Computador biológico destrói células de câncer

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/09/2011

As etapas da operação do biocomputador. A célula mais escura é uma célula saudável, e a célula verde é uma célula cancerosa HeLa. Em cima, o DNA (fitas azuis) é injetado nas células. Na linha do meio, o circuito detecta o perfil miRNA e desencadeia a morte celular. Na linha inferior, a célula verde sofre apoptose, enquanto a célula saudável permanece intacta.[Imagem: Yaakov Benenson]

Biocomputador

Cientistas incorporaram um computador biológico em células humanas in vitro.

O processador biológico reconhece determinadas células cancerosas usando combinações lógicas de cinco fatores moleculares específicos do câncer

Ao encontrar as células, o computador biológico à base de DNA dispara o mecanismo de autodestruição das células, a chamada apoptose, destruindo o tumor.

No futuro, processadores biológicos desse tipo poderão ser usados para o estudo de novos medicamentos e para tratar ou prevenir doenças.

Lógica booleana biológica

Zhen Xie e seus colegas do Instituto ETH, da Suíça, projetaram um circuito regulatório que detecta os níveis de um conjunto de microRNAs expressos em uma célula-alvo.

Quando encontra uma correspondência, que só existirá nas células cancerosas, o circuito aciona o processo de autodestruição celular, sem afetar as células normais.

Xie trabalha com o Dr. Yaakov Benenson, um dos pioneiros no campo dos computadores biológicos, "circuitos" à base de moléculas de DNA que operam em células vivas.

"Os fatores miRNA são submetidos a cálculos booleanos em cada célula onde são detectados. O biocomputador combina os fatores usando operações lógicas como AND e NOT, e somente gera o resultado necessário, ou seja, a morte celular, quando o cálculo inteiro com todos os fatores resulta em um valor lógico TRUE," explica o Dr. Benenson.

Os primeiros cálculos de um biocomputador foram demonstrados pela equipe do Dr. Benenson em 2007. [Imagem: Kobi Benenson/Harvard]

Cálculo preciso

O principal objetivo da equipe é construir biocomputadores que detectem moléculas que contenham informações importantes sobre o bem-estar das células e processem essas informações para direcionar a resposta terapêutica apropriada quando a célula encontrada for anormal.

Agora, pela primeira vez eles criaram um "circuito" sintético multi-gene, cuja tarefa é distinguir entre o câncer e as células saudáveis e, posteriormente, induzir as células-alvo a se destruírem - sem a aplicação de nenhuma droga quimioterápica, por exemplo.

Os cientistas testaram a sua "rede genética" em dois tipos de células humanas cultivadas em laboratório: células do câncer cervical, chamadas de células HeLa, e células normais.

O biocomputador genético identificou e causou a destruição das células HeLa, mas não afetou as células saudáveis.

O circuito faz uma identificação positiva apenas quando todos os cinco fatores específicos do câncer estão presentes na célula, resultando em uma detecção do câncer de alta precisão.

Os pesquisadores esperam que o desenvolvimento possa servir de base para tratamentos anti-câncer muito específicos, embora o computador biológico sintético ainda esteja longe de poder ser testado em humanos.

Ficção científica possível

A seguir, a equipe pretende testar essa computação celular - filha de uma área emergente de pesquisas conhecida como biologia sintética - em um modelo animal.

Pode parecer ficção científica, mas Benenson acredita que isto é viável.

Talvez viável, mas não fácil: ainda existem problemas difíceis de resolver como, por exemplo, a inserção de genes estranhos em uma célula de forma eficiente e segura.

"Estamos ainda muito longe de um método de tratamento totalmente funcional para humanos. Este trabalho, entretanto, é um primeiro passo importante que demonstra a viabilidade de um método seletivo de diagnóstico ao nível de uma célula individual," disse Benenson.

Bibliografia:

Multi-Input RNAi-Based Logic Circuit for Identification of Specific Cancer Cells
Zhen Xie, Liliana Wroblewska, Laura Prochazka, Ron Weiss, Yaakov Benenson
Science
2 SEPTEMBER 2011
Vol.: 333 - PP. 1307-1311
DOI: 10.1126/science.1205527

Futuro do Universo pode estar influenciando o presente

Julie Rehmeyer - FQXi - 30/08/2011

Quando se pensa o Universo a partir das leis da mecânica quântica começam a fazer sentido algumas ideias aparentemente inconcebíveis.[Imagem: Anne Goodsell/Tommi Hakala]

Influências do futuro sobre o passado

Uma reformulação radical da mecânica quântica sugere que o Universo tem um destino definido, e que esse destino já traçado volta no tempo para influenciar o passado, ou o presente.

