exemplo, são membranas deste tipo".

Já em uma hemodiálise, onde a seletividade é essencial, irregularidades no tamanho dos poros e na morfologia oferecem uma probabilidade, ainda que pequena, de que uma bactéria passe pela membrana. "Diferentemente dos materiais sólidos, os sistemas vivos são mais complicados, havendo células que se contraem e conseguem passar por cavidades menores que o seu tamanho", ilustra a professora.

Além da homogeneidade dos poros, as nanopeneiras possuem superfície lisa, o que facilita o escoamento e permite a retrolavagem, quando um dos problemas na filtração é o entupimento e inutilização das membranas. Por outro lado, Lucila Cescato atenta que por serem muito finas, as nanopeneiras não funcionam em processos industriais com taxa de filtragem e pressão elevadas.

"O preço também não seria competitivo para uso em larga escala. Sua melhor aplicação é na filtragem por difusão".

Entrega de medicamentos
Por conta disso, Luis Gutierrez-Rivera buscou nanopeneiras com dimensões e características apropriadas para cápsulas que funcionam como microrreservatórios de onde drogas são difundidas para o fluxo sanguíneo, um processo conhecido como drug delivery system.

"A uniformidade dos poros torna o processo muito mais controlável. A eficácia das drogas depende da concentração adequada: doses acima do indicado são tóxicas, enquanto doses baixas não possuem efeito terapêutico e geram resistência".

Outra aplicação pensada para esses dispositivos é em microrreservatórios contendo células vivas produtoras de substâncias como a insulina. "Além de controlar a taxa de difusão de insulina para o corpo, a nanopeneira protege as células produtoras em seu interior, já que o diâmetro reduzido dos poros impede que os anticorpos entrem para destruí-las".

As nanopeneiras poderiam substituir as membranas poliméricas em mais uma aplicação importante, como biossensores que monitoram o fluxo de sangue através das artérias para detectar possíveis estreitamentos. A vantagem dos dispositivos desenvolvidos por Gutierrez-Rivera está, mais uma vez, na uniformidade dos poros e da estrutura, ao passo que as membranas comerciais apresentam problemas de permeabilidade e seletividade com frequência.
Nanopeneiras mais baratas
O pesquisador explica que, em membranas comerciais, a máxima homogeneidade de poros, na faixa submicrométrica, é obtida pela técnica de track etching, ainda assim com distribuição aleatória e variação de tamanho em torno de 35%. "Na última década, têm sido empregadas técnicas de fotolitografia de alta resolução para alcançar melhor homogeneidade e dimensões apropriadas para novas aplicações biológicas, tais como análise de proteínas e separação de vírus".

A ressalva do pesquisador é que, para fotolitografar poros com dimensões submicrométricas, são necessárias fontes de comprimento de onda muito pequenos, como feixe de elétrons, feixe de íons, luz ultravioleta ou raio X, sistemas extremamente caros ou que se restringem a áreas muito pequenas.

"A técnica que utilizamos - exposição holográfica ou litografia interferométrica - mostrou-se uma alternativa interessante e de baixo custo para gravação de poros com dimensões na faixa de 0,2 a 1 mícron, em áreas de até 4 polegadas, de uma só vez".

Como acrescenta a professora Lucila Cescato, esta técnica permite gravar poros extremamente pequenos em uma área grande, o que seria muito difícil com outro tipo de processo. "O sistema de escrita por feixe de elétrons ou de íons, cujo instrumental é caríssimo, grava em áreas de 100 por 100 micrômetros. Recorrendo à litografia holográfica, gravamos praticamente com a mesma resolução (poros na faixa de 200 a 600 nanômetros) em áreas de centímetros".

Esmalte dos dentes inspira novos materiais para indústria aeroespacial








Micrografia óptica de um dente mostrando como as fraturas induzidas em laboratório se espalham ao longo do esmalte.










Parte mais dura do corpo humano

Você já deve ter ouvido falar que o esmalte dos dentes é a parte mais dura do corpo humano. Contudo, do ponto de vista da sua composição, o esmalte é uma espécie de cerâmica mineral que não é mais dura do que um vidro comum.

Se o segredo da sua resistência estivesse unicamente na sua composição mineral, não seria necessário morder uma castanha para que o esmalte se quebrasse inteiramente.

Mas isto não acontece e a razão pela qual o dente suporta quantidades gigantescas de pressão tem sido um mistério para os cientistas.

Estrutura dos dentes
Agora, um grupo internacional de pesquisadores utilizou ferramentas sofisticadas de imageamento e testes exaustivos com dentes extraídos de pacientes para tentar desvendar a estrutura cristalográfica do esmalte dos dentes - a forma como suas moléculas se organizam para suportar enormes pressões, em busca de uma resposta para esse mistério. E a busca parece ter sido frutífera.

A resposta está na estrutura altamente sofisticada dos dentes, que é a responsável por mantê-los íntegros. "Os dentes são feitos de um material compósito extremamente sofisticado que reage de forma extraordinária quando submetido a fortes pressões," explica o professor Herzl Chai, principal autor do estudo.

Fibras sintéticas
Uma curiosidade é que o professor Chai não é dentista - ele é engenheiro aeronáutico. E ele tampouco começou a pesquisar o esmalte dos dentes por acaso - seu interesse está no desenvolvimento de materiais que sejam mais leves e mais resistentes, superiores aos compósitos e fibras de carbono atualmente utilizados nos aviões mais modernos.

A indústria aeroespacial e automotiva usa materiais sofisticados para suportar grandes pressões e evitar que as peças se quebrem sob impacto. Por exemplo, os aviões mais modernos estão sendo fabricados com materiais compósitos formados pela justaposição de camadas de fibras de vidro e fibras de carbono, coladas por uma resina.

