Biochip impresso simplifica processo de análise genética

Com informações da Agência USP - 27/05/2011

Dispositivo possui canais feitos por impressão, para permitir passagem das amostras de DNA.[Imagem: Gabriela R.M.Duarte]

Biochip impresso

O dispositivo, feito em filmes de poliéster, possui canais impressos em toner e pode ser preparado para o uso em dez minutos, com custos inferiores ao do processo convencional.

A química Gabriela Rodrigues Mendes Duarte, que realizou a pesquisa, conta que o processo de análise genética envolve três etapas: extração, amplificação e separação do DNA.

"Cada parte é realizada separadamente em análises genéticas convencionais," descreve a pesquisadora. "Isso faz com que a análise seja mais trabalhosa, levando mais tempo e com maiores custos".

Microfluídica

O dispositivo é uma plataforma microfluídica, feita com filmes de poliéster, o mesmo material usado nas transparências para projeção.

"Neles são impressos com toner os canais nos microchips que realizarão as análises", diz a química. "Os filmes são unidos com uma laminadora comum, com espaços em branco que formam canais, ampliados por uma cortadora laser, nos quais circulam as amostras de DNA".

A plataforma completa tem entre 5 e 10 centímetros (cm) de comprimento e pode ser preparada para uso em dez minutos, com custo aproximado de R$ 0,15 por unidade.

"Ao final do processo, é obtido o perfil genético do DNA extraído, com base no gráfico dos fragmentos ampliados e separados por tamanho", aponta Gabriela.

Análise de DNA

Para fazer as análises, o dispositivo necessita de uma quantidade menor de amostras de DNA e reagentes do que no processo convencional, lidando com volumes da ordem de microlitros.

"Ao mesmo tempo, a plataforma concentra as três etapas da análise, o que permite sua realização em um menor espaço de tempo", ressalta a pesquisadora.

Os dispositivos utilizados nesta análise genética são descartáveis. "Isso evita a contaminação de uma amostra por outra, como pode acontecer em dispositivos de vidro", acrescenta Gabriela.

Uma plataforma miniaturizada desenvolvida no Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da USP concentra as etapas do processo de análise genética, utilizando menores quantidades de amostras de DNA.

Materiais reparam-se sozinhos com luz

Com informações da Swissinfo - 26/05/2011

A "reparação automática" não é mais coisa de ficção científica, graças aos polímeros metalo-supramoleculares. [Imagem: Marc Pauchard/Institut Adolphe Merkle]

Um vidro de relógio riscado ou a lataria arranhada de um carro que se reparam sozinhos quando expostos à luz - a "reparação automática" não é mais coisa de ficção científica.

Um grupo de pesquisadores dos Estados Unidos e da Suíça está aprimorando este material, um novo tipo de plástico capaz de reparar-se em menos de um minuto quando exposto à luz ultravioleta.

O nome é "polímero metalo-supramolecular", um termo que ainda não faz parte da linguagem comum, mas que logo deverá fazer parte dos produtos do nosso cotidiano.

O novo material pode realmente ter muitas aplicações práticas e "comercialmente úteis", das telas digitais aos objetos comuns de plástico, que riscam ou arranham com muita facilidade.

Pense, por exemplo, nos riscos na pintura de um carro ou em um esmalte de unha, que não exige que a mulher volte ao salão para refazer tudo por causa de um simples arranhão.

Plástico que se auto-conserta

Os plásticos tradicionais são feitos de polímeros, moléculas que formam longas cadeias de vários milhares de átomos, entrelaçadas como espaguete em um prato. Quando aquecido, o plástico derrete e pode ser trabalhado em um molde, por exemplo. Mas ele derrete e flui lentamente, por causa do peso das moléculas e das suas interligações.

Os polímeros metalo-supramoleculares, no entanto, são feitos de moléculas 25 vezes mais curtas, grudadas umas nas outras por átomos de metal.

Quando o material é aquecido, essas moléculas se separam - como elas são leves, a massa flui muito mais facilmente.

Assim que o calor diminui, as moléculas se "reatam" pelas suas extremidades metálicas, e o material recupera suas propriedades originais.

E, para isso, nem é preciso colocar o relógio, o celular ou o carro no forno: uma dose de radiação ultravioleta é suficiente.

