Moléculas individuais se auto-organizam para armazenar dados

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/01/2019

Nesta ilustração, um elemento de armazenamento de dados - consistindo de apenas 6 átomos de xenônio - é liquefeito por um pulso elétrico.[Imagem: University of Basel/Department of Physics]

Dados em moléculas

Obter a maior capacidade de armazenamento no menor espaço possível é essencial para que você possa comprar HDs com mais terabytes sem precisar pagar tera-Reais por eles.

Em quase todas as formas de mídia, são usadas transições de fase para armazenamento. Para a criação de um CD, por exemplo, é usada uma folha muito fina de metal dentro do plástico, que se funde em microssegundos e depois solidifica novamente.

Já foram feitas várias demonstrações de mudança de fase no nível de átomos ou moléculas individuais, levando a capacidade de armazenamento de dados ao extremo. Contudo, esses dispositivos são muito trabalhosos e caros de se fabricar, continuando restritos aos protótipos de laboratório.

Agora, Aisha Ahsan e colegas da Universidade da Basileia, na Suíça, criaram uma técnica que permite controlar o estado físico de apenas alguns átomos ou moléculas dentro de uma rede cristalina.

Auto-organização

Para não cair no mesmo problema das demonstrações anteriores - a dificuldade de fabricação - Ahsan se baseou na auto-organização espontânea das moléculas em extensas redes com poros de cerca de um nanômetro.

Para isso, ela criou uma rede organometálica que se parece com uma peneira com furos precisamente definidos. Quando as conexões e condições certas são escolhidas, as moléculas se organizam de forma independente em uma estrutura supramolecular regular.

A seguir, Ahsan adicionou átomos do gás xenônio individuais nos nanoporos. Usando mudanças de temperatura e pulsos elétricos aplicados localmente, ela demonstrou ser possível controlar o estado físico dos átomos de xenônio entre as fases sólida e líquida. Os experimentos consistiram na alteração de fase tanto em poros individuais - contendo um único átomo de xenônio - quanto em toda a rede ao mesmo tempo.

• Menor HD do mundo realiza sonho da nanotecnologia

Micrografia e ilustração da gravação dos bits moleculares. [Imagem: Aisha Ahsan et al. - 10.1002/smll.201803169]

Aumentando a temperatura

O aparato inteiro ainda não está pronto para ir para indústria porque o controle em nível atômico exige temperaturas perto do zero absoluto - outros pesquisadores já conseguiram manipular átomos individuais a temperatura ambiente.

Mas a demonstração comprova que as redes supramoleculares são adequadas para a fabricação de nanoestruturas nas quais as mudanças de fase possam ser induzidas em poucos átomos ou moléculas.

"Nós agora vamos testar moléculas maiores, bem como álcoois de cadeia curta. Eles mudam de estado a temperaturas mais altas, o que significa que pode ser possível tirar proveito deles," disse o professor Thomas Jung, coordenador da equipe.

• Memória atômica: fóton grava e lê dados em um único átomo

Bibliografia:

Phase Transitions in Confinements: Controlling Solid to Fluid Transitions of Xenon Atoms in an On-Surface Network
Aisha Ahsan, S. Fatemeh Mousavi, Thomas Nijs, Sylwia Nowakowska, Olha Popova, Aneliia Wäckerlin, Jonas Björk, Lutz H. Gade, Thomas A. Jung
Small
DOI: 10.1002/smll.201803169

Proteção definitiva contra hackers tem poucos átomos de espessura

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/12/2017

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

Criptografia no hardware

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

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

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

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

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

Proteção física contra hackers

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

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

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

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

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

Bibliografia:

Physically Unclonable Cryptographic Primitives by Chemical Vapor Deposition of Layered MoS2

Abdullah Alharbi, Darren Armstrong, Somayah Alharbi, Davood Shahrjerdi

ACS Nano

Vol.: Article ASAP

DOI: 10.1021/acsnano.7b07568

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

Redação do Site Inovação Tecnológica -  06/12/2017

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

Plástico substitui eletrônica

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

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

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

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

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

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

WiFi sem eletrônica

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

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

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

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

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

Faça você mesmo

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

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

Bibliografia:

3D Printing Wireless Connected Objects

Vikram Iyer, Justin Chan, Shyamnath Gollakota

ACM Transactions on Graphics

Vol.: 36, No. 6, Article 242

DOI: 10.1145/3130800.3130822

IBM faz inteligência artificial com computação sem processador

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/10/2017

Computação em memória

A "computação em memória" - ou "memória computacional" - é um conceito emergente que usa as propriedades físicas das memórias de computador para processar informações, além de armazená-las.