Apesar do apelo high-tech desses aviões e da estrutura dos carros de Fórmula 1, esses materiais de última geração não se comparam com o esmalte dos nossos dentes quando o assunto é a resistência. Mas os resultados da pesquisa do grupo do professor Chai poderão ajudar a diminuir a distância que os separa.

Tecido em forma de onda
Nos dentes, as "fibras" não são dispostas na forma de uma rede, como nos compósitos de fibra de carbono - elas são tecidas na forma de ondas. Há hierarquias de fibras e matrizes arranjadas em diversas camadas, ao contrário das camadas de espessura fixa dos compósitos usados nos carros e nos aviões.

Quando é submetida à pressão mecânica, essa arquitetura ondulada não oferece um caminho óbvio para que o estresse se espalhe, o que resultaria na sua quebra imediata naquela direção. Em vez disso, o estresse se espalha de forma mais ou menos aleatória, criando microfissuras que absorvem a pressão em conjunto, evitando rachaduras maiores e quebras.

Os pesquisadores afirmam que, ao desvendar essa estrutura, assim como entender o seu funcionamento, eles agora terão condições de projetar materiais sintéticos muito mais resistentes do que os atuais, incluindo compósitos para uso aeronáutico, que serão mais resistentes e poderão ainda mais leves do que os atuais.

Autocicatrizante
O dente tem uma vantagem adicional difícil de equiparar: ele é capaz de se recuperar das microfissuras. Mas os engenheiros estão trabalhando também nesse caminho - outras pesquisas já demonstraram que é possível incluir a autocicatrização até em metais.

Embora a criação de carros e aviões autocicatrizantes seja um objetivo distante no futuro, esta pesquisa permitirá que os engenheiros comecem já a desenvolver materiais significativamente mais resistentes do que os atuais, ainda que não tão duráveis quanto o esmalte dos nossos dentes.

sexta-feira, 11 de setembro de 2009

Filtros micromecânicos eliminam ruídos em telefones celulares


Pesquisadores da Universidade Purdue, nos Estados Unidos, estão desenvolvendo uma nova classe de minúsculos filtros mecânicos que poderão substituir com ganhos os circuitos eletrônicos utilizados para filtrar interferências em telefones celulares e outros equipamentos de telecomunicações.

Filtro de frequências
Os dispositivos, chamados ressonadores, vibram em padrões específicos, o que os permite cancelar ruídos de frequências determinadas, enquanto permitem a passagem das frequências desejadas. O resultado é um novo tipo de filtro "passa-banda", um componente largamente utilizado em eletrônica para permitir que somente os sinais adequados cheguem aos circuitos dos telefones celulares.

Esses filtros são elementos críticos para os telefones celulares e outros equipamentos eletrônicos portáteis porque eles permitem que esses aparelhos processem os sinais com um mínimo de interferência e com um máximo de eficiência de transmissão.

A nova tecnologia micromecânica tem o potencial para permitir a miniaturização dos filtros atuais, ao mesmo tempo em que melhora seu desempenho e reduz a energia necessária para o funcionamento dos aparelhos.

Micromecânica
O microfiltro é um exemplo de MEMS, ou sistema microeletromecânico, essencialmente uma máquina em miniatura, formada por peças microscópicas. No filtro micromecânico agora desenvolvido os sinais de entrada geram uma tensão que produz uma força eletrostática, fazendo com que o dispositivo vibre.

Além da utilização em telefones celulares, os ressonadores podem ser usados como sensores químicos e biológicos em aplicações industriais e medicinais.

Memórias mecânicas
Segundo o pesquisador Jeffrey Rhoads, existe ainda a possibilidade de uso desses MEMS como uma "memória mecânica," que usaria os padrões de vibração para armazenar informações.

"O potencial para uso como memória de computador está mais a longo prazo e é mais desafiador," diz Rhoads. "Nós estamos falando sobre a possibilidade de criar comportamentos complexos a partir de subestruturas relativamente simples, como na biologia celular você pode ter um comportamento relativamente complexo combinando centenas de milhares de células simples."

Novo transístor tritura recorde mundial de velocidade

O transístor ultrarrápido é feito de nitreto de gálio-alumínio (AlGaN/GaN) e apresenta uma altíssima condutividade elétrica, o que o classifica como um "Transístor de Alta Mobilidade Eletrônica", ou HEMT.



Miniaturização dos transistores
A miniaturização dos transistores não parou e não dá mostras de que venha a atingir seu limite tão cedo. Contudo, a colocação de um número cada vez maior de transistores no interior de um mesmo processador encontrou seus limites na dissipação de calor - o chip esquenta demais, correndo o risco de literalmente fundir suas peças microscópicas. Isso sem contar o desperdício de energia.

A saída adotada pela indústria foi a utilização de vários núcleos, criando uma arquitetura na qual um processador é formado por vários processadores individuais interconectados.

Transístor mais rápido do mundo
Mas há uma outra possibilidade técnica para o aumento da velocidade de processamento dos computadores: se não é possível adensar os componentes no interior do chip, pode-se usar transistores que sejam individualmente mais rápidos. Ainda que a quantidade de transistores permaneça a mesma, o processador ganhará velocidade na proporção do ganho de velocidade do transístor.

Isto mostra a importância dos resultados alcançados agora por uma equipe de pesquisadores do Instituto ETH de Zurique, na Suíça: eles fabricaram o transístor mais rápido já construído até hoje.

E, ao contrário dos recordes olímpicos, que geralmente são superados na casa dos décimos de segundo, o transístor mais rápido do mundo superou seus concorrentes por uma larga margem.