"Usamos lâmpadas semelhantes àquelas usadas pelos dentistas para endurecer amálgamas à base de polímero", explica Christoph Weder, do Instituto Adolphe Merkle, na Suíça.

Os testes foram realizados em folhas muito finas e os parâmetros para uso prático ainda precisam ser desenvolvidos. [Imagem: Marc Pauchard/Institut Adolphe Merkle]

Cura a quente

A quantidade de luz necessária é bem superior à que é fornecida normalmente pelo Sol.

E isto é uma boa notícia, porque significa que esses novos plásticos permanecem estáveis no ambiente, e não correm o risco de se derreterem durante um belo dia de verão.

Por outro lado, quando se tornam líquido e tapam as trincas e arranhões, os polímeros metalo-supramoleculares atingem temperaturas próximas aos 200° C.

Apesar de todo o processo levar menos de um minuto e o calor ser bem focalizado, o perigo de queimadura para quem manipula o objeto é real.

Para evitar isso, os pesquisadores estão trabalhando com vários metais usados como "cola" entre as moléculas.

São eles que convertem a luz em calor, e nem todos precisam atingir a mesma temperatura para romper os laços que mantêm as moléculas juntas.

Profundidade da luz

Falta saber qual é a espessura necessária para que uma camada destes novos plásticos permaneça "auto-reparadora". Por enquanto, os testes foram realizados em folhas muito finas.

"Já que usamos a luz, a profundidade até onde ela pode penetrar o material será sempre uma limitação. E não se pode esperar que a luz penetre em centímetros," admite Weder.

Os pesquisadores sabem que o calor gerado pelos raios ultravioleta se propaga mais profundamente do que a luz. Mas qual é o seu alcance? A questão ainda está em aberto, e descobrir isto é um dos objetivos dos pesquisadores.

"Por enquanto, ainda se trata de pesquisa fundamental," explica Weder. "Não buscamos desenvolver produtos para o mercado, mas sim conceitos, ferramentas que podem ser usadas para desenvolver os materiais comercialmente úteis."

Bibliografia:

Optically healable supramolecular polymers
Mark Burnworth, Liming Tang, Justin R. Kumpfer, Andrew J. Duncan, Frederick L. Beyer, Gina L. Fiore, Stuart J. Rowan, Christoph Weder
Nature
Vol.: 472, Pages: 334-337
DOI: 10.1038/nature09963

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Reparação automática

Chip com micromáquina coleta energia do ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/05/2011

O MEMS é essencialmente um chip, que pode ser incorporado na placa de circuito impresso de qualquer aparelho, ou seja, o próprio aparelho coletaria a energia do ambiente, sem qualquer conexão externa. [Imagem: Nimo et al./SPIE]

O conceito de colheita de energia torna-se cada vez mais importante, à medida que os sensores wireless se espalham, cumprindo as mais diversas funções.

Apesar da miniaturização, os nós dessas redes de sensoresprecisam ser alimentados, ebaterias nem se longe são a solução mais adequada.

Surgiram então os coletores de energia, dispositivos capazes de transformar em eletricidade a vibração do meio ambiente - vibração gerada pelo vento ou por carros passando na rua, por exemplo.

Os nanogeradores piezoelétricos também estão nessa categoria.

• Microssensor de pressão perpétuo captura sua própria energia

Energia vibracional

Agora, pesquisadores da Universidade de Furtwangen, na Alemanha, juntaram a ideia dos nanogeradores com as técnicas de fabricação da microeletrônica, para construir um microcoletor de energia vibracional 3D.

O 3D significa que o microgerador - chamado microcoletor vibracional eletrostático - consegue captar as vibrações vindas de qualquer direção e de qualquer sentido e transformá-las em eletricidade.

A segunda vantagem imediata é que o projeto permite que o microcoletor de energia seja escalado, ou seja, fabricado na dimensão apropriada para a quantidade de energia necessária para cada aparelho a ser alimentado.

O pequeno aparelho é um exemplo dos avanços permitidos pela tecnologia de fabricação dos MEMS, ou sistemas microeletromecânicos - o dispositivo é uma minúscula máquina, cujas peças móveis são construídas com tecnologias herdadas da fabricação de chips.

Isso leva à sua terceira vantagem: o dispositivo é essencialmente um chip-gerador, que pode ser incorporado na placa de circuito impresso de qualquer aparelho, ou seja, o próprio aparelho coletaria a energia do ambiente, sem qualquer conexão externa.