É uma afirmação alucinante, mas alguns cosmólogos já acreditam que uma reformulação radical da mecânica quântica, na qual o futuro pode afetar o passado, poderia resolver alguns dos maiores mistérios do universo, incluindo a forma como a vida surgiu.

E, além da origem da vida, poderia ainda explicar a fonte da energia escura e resolver outros enigmas cósmicos.

O que é mais impressionante é que os pesquisadores afirmam que recentes experimentos de laboratório confirmam de forma dramática os conceitos que servem de base para esta reformulação.

Recentemente, cientistas descobriram umaconexão surpreendente entre fenômenos quânticos. [Imagem: Adaptado de Chanchicto/Wikimedia]

Ordem oculta na incerteza

O cosmólogo Paul Davies, da Universidade do Arizona, nos Estados Unidos, está iniciando um projeto para investigar que influência o futuro pode estar tendo no presente, com a ajuda do Instituto FQXi, uma entidade sem fins lucrativos cuja proposta é discutir as questões fundamentais da física e doUniverso.

É um projeto que vem sendo acalentado há mais de 30 anos, desde que Davies ouviu falar pela primeira vez das tentativas do físico Yakir Aharonov para chegar à raiz de alguns dos paradoxos da mecânica quântica.

Um desses paradoxos é o aparente indeterminismo da teoria: você não pode prever com precisão o resultado de experimentos com uma partícula quântica; execute exatamente o mesmo experimento em duas partículas idênticas e você vai obter dois resultados diferentes.

Enquanto a maioria dos físicos que se confrontaram com esse problema concluíram que a realidade é, fundamentalmente, profundamente aleatória, Aharonov argumenta que há uma ordem oculta dentro da incerteza. Mas, para entender sua origem, é necessário um salto de imaginação que nos leva além da nossa visão tradicional de tempo e causalidade.

Em sua reinterpretação radical da mecânica quântica, Aharonov argumenta que duas partículas aparentemente idênticas comportam-se de maneiras diferentes sob as mesmas condições porque elas são fundamentalmente diferentes. Nós apenas não detectamos esta diferença no presente porque ela só pode ser revelada por experiências realizadas no futuro.

"É uma ideia muito, muito profunda", diz Davies.

A flecha quântica do tempo aparentemente perde o rumo no mundo quântico. [Imagem: iStockphoto/danesteffes/PRF]

Consequências presentes do futuro

A abordagem de Aharonov sobre a mecânica quântica pode explicar todos os resultados normais que as interpretações convencionais também conseguem, mas tem a vantagem adicional de explicar também o aparente indeterminismo da natureza.

Além do mais, uma teoria na qual o futuro pode influenciar o passado pode ter repercussões enormes e muito necessárias para a nossa compreensão do universo, diz Davies.

Os cosmólogos que estudam as condições do início do universo ficam intrigados sobre o porquê do cosmos parecer tão idealmente talhado para a vida.

Mas há também outros mistérios: Por que é que a expansão do universo está se acelerando? Qual é a origem dos campos magnéticos visto nas galáxias? E por que alguns raios cósmicos parecem ter energias impossivelmente altas?

Estas questões não podem ser respondidas apenas olhando para as condições passadas do universo.

Mas talvez, pondera Davies, se o cosmos já tem definidas algumas condições finais nele próprio - um destino -, então isto, combinado com a influência das condições iniciais estabelecidas no início do universo, pode perfeitamente explicar estes enigmas cósmicos.

Aharonov já teve ideias menos extravagantes, como a aplicação da nanotecnologia à água. [Imagem: Katsir et al.]

Testando a flecha do tempo

É uma ideia muito boa - embora extremamente estranha.

Mas haveria alguma maneira de verificar a sua viabilidade? Dado que ela invoca um futuro ao qual ainda não temos acesso como causa parcial do presente, isto parece ser uma tarefa impossível.

No entanto, testes de laboratório engenhosamente inventados recentemente colocaram o futuro em teste e descobriram que ele poderia realmente estar afetando o passado.

Aharonov e seus colegas previram há muito tempo que, para certos experimentos quânticos muito específicos, realizados em três etapas sucessivas, o modo como a terceira e última etapa é realizada pode mudar dramaticamente as propriedades medidas durante o passo intermediário. Assim, ações realizadas no futuro (na terceira etapa), seriam vistas afetando os resultados das medições efetuadas no passado (na segunda etapa).

Em particular, nos últimos dois anos, equipes experimentalistas realizaram repetidamente experiências com lasers que mostram que, ajustando o passo final do experimento, é possível introduzir amplificações dramáticas no montante pelo qual o feixe de laser é desviado durante as etapas intermediárias do experimento. Em alguns casos, a deflexão observada durante a etapa intermediária pode ser amplificada por um fator de 10.000, dependendo das escolhas feitas na etapa final.