O recorde anterior era de 28 GHz. O novo "transístor-Bolt" tem uma velocidade de chaveamento de 108 GHz. E o progresso não para: essa velocidade era de 102 GHz quando os pesquisadores submeteram sua descoberta para publicação, há poucas semanas, o que indica a possibilidade de novos recordes a curto prazo.

Transístor quente
E isto não é tudo, porque a velocidade não foi o único avanço alcançado pela equipe do professor Colombo Bolognesi.

Os transistores à base de nitretos, como este agora construído, geralmente utilizam substratos de safira ou de carbeto de silício. O novo transístor utiliza uma base de silício, como os demais transístores usados na indústria, o que o torna muito mais barato.

O transístor ultrarrápido é feito de nitreto de gálio-alumínio (AlGaN/GaN) e apresenta uma altíssima condutividade elétrica, o que o classifica como um "Transístor de Alta Mobilidade Eletrônica", ou HEMT (High Electron Mobility Transistor).

Isso significa que ele suporta grandes fluxos de corrente e tensões elevadas, além de não apresentar irregularidades de funcionamento até temperaturas muito mais altas do que os transistores comuns.

Os pesquisadores acreditam que seu novo transístor poderá encontrar rapidamente aplicações em nichos como os radares anticolisão que estão sendo desenvolvidos para os automóveis, que devem operar em velocidades muito elevadas, e em estações de transmissão de telefonia celular.

quinta-feira, 10 de setembro de 2009

Velcro metálico suporta cargas de até 35 toneladas


Engenheiros da Universidade de Munique, na Alemanha, desenvolveram um velcro de aço que é capaz de suportar até 35 toneladas por metro quadrado mesmo em ambientes com temperaturas de até 800°C.

Invenção do velcro
Conta a lenda que o engenheiro suíço George de Mestral estava removendo carrapichos do pelo do seu cão de caça quando teve a ideia de construir um fecho formado por ganchos e argolas, que ele viria batizar de velcro.

Apesar dos inúmeros usos, o velcro atual, feito de polímeros sintéticos, não é resistente ao calor e nem a produtos químicos, o que limita seu uso em ambientes industriais, em máquinas e equipamentos e até em automóveis.

Velcro resistente ao calor
"As coisas podem ficar muito quentes, por exemplo, no setor automotivo. Um carro estacionado sob o Sol pode atingir temperaturas de 80°C. No coletor de escapamento do motor, então, as temperaturas atingem centenas de graus. Desinfetantes agressivos são usados em hospitais. E os velcros tradicionais são frágeis demais de serem usados na construção civil," diz o engenheiro Jose Mair, listando algumas das aplicações que ainda não têm acesso à facilidade de prender e soltar dos velcros.

Para superar essas deficiências, os pesquisadores simularam em computador vários modelos tridimensionais de sistemas de travamento que poderiam ser facilmente construídos em aço. A seguir, eles construíram os modelos que apresentaram os melhores resultados teóricos para a realização de testes reais.

O melhor resultado foi obtido com um desenho batizado de Flamingo, no qual ganchos largos acomodam-se nas aberturas de uma fita metálica perfurada. Os ganchos curvam-se e deformam-se elasticamente sob uma leve pressão. Uma vez inseridos nos furos, eles retornam imediatamente ao seu formato original, resistindo ao serem puxados de volta.

Metálico e flexível
Tanto as molas quanto a fita perfurada que formam o fecho têm espessuras de apenas 0,2 milímetro, o que torna o velcro metálico altamente flexível e fácil de ser instalado, não exigindo qualquer ferramenta.

A diferença do velcro metálico em relação ao velcro tradicional é que ele precisa ser posicionado no ângulo correto para se fixar, que pode ser tanto paralelo quanto perpendicular à fita perfurada.

Depois de inserido, o velcro metálico suporta cargas de até 7 toneladas na perpendicular da fita e até 35 toneladas se a carga for aplicada paralelamente à fita. O material sofre uma perda inicial de 20% na resistência durante os 10 primeiros usos e, a partir daí, mantém sua capacidade de carga.

Processador fotônico quântico faz seus primeiros cálculos

Esquema da implementação do algoritmo de Shor no chip quântico fotônico.


Um processador quântico que funciona utilizando partículas individuais de luz, os fótons, no interior de um chip de silício, acaba de fazer os seus primeiros cálculos na Universidade de Bristol, no Reino Unido.

Esta é a primeira vez que cálculos reais são feitos em um processador quântico fotônico e é um passo importante rumo ao desenvolvimento de computadores quânticos práticos, exponencialmente mais rápidos do que os atuais.

Chip quântico fotônico
Os fótons não foram unicamente utilizados para transportar os dados no novo chip. Suas interações quânticas foram utilizadas para efetuar de fato os cálculos. Cada fóton funciona como um qubit, o bit de um computador quântico.

Embora seja o supra-sumo da tecnologia, em termos de potencial futuro, este chip quântico fotônico é ainda bastante rudimentar em termos de computação. Ele utiliza apenas quatro fótons como entrada para fazer seus cálculos, ou seja, ele é computador de quatro qubits.

Utilizando um cálculo matemático conhecido como algoritmo de Shor, o chip descobre os fatores primos de 15, dando corretamente a resposta - 3 e 5.

"Esta tarefa pode ser feita mais rapidamente por qualquer criança na escola," brinca Alberto Politi, um dos construtores do processador quântico fotônico. "Mas esta é uma demonstração de princípio realmente importante."

Aplicações dos computadores quânticos
Descobrir fatores primos pode parecer algo um tanto abstrato, mas é em cálculos como esses que se fundamentam os mais modernos métodos de criptografia, incluindo os mecanismos de segurança dos bancos e das mensagens governamentais.