Força eletrostática

Uma peça central funciona como centro de massa. O movimento 3D é obtido com sistemas de fim de curso nos eletrodos ao longo do plano (eixos X e Y) e eixos suspensores na perpendicular (eixo Z).

O protótipo coleta vibrações de baixa frequência - menores do 150 Hz - usando eletretos para gerar o efeito eletrostático.

Mas o mesmo efeito eletrostático usado para gerar a energia pode ser a ruína dos MEMS: nas dimensões das micromáquinas, a força eletrostática costuma fazer as peças grudarem umas nas outras, impedindo o funcionamento do aparelho.

Os pesquisadores resolveram o problema criando um sistema de isolamento entre os eletrodos que capturam a energia e os eletrodos que a levam para fora do coletor.

Bibliografia:

A device for 3D energy harvesting
Antwi Nimo, Ulrich Mescheder, Bernhard Müller, Awad Saad Abou Elkeir
SPIE
Vol.: Published online
DOI: 10.1117/2.1201103.003593

Coletores de energia

Batido recorde mundial de velocidade na transmissão de dados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/05/2011

O método de decodificação opto-elétrico é baseado em um cálculo puramente óptico, a fim de quebrar a alta taxa de dados em taxas de bits menores, que podem ser processadas eletricamente.[Imagem: Hillerkuss/Nature Photonics]

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, conseguiram codificar dados a uma taxa de 26 terabits por segundo, em um único feixe de laser, transmiti-los a uma distância de 50 km, e então descodificá-los corretamente.

Este é o maior volume de dados já transportados por um único feixe de raio laser.

O processo desenvolvido pelo grupo permite transmitir o conteúdo de 700 DVDs em apenas um segundo, ou transmitir até 400 milhões de chamadas telefônicas ao mesmo tempo.

Com este experimento, a equipe do professor Jürg Leuthold bateu seu próprio recorde de velocidade de transmissão de dados, obtido em 2010, quando eles superaram o limite mágico de 10 terabits por segundo.

Cálculo óptico

O novo sucesso do grupo foi obtido graças a um novo processo de decodificação de dados.

O método de decodificação opto-elétrico é baseado em um cálculo puramente óptico, a fim de quebrar a alta taxa de dados em taxas de bits menores, que podem ser processadas eletricamente.

A redução óptica inicial das taxas de bits é necessária, já que não existe nenhum método de processamento eletrônico disponível para uma taxa de dados de 26 terabits por segundo.

Para codificar os dados, a equipe usou a técnica chamada multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM: orthogonal frequency division multiplexing), um processo que tem sido usado com sucesso em comunicações móveis.

"Nosso resultado demonstra que os limites físicos ainda não foram ultrapassados mesmo com taxas extremamente elevadas de dados," disse Leuthold.

Bibliografia:

26 Tbit s-1 line-rate super-channel transmission utilizing all-optical fast Fourier transform processing
D. Hillerkuss, R. Schmogrow, T. Schellinger, M. Jordan, M. Winter, G. Huber, T. Vallaitis, R. Bonk, P. Kleinow, F. Frey, M. Roeger, S. Koenig, A. Ludwig, A. Marculescu, J. Li, M. Hoh, M. Dreschmann, J. Meyer, S. Ben Ezra, N. Narkis, B. Nebendahl, F. Parmigiani, P. Petropoulos, B. Resan, A. Oehler, K. Weingarten, T. Ellermeyer, J. Lutz, M. Moeller, M. Huebner, J. Becker, C. Koos, W. Freude, J. Leuthold
Nature Photonics
22 May 2011
Vol.: Advance online publication
DOI: 10.1038/nphoton.2011.74

Feixe enciclopédico

Rumo ao carro elétrico

Pneus produzem energia para recarregar baterias

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/05/2011

Com o veículo rodando a 100 km/h - o que equivale a uma rotação do pneu de 854 giros por minuto - a malha piezoelétrica produziu 4,6 watts, de forma sustentada, por pneu. [Imagem: Makki/Pop-Iliev]

Uma pesquisa recente, feita pela Universidade de Delaware, nos Estados Unidos, mostrou o que os donos de carros a gasolina levam em conta quando consideram a possibilidade de migrar para um carro elétrico:

1. a autonomia (quantos quilômetros o veículo roda sem precisar recarregar;
2. a diferença de custo entre a gasolina e a eletricidade, e
3. o tempo de recarregamento das baterias.