Isso é bem diferente da computação atual, baseada na arquitetura von Neumann, o que inclui todos os computadores, celulares e demais aparelhos de informática, que precisam fazer os dados transitarem entre a memória e o processador, o que os torna mais lentos e menos eficientes em termos de energia.

A IBM está anunciando agora que seus engenheiros conseguiram rodar um algoritmo de aprendizado de máquina sem supervisão em um milhão de células de memória de mudança de fase (PCM), uma tecnologia na qual a empresa vem trabalhando há vários anos - assim como a Intel e outras fabricantes de semicondutores.

O programa de inteligência artificial rodou e encontrou correlações temporais em fluxos de dados desconhecidos, comprovando a efetividade da memória computacional. Os resultados foram aferidos em um computador comum.

Em comparação com os computadores clássicos de ponta, os engenheiros calculam que esta tecnologia - ainda em fase de protótipo - produza ganhos de 200 vezes em velocidade de processamento e em eficiência energética, tornando a computação em memória altamente interessante tanto para sistemas de computação ultradensa, como nos centros de dados, e aplicações paralelas, como na inteligência artificial, como também para aparelhos de baixa potência, onde a duração das baterias é importante.

Memórias que fazem cálculos

A equipe usou células de memória PCM feitas de uma liga de telureto de antimônio e germânio, semicondutores que são empilhados de forma intercalada entre dois eletrodos.

Quando uma corrente elétrica é aplicada ao material, ele se aquece, o que altera seu estado de amorfo (com um arranjo atômico desordenado) para cristalino (com uma configuração atômica ordenada) - esta é a mudança de fase que dá nome à tecnologia.

Para fazer os cálculos, a corrente elétrica aplicada é dosada de acordo com o dado a ser processado. A memória responde com uma dinâmica de cristalização correspondente à corrente, de forma que o resultado da operação é expresso em seu estado de condutância final, determinado pelo processo de cristalização.

Esquema do algoritmo de computação em memória. [Imagem: IBM]

"Este é um passo importante em nossa pesquisa da física da inteligência artificial, que explora novos materiais de hardware, dispositivos e arquiteturas," disse Evangelos Eleftheriou, que recentemente ajudou a criar memórias com três bits por célula.

"À medida que as leis de escalonamento da tecnologia CMOS se desintegram devido aos limites tecnológicos, é necessário um abandono radical da dicotomia processador-memória para contornar as limitações dos computadores atuais. Dada a simplicidade, alta velocidade e baixa energia de nossa abordagem de computação em memória, é notável que nossos resultados sejam tão parecidos com nossa abordagem clássica de referência executada em um computador von Neumann," finalizou Eleftheriou.

Bibliografia:

Temporal correlation detection using computational phase-change memory

Abu Sebastian, Tomas Tuma, Nikolaos Papandreou, Manuel Le Gallo, Lukas Kull, Thomas Parnell, Evangelos Eleftheriou

Nature Communications

Vol.: 8, Article number: 1115

DOI: 10.1038/s41467-017-01481-9

Fim dos subpíxeis RGB promete multiplicar a resolução das telas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/06/2017

Cada píxel passa integralmente de uma cor a outra. [Imagem: Daniel Franklin et al. - 10.1038/ncomms15209]

Píxel de cor contínua

Esta inovação poderá de fato revolucionar as telas - de TVs, computadores, celulares e tudo o mais.

Uma nova técnica permite ajustar a cor dos píxeis individualmente, fazendo a cor mudar de forma contínua. Isso elimina a necessidade dos subpíxeis - atualmente, todas as telas são feitas de píxeis formados por três subpíxeis, um vermelho, um verde e um azul.