A capacidade que os computadores quânticos deverão ter para simular sistemas quânticos reais também deverá ser extremamente útil no desenvolvimento de novos materiais e novos medicamentos.

Funcionamento do processador quântico

O chip fotônico quântico utiliza guias de onda fabricados em um chip de silício para transportar os fótons. Em vez dos elétrons circulando pelos transistores, o chip fotônico faz seus cálculos explorando a interação entre esses fótons.

Quatro fótons são inseridos no interior do chip por meio de fibras ópticas. Em seu interior, os fótons viajam através das guias de onda que foram construídas de forma a criar uma sequência de portas lógicas, capazes de efetuar as operações tradicionais AND, OR e NOT.

Detectando os fótons na saída do chip quântico, os pesquisadores confirmaram que suas portas lógicas ópticas fizeram corretamente os cálculos. A saída é determinada pelas guias de onda pelas quais os fótons deixam o chip.

"O que é realmente entusiasmador sobre este experimento é que ele irá permitir o desenvolvimento de circuitos quânticos para fótons em larga escala. Isto abre todos os tipos de possibilidades," afirmam os pesquisadores.

terça-feira, 8 de setembro de 2009

Criado microprocessador que funciona com ar


Esse processador lógico que dispensa eletricidade, baterias e fios, e se dá muito bem com os materiais líquidos sempre presentes nos laboratórios, deverá dar um novo impulso ao campo dos biochips.



Computadores são muito simples
Quando você pensa em computadores, pensa em microprocessadores feitos de silício e outros materiais semicondutores, produzidos em salas ultralimpas localizadas em fábricas que custam bilhões de dólares.

E certamente você pensará também nos transistores, os elementos fundamentais dos microprocessadores e de todos os demais chips. É comum uma analogia entre os processadores e a matéria, ressaltando que os transistores seriam os átomos com que todos os circuitos integrados seriam construídos.

Logo, como não se tem matéria sem átomos, seria impossível ter processadores - e, portanto, computadores - sem os transistores, certo?

Errado. Apesar de serem os equipamentos mais complexos, versáteis e poderosos que o homem já construiu, o princípio de funcionamento dos computadores - ou dos processadores, que são a alma dos computadores - é notavelmente simples. Salvo algumas poucas funções em que os transistores funcionam como amplificadores, no interior de um processador eles são unicamente chaves liga-desliga.

Essas chaves são dispostas em sequências bem definidas e repetitivas, umas agindo sobre as outras da maneira mais simples possível, ou seja, de forma unidirecional. Ligue a chave 1 e as chaves 2 e 3 que estão conectadas a ela receberão corrente elétrica e, conforme estiverem ligadas ou desligadas, deixarão a corrente elétrica passar para as chaves 4 e 5 ou 6 e 7. E assim por diante.

Processador a ar
Ora, se você só precisa de chaves liga-desliga para fazer um processador, então você pode construir um computador com qualquer dispositivo que funcione como uma chave. Por exemplo, você pode construir um computador com canos e torneiras - a água fará o papel da eletricidade e as torneiras farão o papel dos transistores. Ou você pode substituir a água por ar, o que dará no mesmo.

Não apenas para demonstrar que essa possibilidade é real, mas também para construir um computador não-eletrônico que possa ser usado em biochips, pesquisadores da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, fizeram exatamente isso: eles construíram um processador que funciona usando o ar que flui por microcanais. Unindo os microcanais, foram postas pequenas chaves que liberam ou interrompem o fluxo de ar, exatamente como os transistores fazem em um processador eletrônico.

Enquanto no processador eletrônico a presença de eletricidade (chave ligada) é interpretado como 1 e a ausência de eletricidade (chave desligada) é interpretada como 0, os bits no processador a ar são criados pela presença ou ausência de ar nos microcanais.

Portas lógicas a ar
Uma corrente de 0s e 1s flui através dos microcanais do processador a ar, com válvulas pneumáticas controlando o fluxo do ar entre os diversos canais. Para simplificar as válvulas, os pesquisadores Minsoung Rhee e Mark Burns construíram os canais na forma de duas câmaras, separadas por uma membrana flexível. Quando a câmara inferior recebe ar, ele força a membrana para cima, fechando a válvula, evitando que o sinal binário flua pelas junções seguintes de forma desordenada. Para desligar a válvula, basta retirar o ar da câmara inferior.

A seguir, os dois pesquisadores usaram esse sistema de válvulas pneumáticas - que poderiam ser válvulas hidráulicas em um encanamento de água, varetas amarradas por cordões ou até mesmo, pasmem, transistores interligados por fios - para construir blocos básicos de cálculos, chamados portas lógicas, flip-flops, registradores e assim por diante - exatamente os mesmo blocos básicos existentes em um processador eletrônico.

Processador para biochips
Usando a facilidade das tecnologias de microfabricação - que são mais fáceis de mexer do que canos de PVC cheios de água - eles construíram um conjunto de microcanais capaz de funcionar como um processador de 8 bits, exatamente como o processador dos primeiros computadores do início da década de 80.

Esse processador lógico que dispensa eletricidade, baterias e fios, e se dá muito bem com os materiais líquidos sempre presentes nos laboratórios, deverá dar um novo impulso ao campo dos biochips, verdadeiros microlaboratórios utilizados na análise de amostras biológicas e com potencial para se transformar em microfábricas capazes de gerar compostos químicos superpuros, de forma contínua e com altíssima produtividade.