Maior autonomia e menor tempo de recarregamento são questões diretamente afetas às baterias - que, infelizmente, vêm progredindo muito lentamente.

• O que vai alimentar os carros do futuro?

Assim, enquanto as baterias não dão seu tão esperado salto tecnológico, que possa viabilizar de vez osveículos elétricos, começam a surgir alternativas para, pelo menos, facilitar seu recarregamento.

KERS, flywheels e supercapacitores fazem parte desses esforços.

Geradores piezoelétricos

Agora, Noaman Makki e Remon Pop-Iliev, da Universidade de Ontário, no Canadá, voltaram sua atenção para os nanogeradores, minúsculos fios piezoelétricos que estão sendo pesquisados sobretudo para a alimentação de pequenos equipamentos portáteis.

Os materiais piezoelétricos transformam uma deformação mecânica em energia elétrica - assim, basta dobrá-los para um lado e para o outro para que eles gerem eletricidade.

Os dois engenheiros decidiram inserir os nanogeradores dentro dos pneus, que se deformam naturalmente durante o rodar normal de um veículo, devido à sua flexibilidade e às oscilações do piso.

Submetidos à deformação constante dos pneus, os nanogeradores podem produzir uma quantidade razoável da energia - quanto mais rápido o carro estiver rodando, e quanto maior for o aro do pneu, mais energia é gerada.

Os nanofios de PZT (as iniciais químicas dos elementos usados na liga piezoelétrica titanato zirconato de chumbo) já foram usadas em pneus antes, mas apenas para alimentar os sensores que monitoram a pressão dos pneus, que não precisam funcionar continuamente.

Pneu gerador

Para gerar uma maior corrente, os pesquisadores verificaram que é necessário cobrir uma área maior da superfície interna do pneu com os nanogeradores.

Em seu protótipo, eles usaram uma malha de 4 x 40 fios, colada no interior de um pneu aro 14 com um adesivo flexível.

Com o veículo rodando a 100 km/h - o que equivale a uma rotação do pneu de 854 giros por minuto - a malha piezoelétrica de teste produziu 2,3 watts, de forma sustentada, por pneu.

Usando uma segunda camada de nanogeradores, superposta à primeira, a produção de energia saltou linearmente para 4,6 watts, o que demonstra o potencial da tecnologia, uma vez encontrada a cobertura ótima de nanofios no interior de toda a área interna do pneu.

A energia gerada é inicialmente armazenada em um capacitor, e passada para o interior do veículo por um comutador, que mantém um contato contínuo entre a o chassi e a roda em movimento.

Bibliografia:

Piezoceramic benders attached to pneumatic tires use the cyclic deformation of the contact patch to generate energy for onboard electronics.
Noaman Makki, Remon Pop-Iliev
SPIE
20 May 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1117/2.1201104.003702

Valetrônica: a nova eletrônica do grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/05/2011

A estrutura de banda do grafeno, com seus dois vales, é mostrada em azul e vermelho. [Imagem: NRL]

Há cerca de um ano, cientistas estudavam o promissor grafenoquando descobriram que inserir "defeitos" intencionais em sua estrutura pode permitir a criação de componentes eletrônicos menores e mais rápidos.

Mas Daniel Gunlycke e Carter White descobriram que pode ser mais fácil aproveitar defeitos que ocorrem naturalmente, produzindo comportamentos discretos ao longo da folha de grafeno.

Esses defeitos geram vales - daí o nome valetrônica - nas bandas de condução e de valência do grafeno.

Elétron, spin e vale

Na eletrônica convencional, o processamento dos dados binários se baseia nas cargas elétricas, representadas pelos elétrons (carga negativa) e lacunas (carga positiva).

Os dados podem ser gravados também no spin de cada elétron individual, o que fez surgir o campo da spintrônica. Ao contrário da eletrônica, que se baseia na corrente elétrica, a spintrônica usa correntes ou tensões para controlar o spin do elétron, fazendo-o apontar num ou noutro sentido - um efeito de magnetização, portanto.