"Nós podemos fazer com que um subpíxel vermelho passe para o azul, por exemplo," explicam Daniel Franklin e Debashis Chanda, da Universidade Central da Flórida, nos EUA.

O resultado é que será possível aumentar muito a densidade dos píxeis na tela, elevando a resolução para níveis inimagináveis com a tecnologia atual. E como não será mais necessário desligar subpíxeis para exibir uma cor sólida, o brilho das telas poderá ser muito maior do que das atuais.

"Em outras telas isto não é possível porque eles precisam de três filtros de cores estáticos para mostrar a cor RGB completa. Não precisamos disso mais; um único píxel, sem subpíxeis, pode ser ajustado através de uma determinada gama de cores," complementou Chanda.

Nanoestruturas

A inovação se baseia em uma técnica que a equipe apresentou em 2015, com uma tela passiva e flexível que mais se parecia com uma pele.

A equipe agora já trabalha para repassar a tecnologia para a indústria. [Imagem: Daniel Franklin et al. - 10.1038/ncomms15209]

Agora eles não precisam mais variar as nanoestruturas em formato de caixa de ovos que usaram no primeiro protótipo, o que era necessário para obter variações de cor. Eles descobriram que basta variar a rugosidade da superfície para obter uma gama completa de cores, usando uma única nanoestrutura.

A dupla garante que sua superfície nanoestruturada pode ser facilmente integrada na atual tecnologia de fabricação de telas, de modo que o hardware básico não precisaria ser substituído.

"Isso permite que você aproveite todas as décadas preexistentes de tecnologia LCD. Não precisamos mudar toda a engenharia que foi feita para fazer isso," disse Franklin.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para aumentar o tamanho das suas telas para levar a tecnologia ao setor privado.

Bibliografia:

Actively addressed single pixel full-colour plasmonic display

Daniel Franklin, Russell Frank, Shin-Tson Wu, Debashis Chanda

Nature Communications

Vol.: 8, Article number: 15209

DOI: 10.1038/ncomms15209

Circuitos híbridos viabilizam computação baseada no caos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/06/2017

A computação baseada na teoria do caos permite o processamento de múltiplas entradas simultaneamente.[Imagem: John F. Lindner]

Computação baseada no caos

Combinar componentes digitais e analógicos no interior de circuitos integrados não-lineares, que funcionam baseados na teoria do caos, pode melhorar a potência computacional dos processadores ao permitir o processamento simultâneo de um maior número de entradas.

Foi o que demonstraram Vivek Kohar e seus colegas da Universidade do Estado da Carolina do Norte, nos EUA.

Eles garantem que essa abordagem "melhor dos dois mundos" pode viabilizar a fabricação de circuitos que podem executar mais cálculos sem nem mesmo aumentar o tamanho físico dos processadores.

Isso torna a computação baseada no caos uma alternativa para escapar dos limites da física em termos do tamanho dos transistores - está cada vez mais difícil continuar miniaturizando os transistores para aumentar sua densidade e o poder de computação dos chips.

Circuitos não-lineares

Os circuitos não-lineares baseados no caos têm sido propostos como uma solução para o problema da miniaturização, já que cada circuito desses pode executar múltiplos cálculos, em vez da abordagem atual de "um circuito, uma tarefa".

Entretanto, o número de entradas que podem ser processadas na computação baseada no caos é limitada pelo ruído ambiente, o que diminui a precisão - ruído ambiente refere-se a flutuações de sinal aleatórias que podem ser causadas por variações de temperatura, de tensão ou por defeitos nos semicondutores.

"O ruído sempre foi um grande problema em quase todas as aplicações de engenharia, incluindo dispositivos de computação e comunicações. O nosso sistema é não-linear e, desta forma, o ruído pode ser ainda mais problemático," disse Kohar.

Esquema da plataforma híbrida proposta pela equipe. [Imagem: Vivek Kohar et al. - 10.1103/PhysRevApplied.7.044006]

Circuito híbrido

Para resolver o problema, Kohar criou um sistema híbrido que usa um bloco digital de portas AND e um circuito analógico não-linear para distribuir a computação entre os circuitos digitais e analógicos.