Processador sem fios
O processador a ar precisa de uma bomba externa para funcionar, mas a pressão e o volume de ar fornecidos por essa bomba são tão pequenos que o aparato é minúsculo e muito mais simples do que os controles eletrônicos que devem ser conectados aos biochips atuais.

Veja, por exemplo, um biochip de última geração, apresentado há poucas semanas, que é capaz de fazer mais de mil reações químicas simultâneas - apesar do avanço que ele representa, chama a atenção a enormidade de fios que derivam dele. E a foto naquela reportagem não mostra o aparato aonde chegam esses fios. No caso do novo processador a ar, o seu controle externo se resumirá a um cano flexível para a passagem de ar.

A ideia de processadores não-eletrônicos tem várias outras possibilidades de uso, incluindo a automação industrial, onde grande número de equipamentos já funciona por meio de sistemas a ar comprimido. A maioria desses equipamentos opera baseado em cálculos muito simples, como aceitar ou rejeitar um produto baseado na leitura de um sensor.

Processadores a ar comprimido poderiam simplificar as linhas de montagem, além de diminuir o consumo de energia e dispensar a presença de sistemas eletrônicos que operam muito aquém de suas capacidades.

Músculos artificiais imitam células musculares humanas

As partículas de cristal líquido, que são originalmente arredondadas, alongam-se fortemente, aumentando seu tamanho em até 70%.








Músculos lentos

Os músculos artificiais, com vários princípios de funcionamento, estão disponíveis há anos. Apesar de promissores, eles nunca tiveram um uso mais disseminado na robótica devido à sua baixa velocidade de atuação.

Apenas mais recentemente, um novo tipo de músculo robótico, cujo desenvolvimento contou com a participação de um pesquisador brasileiro, começou a vencer as limitações de velocidade.

Músculos artificiais que imitam os naturais
Agora, um grupo de pesquisadores alemães resolver abordar a questão com os princípios da nanociência: de baixo para cima. E, para isso, nada melhor do que se inspirar nos próprios músculos biológicos e em suas células elásticas.

Quando você move seu braço ou sua perna, as células musculares precisam alterar seu formato, seja alongando-se ou contraindo-se. A equipe do professor Rudolf Zentel conseguiu criar nanopartículas que se comportam como essas células musculares, alterando seu formato de forma reversível, o que abre caminho para que elas sejam utilizadas na fabricação de músculos artificiais que imitem os músculos naturais.

Borracha de cristal líquido
As nanopartículas, ou micromúsculos, como os pesquisadores as chamam, foram criadas a partir de cristais líquidos mesclados com um polímero elástico. Em vez de se alinharem, como acontece na tela de um monitor de computador ou TV, bloqueando ou deixando a luz passar, as partículas de cristal líquido, que são originalmente arredondadas, alongam-se fortemente, aumentando seu tamanho em até 70%.

A mudança de formato nas moléculas de cristal líquido, ou elastômeros, é bem conhecida dos cientistas há muito tempo, mas até agora ninguém havia conseguido produzi-las nessa escala. Para conseguir o feito, os cientistas mesclaram a química dos cristais líquidos com a ciência dos polímeros, criando uma espécie de "borracha de cristal líquido."

Reator microfluídico
O feito em nanoescala foi possível graças a um reator microfluídico, uma espécie de laboratório químico construído sobre um placa de silício do tamanho de um chip de computador.

Os ingredientes usados na fabricação dessas "células musculares" artificiais entram por um lado do chip, percorrendo microcanais e microcâmaras onde se dão as reações químicas. O produto final sai na outra extremidade do reator, de forma contínua. Esse conceito é também chamado de nanofábrica química.

Variando as condições da reação química no interior da nanofábrica, é possível fabricar partículas de diferentes tamanhos.

Aplicações dos novos músculos artificiais
Os músculos artificiais deverão ter uma aplicação real brevemente. A equipe do professor Zentel está pesquisando sua utilização nas próprias nanofábricas e em biochips, uma variação do mesmo conceito de reator químico em micro e nanoescala voltado para análises de laboratório e aplicações biomédicas.

Os pesquisadores afirmam também que seus micromúsculos poderão se tornar "uma séria alternativa para outros sistemas de atuação microscópicos, como os atuadores piezoelétricos e as partículas de hidrogel," graças à sua capacidade de gerar fortes pressões e torques e de alterar de formato rapidamente.

"A possibilidade de produzir as partículas elastoméricas de cristal líquido com altíssimo rendimento e produtividade permitirá seu uso em larga escala na manipulação de pequenos objetos em micromecânica, microfluídica e em robótica," conclui o professor Zentel.

sexta-feira, 4 de setembro de 2009

Pinças acústicas manipulam células vivas usando som


As pinças ópticas, assim como várias outras técnicas para movimentar células e nanopartículas usando apenas a luz já estão presentes nos principais laboratórios do mundo. Contudo, seu funcionamento exige equipamentos grandes e complexos, de difícil miniaturização.

Agora, cientistas da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos, passaram da luz para o som, criando pinças acústicas capazes de manipular os mesmos objetos em nanoescala, mas tão pequenas que poderão ser inseridas no interior de biochips.

Movendo células
"As técnicas atuais para movimentar células individuais ou pequenas gotas exigem um bocado de energia e podem danificar e até mesmo matar as células vivas. As pinças acústicas são muito menores do que as pinças ópticas e usam 500.000 vezes menos energia," diz o professor Tony Jun Huang.

A possibilidade de manipular células vivas sem danificá-las, por si só seria suficiente para colocar a nova ferramenta de laboratório em destaque. Mas ela conta ainda com a vantagem de poder ser construída com as mesmas técnicas que a indústria eletrônica usa para fabricar os chips de computador.