Os cientistas, porém, descobriram que há um outro grau de liberdade em determinados cristais, incluindo o grafeno.

O colorido destaca a extensa linha de defeito que surge no grafeno, e que pode ser aproveitada como um filtro de vales. [Imagem: NRL]

Novo número quântico

A banda de condução está na base das principais características de qualquer sólido cristalino - ela dita todas as propriedades do material que envolvem os elétrons, incluindo sua condução, não-condução ou semi-condução, ou a cor da luz que o material emite e absorve, por exemplo.

No grafeno, essa banda não é homogênea, mas repleta de vales, provavelmente devido a flutuações térmicas no material.

Na prática, isso significa que há um outro número quântico caracterizando o grafeno, associado com a intensidade desse vale. Esse "índice de vale" equivale a um momento magnético - distinto, mas similar ao spin.

O interesse nesse novo número quântico é crescente entre os pesquisadores porque os primeiros estudos indicam que o momento magnético de um vale no grafeno é pelo menos 30 vezes mais forte do que o momento magnético do spin do elétron - ou seja, um efeito com grande potencial para aplicações práticas, em substituição à eletrônica e eventualmente complementar à spintrônica.

Na verdade, como não há analogia entre a nascente valetrônica e a eletrônica baseada no silício, é difícil prever as possibilidades de exploração dos vales do grafeno.

Polarização pelo vale

Em 2007, cientistas demonstraram que, assim como é possível filtrar os spins dos elétrons, gerando uma corrente polarizada pelo spin - uma corrente elétrica cujos elétrons têm todos a mesma orientação - igualmente é possível filtrar tanto os elétrons quanto as lacunas (cargas positivas) de acordo com o vale que eles ocupam.

Infelizmente, as estruturas exigidas para construir um filtro de vales são muito difíceis de fabricar. Como resultado, um filtro de vales ainda está por ser demonstrado experimentalmente.

Agora, os dois pesquisadores descobriram que uma linha defeituosa ao longo da malha do grafeno - um defeito que surge naturalmente e é bastante comum nas folhas de grafeno - funciona como um filtro de vales natural.

"Como a estrutura já está disponível, estamos esperançosos de que correntes polarizadas pelo vale possam ser geradas no futuro próximo," diz Gunlycke.

Dependendo da simetria, os elétrons e lacunas são transmitidos ou refletidos. [Imagem: NRL]

Os vales da valetrônica

O termo "vale" refere-se a depressões de energia na estrutura de banda, que descreve a energia dos elétrons (que são ondas) permitidas pela simetria do cristal.

No grafeno, essas regiões formam dois pares de cones.

Como um grande momento cristalino separa os dois vales, esse grau de liberdade chamado vale é muito resistente contra variações lentas de potencial, incluindo o espalhamento causado por fónons acústicos de baixa energia - esse espalhamento faz com que materiais com as mesmas características só funcionem em temperaturas criogênicas.

A polarização pelos vales é obtida quando elétrons e lacunas em um vale são separados espacialmente dos elétrons e lacunas de outro vale. Isto é difícil de se fazer porque os dois vales têm a mesma energia.

Os pesquisadores agora descobriram, porém, que essa separação espacial pode ser obtida em estruturas de grafeno que possuam uma simetria de reflexão ao longo de uma direção cristalográfica específica, sem ligações que cruzem a simetria.

É essa propriedade que está presente na linha de defeito encontrada no grafeno.

A simetria de reflexão somente permite que ondas eletrônicas (elétrons) simétricas passem através da linha de defeito - as ondas anti-simétricas são refletidas.

Os pesquisadores calculam que elétrons e lacunas que se aproximem dessa linha de defeito com um grande ângulo de incidência serão polarizados com uma eficiência próxima aos 100%.

Rumo à valetrônica

Os cientistas alertam que ainda há um longo caminho a ser percorrido antes que a valetrônica se torne uma tecnologia viável.

Este avanço agora obtido, contudo, representa um caminho realístico para que se possa aproximar bastante dessa viabilização prática.

Bibliografia:

Graphene Valley Filter Using a Line Defect
Daniel Gunlycke, Carter T. White
Physical Review Letters
Vol.: 106, 136806 (2011)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.136806
http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1103/1103.4313v1.pdf

Anote mais um termo em seu cinto de utilidades futuras: valetrônica.