O resultado é uma redução exponencial no tempo de cálculo, o que significa que a saída pode ser medida antes que os desvios causados pelo ruído cresçam muito. Em outras palavras, os cálculos são feitos tão rapidamente que o ruído não tem tempo para afetar sua precisão.

Para melhorar ainda mais a precisão, a solução combina múltiplos sistemas, em um acoplamento que cria uma rede de segurança capaz de reduzir o efeito de desvios causados pelo ruído na fase final da computação.

"Pense no alpinismo," diz Kohar. "Os escaladores podem escalar individualmente, mas se um escorrega, então ele pode ter uma queda perigosa. Então eles usam cordas para se conectar uns com os outros. Se um escorrega, os outros vão evitar a sua queda. Nosso sistema é mais ou menos assim, com todos os sistemas conectados uns aos outros o tempo todo.

"Os sistemas são ajustados de tal forma que, no momento da medição, o nosso sistema está no máximo ou no mínimo - nos pontos onde os efeitos do ruído são geralmente baixos e muito menores se os sistemas estiverem acoplados. Considerando o exemplo do alpinismo novamente, isso significa que tomamos as médias dos alpinistas quando eles estão em locais de repouso, como em um pico ou em um vale, onde as distâncias entre eles são menores," explicou Kohar.

Com a arquitetura calculada e demonstrada, agora será uma questão de esperar que os engenheiros construam os primeiros circuitos práticos para demonstrar essa nova forma de computação baseada no caos imune a ruídos.

Bibliografia:

Implementing Boolean Functions in Hybrid Digital-Analog Systems

Vivek Kohar, Behnam Kia, John F. Lindner, William L. Ditto

Physical Review Applied

Vol.: 7, 044006

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.044006

Célula a combustível contenta-se com platina de um catalisador de carro

Redação do Site Inovação Tecnológica -  01/06/2017

O nanocatalisador mostrou-se 10 vezes mais efetivo do que os catalisadores de platina pura usados hoje nas células a combustível. [Imagem: Mia Halleröd Palmgren]

Energia limpa

As células a combustível - usando hidrogênio para produzir eletricidade diretamente e liberando apenas água como resíduo - têm tudo para se tornarem a fonte de energia do futuro.

Mas ainda há alguns desafios a vencer, entre eles a necessidade de um catalisador para a reação - o catalisador mais usado é a platina, um dos metais mais caros do mundo.

É por que isso que há razões para comemorar os resultados de uma técnica desenvolvida por Niklas Lindahl e seus colegas das universidades Chalmers (Suécia) e Técnica da Dinamarca.

Lindahl desenvolveu um nanocatalisador que otimiza o uso da platina, reduzindo drasticamente a quantidade necessária do metal.

"Com o nosso método, é necessário apenas um décimo da platina necessária para as aplicações mais exigentes. Isso pode reduzir a quantidade de platina necessária para uma célula a combustível em cerca de 70%," afirma o pesquisador.

A nanoliga é formada pulverizando átomos de platina (cinza) e ítrio (azul) em uma câmara de vácuo. [Imagem: Niklas Lindahl /Chalmers University of Technology]

Esperança

Se os testes que deverão se seguir mostrarem que é possível manter o nível de eficiência da célula a combustível com o nanocatalisador, isso significará que cada célula usará a mesma quantidade de platina que um conversor catalítico usado em todos os automóveis - será necessário alterar ligeiramente a arquitetura das células a combustível para que eles usem o novo nanocatalisador.

"Esperamos que isso permita que as células a combustível substituam os combustíveis fósseis e também sejam um complemento para os carros movidos a bateria," disse o professor Björn Wickman.