Uma pesquisa recente começou a eliminar algumas das deficiências das pinças ópticas, ao usar a luz para induzir o movimento natural das células vivas.

Pinças acústicas
As pinças acústicas são diferentes das pinças de sobrancelha - na verdade, são bem mais versáteis. Elas permitem posicionar vários objetos simultaneamente, dispondo-os equidistantes uns dos outros, formando linhas paralelas ou uma matriz.

Esta disposição física é provavelmente a mais útil nas pesquisas biológicas, permitindo que os cientistas disponham as células de forma a testar cada uma individualmente ou iniciem processos de cultivo para o crescimento de tecidos artificiais. A disposição organizada e ordenada facilita a aplicação dos diversos compostos químicos, assim como o monitoramento dos resultados.

A utilidade das pinças acústicas, contudo, vai além da biologia. Nanocientistas, físicos, químicos e cientistas dos materiais poderão usá-las para criar padrões de nanopartículas com qualquer finalidade, desde a fabricação de novos revestimentos até a criação de máscaras para o desenho de nanoestruturas.

Interação de ondas sonoras
As pinças ópticas funcionam por meio do controle preciso de várias ondas sonoras interagindo entre si.

Como as ondas sonoras têm pressão, elas podem empurrar objetos pequenos, como uma célula ou uma nanopartícula. Se duas fontes acústicas são colocadas em posições opostas, emitindo ondas sonoras de mesmo comprimento de onda, as duas ondas se anularão em um ponto preciso do espaço entre as duas fontes. Esse ponto pode ser visto como um canal, onde a pressão cessa e as partículas param de se movimentar.

Ao serem despejadas no recipiente ao redor do qual as ondas sonoras controladas estão sendo emitidas, essas partículas serão movimentadas até encontrarem o canal - o ponto onde as duas ondas sonoras se anulam - permanecendo aí.

Se os sons são emitidos a partir de fontes paralelas e opostas, os canais formarão linhas e conjuntos de linhas. Se as fontes sonoras forem colocadas nos ângulos corretos, os canais formarão estruturas de linhas e colunas precisas, como um tabuleiro de xadrez.

Ao serem despejadas sobre o recipiente, as partículas se movimentarão até se ajustarem precisamente às interseções dos diversos canais, onde nenhuma força as forçará a movimentar-se novamente.

As pinças acústicas utilizam transdutores interdigitais como fontes de som, construídos sobre a superfície piezoelétrica de um chip. Usando a fotolitografia, a superfície do chip é escavada para formar canais. Esses canais são preenchidos com líquido para que as células e nanopartículas possam mover-se livremente sob a ação do som.

NanoCaneta poderá escrever novos capítulos da nanotecnologia


Pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, criaram uma nanocaneta capaz de depositar de forma direta, rápida e precisa, qualquer padrão de nanopartículas, onde as nanopartículas funcionam como se fossem tinta.

Existem diversas técnicas para a deposição de nanopartículas, incluindo pinças ópticas, pinças acústicas e os já tradicionais microscópios eletrônicos que permitem a manipulação de átomos individuais.

Contudo, as técnicas atuais tendem a ser muito complexas e lentas, exigindo equipamentos grandes e levando horas para criar mesmo os padrões mais simples. Mesmo uma caneta-tinteiro da era nanotecnológica, criada há alguns anos, continua dependente dos microscópios eletrônicos.
Nanocaneta
Arash Jamshidi e seus colegas acreditam ter uma proposta melhor. Segundo eles, sua nanocaneta resolve todos estes problemas. Em escala de laboratório, eles conseguiram usar seu equipamento para depositar nanopartículas em padrões específicos na presença de pouca luz e a temperatura relativamente baixa.

A base da nanocaneta é uma pinça optoeletrônica, criada no mesmo laboratório em 2005. Essa "pinça" - na verdade o aparato está mais para uma correia transportadora de nanopartículas - permite a manipulação de nanopartículas por meio de imagens ópticas projetadas sobre um substrato de vidro revestido com material fotocondutor.

O processo de escrita com a nanocaneta leva apenas alguns segundos para se completar. A "secagem" da tinta corresponde à estabilização das nanopartículas nas linhas traçadas pela nanocaneta. Cada nanopartícula tem algumas poucas dezenas de nanômetros de diâmetro.

Ferramenta para nanotecnologia
Selecionando as nanopartículas - metálicas ou semicondutoras - é possível criar de simples fios a circuitos complexos.

A nanocaneta tem potencial para se transformar em uma ferramenta essencial nos laboratórios de nanociências e nanotecnologias, onde são construídos e testados dispositivos eletrônicos futurísticos, como computadores moleculares, biochips para diagnóstico médico, além de inúmeras outras possibilidades.

O tamanho e a densidade dos padrões, ou das linhas traçadas pela nanocaneta, podem ser ajustados pela variação da tensão, da intensidade de luz e do tempo de exposição à luz. Para funcionar, a escrita deve ser aplicada sobre uma superfície fotocondutora.

quinta-feira, 3 de setembro de 2009

Eletrônica orgânica ganha impulso e parte para cima do silício



Circuito eletrônico construído para demonstrar o funcionamento do novo semicondutor orgânico, o mais eficiente já fabricado até hoje.






Os plásticos condutores de eletricidade já estão incorporados nos mais modernos aparelhos eletrônicos, como o Walkman da Sony e o tocador de música Zune, da Microsoft - ambos possuem telas com OLEDs, LEDs orgânicos (à base de carbono) feitos com materiais poliméricos.
Mesclagem de polímeros
Ainda assim, esses materiais orgânicos condutores de eletricidade sofrem de uma deficiência que impede seu uso mais amplo: eles conseguem transmitir apenas cargas positivas, as chamadas lacunas, locais onde os elétrons podem se instalar. Em outras palavras, eles transmitem eletricidade apenas em um sentido.