Bibliografia:

High Specific and Mass Activity for the Oxygen Reduction Reaction for Thin Film Catalysts of Sputtered Pt3Y

Niklas Lindahl, Eleonora Zamburlini, Ligang Feng, Henrik Grönbeck, Maria Escudero-Escribano, Ifan E. L. Stephens, Ib Chorkendorff, Christoph Langhammer, Björn Wickman

Advanced Materials Interfaces

DOI: 10.1002/admi.201700311

Para reaproveitar o lixo eletrônico não derreta, congele

Redação do Site Inovação Tecnológica -  31/05/2017

Material presente em uma simples placa controladora de mouse, e que poderá ser extraída com a nova técnica de criomoagem. [Imagem: Chandra Sekhar Tiwary et al. - 10.1016/j.mattod.2017.01.015]

Moagem a frio

Para simplificar a reciclagem de resíduos eletrônicos, pesquisadores do Instituto Indiano de Ciências e da Universidade de Rice (EUA) tiveram uma daquelas ideias para nos fazem ficar imaginando: "Como é que alguém não pensou nisso antes?"

Hoje, depois de moer o material eletrônico descartado, há duas técnicas mais utilizadas, nenhuma delas muito amigável ambientalmente: métodos químicos, para lixiviar os metais mais valiosos, ou a fusão, fazendo uma espécie de destilação fracionada.

"Em todos os casos, o ciclo é de mão única, e queimar ou usar produtos químicos gasta muita energia e ainda deixa resíduos. Propomos um sistema que quebra todos os componentes - metais, óxidos e polímeros - em pós homogêneos, tornando-os mais fáceis de reutilizar," disse Chandra Tiwary, idealizador do processo.

Física básica

Tiwary idealizou um crio-moinho, um moinho a frio. Em vez de ser derretido, o lixo eletrônico é reduzido a pó em baixas temperaturas. E isto por uma questão muito simples: Quando ficam frios, os materiais se tornam mais quebradiços e mais fáceis de pulverizar.

"Estamos tirando proveito da física. Quando você aquece as coisas, elas se tornam mais propensas a se combinar: você pode colocar metais em polímeros, óxidos em polímeros. É para isso que serve o processamento de alta temperatura, ele torna realmente muito mais fácil misturar as coisas.

"Mas, em baixas temperaturas, elas não gostam de se misturar. As propriedades básicas dos materiais - seu módulo de elasticidade, condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica - mudam, permitindo que tudo se separe muito bem," explicou Tiwary.

As partículas, em micro e nano-escala, são então separadas em polímeros, óxidos e metais aproveitando as mudanças em suas propriedades em baixa temperatura.

Tiwary testou seu moinho de baixa temperatura pulverizando resíduos eletrônicos - chips, outros componentes eletrônicos e os polímeros que compõem as placas de circuito impresso - e tudo funcionou conforme esperado.

O próximo passo é escalonar o processo e testá-lo em uma planta-piloto.

Bibliografia:

Electronic waste recycling via cryo-milling and nanoparticle beneficiation

Chandra Sekhar Tiwary, S. Kishore, R. Vasireddi, D. R. Mahapatra, P. M. Ajayan, K. Chattopadhyay

Materials Today

Vol.: 20, Issue 2, March 2017, Pages 67-73

DOI: 10.1016/j.mattod.2017.01.015

Papel de plasma mata todos os tipos de bactérias

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/05/2017

O plasma gerado no papel mata os microrganismos de uma superfície em 10 segundos. [Imagem: Jingjin Xie]

Papel bactericida

Imagine usar aventais e outros acessórios, ou mesmo uma roupa inteira, que o proteja das mais perigosas bactérias.

Isto está próximo da realidade graças a uma técnica barata e eficaz de matar bactérias e esterilizar superfícies usando plasma gerado em guardanapos especiais feitos de papel.

"O papel é um material antigo, mas tem propriedades únicas para novas aplicações de alta tecnologia. Nós descobrimos que, aplicando uma alta tensão em pilhas de folhas com papel metalizado, é possível gerar plasma, que é uma combinação de calor, radiação ultravioleta e ozônio - e que que mata micróbios," conta o professor Aaron Mazzeo, da Universidade de Rutgers, nos EUA.

A motivação da equipe era criar equipamentos de proteção pessoal para lidar em situações críticas, como no surto de ebola em 2014 na África Ocidental, protegendo os profissionais e cuidadores e ajudando a conter a propagação de doenças infecciosas.