"Os semicondutores orgânicos desenvolvidos ao longo dos últimos 20 anos têm um inconveniente importante. É difícil fazer os elétrons moverem-se através deles," explica o professor Samson Jenekhe, da Universidade de Washington, nos Estados Unidos.

Isso exige a mesclagem de polímeros doadores de elétrons com polímeros receptores de elétrons para que os circuitos eletrônicos orgânicos possam funcionar.

Semicondutor orgânico de duas vias
Isto era assim. Agora, o professor Jenekhe e sua equipe resolveram essa deficiência dos plásticos condutores sintetizando uma molécula orgânica que é capaz de transportar tanto elétrons quanto lacunas, dispensando a complicada mesclagem de compostos diferentes.

"O que nós demonstramos em nosso artigo é que você não precisa mais usar dois semicondutores orgânicos. Você pode usar um único material para criar os circuitos eletrônicos," diz o pesquisador.

Os pesquisadores utilizaram o novo material para construir um transístor projetado exatamente da mesma forma como são feitos os transistores tradicionais de silício e os testes mostraram que a corrente flui pelo dispositivo nos dois sentidos, com os elétrons e as lacunas movendo-se através dele com grande eficiência.

Melhor transístor orgânico já feito
O transístor representa o componente individual mais eficiente já construído com um semicondutor orgânico. Os elétrons movem-se ao longo do transístor com uma velocidade de cinco a oito vezes maior do que nos componentes orgânicos fabricados até agora.

Um circuito, que integra dois ou mais desses transistores, gerou um ganho de tensão de duas e cinco vezes maior do que já havia sido registrado em circuitos poliméricos.

A descoberta deverá impulsionar significativamente o uso da eletrônica orgânica em substituição aos semicondutores inorgânicos tradicionais, como o silício.

Válvula magnética funciona sem energia e facilita manutenção


Cientistas dinamarqueses criaram uma válvula capaz de fechar ou desviar fluidos no interior de encanamentos sem consumir energia.

A grande vantagem da nova válvula, segundo os pesquisadores até maior do que o não-consumo de energia, é a possibilidade de sua regulagem sem a necessidade de abertura dos circuitos, facilitando a manutenção e evitando a parada das linhas de produção.

Materiais magnetocalóricos
A válvula nasceu das pesquisas feitas com refrigeração magnética, uma tecnologia que substitui os compressores das geladeiras atuais por materiais chamados magnetocalóricos, que se aquecem quando expostos a um campo magnético. Depois que eles irradiam esse calor, resfriando-se, o campo magnético é removido e sua temperatura cai novamente, só que, desta vez, dramaticamente.

Este efeito pode ser usado em um ciclo de refrigeração clássico e os cientistas já conseguiram alcançar temperaturas próximas do zero absoluto utilizando esta tecnologia.

Válvula magnética
Christian Bahl e seus colegas da Universidade Riso aproveitaram esse mecanismo para criar uma válvula magnética que funciona sem consumir eletricidade e sem requerer força mecânica externa.

O funcionamento da nova válvula se baseia em um líquido fluindo sobre um material com uma temperatura Curie conhecida - a temperatura na qual o material passa de magnético para não-magnético.

Quando a temperatura do líquido cai abaixo de sua temperatura Curie, ele é atraído por um ímã localizado no lado de fora da válvula, abrindo a passagem para o fluido. Se a temperatura sobe novamente, o material perde o magnetismo, anulando a atração do ímã externo e uma mola é suficiente para fazê-lo voltar à sua posição original e fechar novamente a válvula.

Válvulas de cerâmica
Construindo a válvula com diversos materiais, cada um com sua própria temperatura Curie, os pesquisadores conseguiram construir válvulas que operam de forma diferente a diferentes temperaturas. O resultado é uma espécie de válvula termostática de estado sólido.

Existem válvulas com princípio de funcionamento similar no mercado, mas todas utilizam eletroímãs e, portanto, exigem energia externa para funcionar.

Os protótipos funcionam em temperaturas entre 10 e 40 graus Celsius, mas os pesquisadores afirmam que o princípio poderá ser utilizado para produzir válvulas que funcionem com temperaturas desde centenas de graus até a temperatura do nitrogênio líquido, já que existem materiais com temperaturas Curie variando ao longo de todo esse intervalo.

Como são feitas totalmente em cerâmica, as novas válvulas não sofrerão corrosão e não se oxidarão quando forem postas em contato com produtos oxidantes ou corrosivos.

quarta-feira, 2 de setembro de 2009

Bactéria vira biofábrica de matéria-prima para plástico

Uma equipe de cientistas coreanos alterou geneticamente a bactéria Escherichia coli (E. coli) transformando-a de um agente infeccioso em uma "fábrica biológica" de um composto químico usado pelas indústrias farmacêutica e química e que custa cerca de US$1.600,00 a tonelada.

O composto químico é a putrescina, uma diamina com quatro carbonos, que é utilizada para sintetizar, entre outros, o nylon-4,6, um plástico de largo uso industrial. A indústria consome cerca de 10.000 toneladas de putrescina por ano, com tendência de crescimento.

Biorrefinaria bacteriana
Hoje a putrescina é produzida a partir do petróleo, exigindo catalisadores de alto custo, em um processo tóxico e altamente inflamável.

A equipe do professor Sang Yup Lee, do instituto de pesquisas KAIST, conseguiu produzir a putrescina por uma via biotecnológica, utilizando apenas materiais renováveis.

"Pela primeira vez nós desenvolvemos uma cepa de E. coli com um metabolismo alterado que produz putrescina com alta eficiência," diz o pesquisador. "O desenvolvimento de uma biorrefinaria para compostos químicos é muito importante em um mundo onde a dependência dos combustíveis fósseis é uma preocupação crescente."

Programação metabólica
A programação metabólica de uma bactéria refere-se ao ajuste preciso e à otimização das redes regulatória e metabólica do microorganismo para que ele aumente a produção do composto químico desejado.

Primeiro os pesquisadores enfraqueceram ou eliminaram as rotas metabólicas da E. coli que competem com a produção da putrescina. Depois eles eliminaram as rotas que degradam o composto químico, além de amplificar a produção da enzima Spec C, que converte o composto ornitina em putrescina.

Finalmente, o exportador de putrescina, que permite a excreção intracelular da putrescina foi ajustado com um regulador global para aumentar a concentração do composto.

Industrialmente competitivo
O resultado final dessa manipulação genética e metabólica foi uma cepa de E. coli capaz de produzir 24,2 gramas por putrescina por litro de solução bacteriana.

Os pesquisadores descobriram que a E. coli pode tolerar uma concentração de até 0,5 M de putrescina, o que é 10 vezes superior à concentração do composto no microorganismo natural.

Esse nível de tolerância foi uma surpresa para os cientistas, significando que a bactéria pode ser ajustada para produzir um excesso de putrescina que se torna competitivo em termos industriais.

Nanolaser de estado sólido abre caminho para chips ópticos







O esquema (ao lado acima) ilustra a luz sendo comprimida e mantida no espaço de 5 nanômetros entre o nanofio e a base de prata. Abaixo, uma imagem por microscópio eletrônico do nanolaser real.









O menor laser semicondutor do mundo, capaz de gerar luz visível em um espaço menor do que o tamanho de uma única molécula de proteína, acaba de ser construído por um grupo de pesquisadores dos Estados Unidos e da China.

Além de comprimir luz em um espaço até então considerado inviável, os cientistas encontraram uma nova maneira de fazer com que a energia luminosa não se dissipe à medida que é emitida, obtendo, dessa forma, a ação do laser.

Aplicações dos nanolasers
Há menos de duas semanas, outro grupo de cientistas relatou a criação do spaser, um novo tipo de laser capaz focalizar a luz em dimensões muito menores do que o que se considerava possível. Os cientistas fizeram o mesmo agora, com a vantagem de utilizar um aparato inteiramente de estado sólido.

O nanolaser de estado sólido possibilitará o desenvolvimento das mais variadas inovações, como técnicas de microscopia e manipulação que possam perscrutar e caracterizar moléculas de DNA, tecnologias de telecomunicações ópticas muito mais rápidas do que as atuais e o desenvolvimento da computação óptica, na qual a luz substitui os circuitos eletrônicos atuais - veja também Nanolaser permitirá integração de circuitos ópticos em chips.

Plásmons de superfície
"Esse trabalho derruba as noções tradicionais de limites do laser e representa um grande avanço no desenvolvimento de novas aplicações nas áreas biomédica, de comunicações e de computação", disse Xiang Zhang, da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos Estados Unidos.

A noção tradicional é de que uma onda eletromagnética - entre as quais a luz - não pode ser focada em uma dimensão abaixo da metade de seu comprimento de onda. Mas grupos de pesquisa em diversos países têm conseguido formas de comprimir a luz até a escala de dezenas de nanômetros (bilionésima parte do metro) ao "grudá-la" em elétrons que oscilam coletivamente na superfície de metais, criando os chamados plásmons de superfície.

Diversos grupos têm tentado construir lasers de plásmons de superfície que possam sustentar e aproveitar essas ínfimas excitações ópticas. Mas a resistência inerente dos metais faz com que essas formas se dissipem quase imediatamente após terem sido geradas.

Luz aprisionada
Zhang e colegas partiram para uma nova abordagem de modo a evitar a perda de energia luminosa. O grupo empregou um nanofio de sulfeto de cádmio (mil vezes mais fino do que um fio de cabelo humano) e uma superfície de prata, os dois separados por um espaço de isolamento de apenas 5 nanômetros (o tamanho de uma molécula de proteína).

Nessa estrutura, o espaço de isolamento foi capaz de armazenar luz em uma área 20 vezes menor do que seu comprimento de onda. Como a energia luminosa foi armazenada nesse espaço não luminoso, a perda foi diminuída significativamente.

Laser de estado sólido
Controlando a perda de luz que inviabilizara experimentos anteriores, os cientistas puderam finalmente partir para sua amplificação, obtendo o laser.

"Em escalas tão pequenas não há muito espaço para atuar. Em nossa estrutura, o nanofio atua tanto como um mecanismo de confinamento como um amplificador. Ou seja, ele trabalha em dobro", disse Rupert Oulton, do laboratório de Zhang e autor do estudo.

Ao aprisionar a luz no minúsculo espaço entre o nanofio semicondutor e a superfície metálica, os cientistas puderam mantê-la sob controle o tempo suficiente para que suas oscilações se estabilizassem em um estado coerente que é a característica chave de um laser.

Em conjunto com um elétron
"Um ponto particularmente entusiasmante a respeito dos lasers de plásmons que demonstramos nesse trabalho é que eles estão em estado sólido e são totalmente compatíveis com a produção de semicondutores. Ou seja, podem ser aplicados em escala industrial", disse Volker Sorger, outro membro do grupo.

Os autores do estudo pretendem diminuir a luz até o tamanho do comprimento de onda de um elétron, ou cerca de 1 nanômetro, de modo que os dois, luz e elétrons, possam atuar em conjunto de modo equivalente.