Plasma em papel

A invenção consiste em finas camadas de papel superpostas a folhas de papel alumínio, nas quais são traçados padrões em forma de hexágonos que servem como eletrodos para produzir o plasma, ou gás ionizado. A natureza fibrosa e porosa do papel permite que o gás o permeie, alimentando o plasma e facilitando a refrigeração do sistema.

"Tanto quanto sei, somos os primeiros a usar papel como base para gerar plasma," comentou Jingjin Xie, responsável pela descoberta.

Nos experimentos, o papel de plasma matou mais de 99% da Saccharomyces cerevisiae (uma espécie de levedura) e mais de 99,9% das bactérias E. coli.

A equipe espera que artefatos esterilizantes à base de papel possam ser incorporados em roupas que se esterilizam automaticamente, guardanapos que eliminem microrganismos de equipamentos de laboratório e até curativos à prova de infecções.

A próxima fase da pesquisa será testar exaustivamente o papel de plasma para confirmar sua eficácia contra os esporos dos microrganismos, que são particularmente difíceis de eliminar. Também serão necessários mais testes para verificar a segurança do plasma incorporados em dispositivos de vestir.

Bibliografia:

Paper-based plasma sanitizers

Jingjin Xie, Qiang Chen, Poornima Suresh, Subrata Roy, James F. White, Aaron D. Mazzeo

Proceedings of the National Academy of Sciences

Vol.: 114 no. 20, 5119-5124

DOI: 10.1073/pnas.1621203114

China extrai gelo combustível do fundo do mar

Por Inovação Tecnológica.

Com informações da BBC -  29/05/2017

Embora pareça com gelo, o hidrato de metano é inflamável por conter grandes quantidades do gás em sua estrutura.[Imagem: USGS]

Mineração marinha

A China anunciou ter extraído do fundo do Mar da China Meridional uma quantidade considerável de hidrato de metano, também conhecido como gelo combustível, que é tido por muitos como o futuro do abastecimento de energia.

As autoridades do país asiático comemoraram o feito porque a tarefa é considerada altamente complexa, e já tinha sido alvo de tentativas pelo Japão e pelos Estados Unidos, sem muito sucesso.

Os hidratos de metano foram descobertos no norte da Rússia nos anos 1960, mas apenas neste século começou a pesquisa sobre como extrai-lo dos sedimentos marinhos.

O Japão foi pioneiro na exploração devido à sua carência de fontes de energia natural. Outros países líderes na prospecção de gelo combustível são Índia e Coreia do Sul, que tampouco têm reservas próprias de petróleo.

Mas o que é exatamente esse composto e por que ele é considerado como uma promissora fonte de energia no mundo?

Gelo combustível

O gelo combustível ou gelo inflamável é uma mistura gelada de água e gás.

"Parecem cristais de gelo, mas quando se olha mais de perto, a nível molecular, veem-se as moléculas de metano dentro das moléculas de água," explicou Praven Linga, professor da Universidade Nacional de Cingapura.

Conhecidos como hidratos de metano, esses cristais formam-se a temperaturas muito baixas, em condições de pressão elevada. São encontrados em sedimentos do fundo do mar e ou abaixo do pergelissolo, ou permafrost, a camada de solo congelada dos polos.

O gás encapsulado dentro do gelo torna os hidratos inflamáveis, mesmo a baixíssimas temperaturas. Essa combinação rendeu-lhe o apelido de "gelo de fogo".

Quando se reduz a pressão ou se eleva a temperatura, os hidratos se decompõem em água e metano. Um metro cúbico dessa substância libera cerca de 160 metros cúbicos de gás - ou seja, trata-se de um combustível de grande potencial energético.

O problema, no entanto, é que extrair esse gás é um processo que, por si só, consome muita energia.

[Imagem: BBC]

Alternativa energética

Especialistas em energia acreditam que os hidratos de metano têm o potencial de se tornar uma fonte de energia fundamental para suprir as necessidades energéticas no futuro.

Existem grandes depósitos nos oceanos, sobretudo nas extremidades dos continentes. Atualmente, vários países estão buscando maneiras de extraí-lo de forma segura e rentável.

A China descreveu a extração feita na semana passada como "um feito importante".

Praven Linga compartilha dessa visão: "Em comparação com os resultados que temos visto na pesquisa japonesa, os cientistas chineses conseguiram extrair uma quantidade muito maior de gás. É certamente um passo importante em tornar viável a extração de gás dos hidratos de metano."

Estima-se que sejam encontradas dez vezes mais gás nos hidratos de metano do que no xisto, do qual pode ser extraído gás natural e óleo e também tem servido como alternativa energética. "E essa é uma estimativa conservadora", ressalva Linga.

Blocos de hidratos de metano extraídos no Golfo do México pelo Serviço Geológico dos Estados Unidos. [Imagem: USGS]

Extração controversa

Embora o êxito da China seja um avanço importante, esse é apenas um passo de um longo caminho para o aprimoramento da tecnologia de extração do gelo combustível.

"É a primeira vez que os índices de produção são realmente promissores," disse Linga. "Mas acreditamos que só em 2025, na melhor das hipóteses, poderemos considerar realistas as opções comerciais."

Segundo a imprensa chinesa, na região de Shenhu foi extraída uma média de 16 mil metros cúbicos de gás de elevada pureza por dia - uma área cuja soberania tem sido disputada entre o país, o Vietnã e as Filipinas.

Linga ainda ressalta que as empresas que potencialmente operem na exploração do material devem seguir condutas bastante rígidas de controle para se evitar danos ambientais.

O perigo é que o metano escape, e isso teria consequências graves para o aquecimento global, já que se trata de um gás com um potencial de impacto sobre as mudanças climáticas muito maior do que o dióxido de carbono.

     

Bit quântico de grafeno é bem mais que um qubit

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/05/2017

O qubit capacitivo é formado por duas camadas de grafeno ensanduichando uma camada de nitreto de boro. [Imagem: EPFL/ LPQM]

Qubit resistente

Nasceu um novo componente que deverá acelerar ainda mais uma corrida cujos competidores parecem cada vez mais próximos da linha de chegada: a criação de computadores quânticos práticos.

Trata-se de um qubit - a unidade básica de cálculo e armazenamento de dados desses computadores futurísticos - feito a partir de uma série de camadas empilhadas de materiais bidimensionais.

A grande vantagem é que o componente se mostrou muito estável, capaz de resistir às influências externas que fazem os qubits perderem os dados muito facilmente - e, nessas dimensões quânticas, virtualmente tudo é interferência, o que exige o uso de temperaturas criogênicas, para tentar diminuir a energia do meio circundante e sua capacidade de interferir com o qubit.

Capacitor como qubit

A grande novidade é que o qubit é na verdade um capacitor, um componente eletrônico básico capaz de armazenar energia e liberá-la em pulsos muito rápidos. A diferença é que, dadas suas dimensões, é um capacitor que opera segundo as leis da mecânica quântica.

Sina Khorasani e Akshay Koottandavida, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, tiveram a ideia de explorar o uso de um capacitor como qubit justamente porque seu princípio de funcionamento o torna mais resistente às interferências externas, já que, em vez de ser influenciado por partículas intrometidas, ele pode simplesmente guardá-las como energia.

Além disso, é mais fácil fabricar um nanocapacitor, que também fica menor do que outras arquiteturas de qubits atualmente sendo pesquisadas.

Mais do que qubits

O componente consiste em camadas do isolante nitreto de boro ensanduichadas entre duas camadas de grafeno. Graças às propriedades pouco usuais do grafeno, a carga que entra no capacitor não é proporcional à tensão - essa não-linearidade é uma etapa essencial no processo de gerar bits quânticos.

E essas características o tornam útil também para outras aplicações na interface entre a eletrônica e a óptica.

"Este componente pode melhorar significativamente a forma como a informação quântica é processada, mas também há outras aplicações em potencial. Ele pode ser usado para criar circuitos de alta frequência fortemente não-lineares - até o regime terahertz - ou em misturadores (mixers), amplificadores e para o acoplamento ultraforte entre fótons," escreveram os pesquisadores.

Bibliografia:

Nonlinear graphene quantum capacitors for electro-optics

Sina Khorasani, Akshay Koottandavida

npj 2D Materials and Applications

Vol.: 1, Article number: 7

DOI: 10.1038/s41699-017-0011-9