Estes resultados estranhos podem ser explicados de forma simples pelo quadro traçado por Aharonov: a amplificação intermediária é o resultado da combinação de ações realizadas tanto no passado (na primeira etapa) quanto no futuro (na etapa final).

É muito mais complicado explicar esses resultados usando interpretações tradicionais da mecânica quântica, afirma Andrew Jordan, da Universidade de Rochester, nos Estados Unidos, que ajudou a conceber um dos experimentos com laser.

A situação pode ser comparada à forma como o modelo heliocêntrico do Sistema Solar, de Copérnico, e o modelo geocêntrico de Ptolomeu, ambos fornecem interpretações válidas dos mesmos dados planetários, mas o modelo heliocêntrico é muito mais simples e mais elegante.

Uma das ideias "selvagens" mais recentes de Davies foi a de uma viagem sem volta a Marte. [Imagem: NASA/JPL]

Consequências cósmicas

Embora os experimentos com laser estejam dando boas notícias para a equipe, Davies, Aharonov, Tollaksen e seu colega Menas Kefatos, da Universidade Chapman, na Califórnia, estão agora à procura de consequências cósmicas observáveis de informações do futuro influenciando o passado.

Um bom lugar para procurar é a radiação cósmica de fundo (CMB), o "brilho" remanescente do Big Bang. A CMB tem ondulações fracas de calor e frio e, trinta anos atrás, Davies desenvolveu um modelo com seu então aluno Tim Bunch que descreve essas ondas no nível quântico.

Davies e Tollaksen estão agora revisando este modelo no novo arcabouço quântico.

Físicos têm ideias já bem desenvolvidas sobre como era o estado inicial do universo e como pode acabar sendo seu estado final - muito provavelmente um vácuo, o resultado inevitável da contínua expansão.

A equipe está colocando estas ideias junto com seu novo modelo para ver se ele consegue prever assinaturas características da influência do futuro na CMB que possam ser captadas pelo telescópio espacial Planck.

"A cosmologia é um caso ideal para esta abordagem," afirma Bill Unruh, da Universidade da Colúmbia Britânica, no Canadá. "Desde que Aharonov encontrou esses resultados tão estranhos em algumas situações, vale a pena olhar para a cosmologia."

Davies ainda não sabe se essas ideias vão produzir resultados. Mas se o fizerem, seria revolucionário.

"A coisa mais notável sobre Paul," avalia Michael Berry, da Universidade de Bristol, "é que ele tem ideias muito selvagens combinadas com extremo cuidado e sobriedade."

Este pode ser exatamente o caráter necessário para fazer um grande avanço. Pode até ser o destino de Davies, uma mescla de seu futuro e de seu passado.

Do nano ao super, cheio de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/08/2011

O pesquisador vislumbra um carro elétrico no qual a bateria estaria distribuída por todo o veículo, incluindo chassi, portas, teto, piso etc. [Imagem: Rice University]

Esta é a promessa feita por Robert Hauge e seus colegas da Universidade Rice, nos Estados Unidos.

Capacitores e supercapacitores

Os pesquisadores criaram um sistema de armazenamento de energia de estado sólido e recarregável, usando supercapacitores feitos à base de nanotubos de carbono.

Os capacitores comuns,que liberam rápidas rajadas de energia, podem ser descarregados e recarregados centenas de milhares de vezes.

Já os capacitores elétricos de dupla camada (EDLCs), mais conhecidos comosupercapacitores, são componentes híbridos que mantêm centenas de vezes mais energia do que um capacitor padrão, como uma bateria, mantendo a capacidade de carga e descarga rápidas.

Mas os supercapacitores até agora dependiam de eletrólitos líquidos ou de tipo gel, que deixam de funcionar em condições muito quentes ou muito frias.

Eletrólito sólido

A equipe do Dr. Hauge desenvolveu um material à base de óxidos que substitui inteiramente o eletrólito líquido.

E eles fizeram isto em nanoescala: a chave para uma elevada capacitância é a área disponível para os elétrons - e poucas estruturas conhecidas disponibilizam tanta área superficial em um espaço tão pequeno quanto os nanotubos de carbono.

Usando uma técnica desenvolvida pela própria equipe para fabricar nanotubos de grandes dimensões, os pesquisadores fizeram os nanotubos de carbono se aglomerarem em grupos com cerca de 15 a 20 nanômetros, com até 50 micrômetros de altura - uma relação altura/largura superior a 500.

Esse carpete de nanotubos é posto sobre um eletrodo de cobre com camadas em escala atômica de ouro e titânio, para ajudar a grudar tudo e manter a estabilidade elétrica.

O conjunto foi coberto com revestimentos muito finos de óxido de alumínio (o dielétrico) e óxido de zinco dopado com alumínio (o contra-eletrodo) por meio de um processo chamado deposição de camada atômica.

Um eletrodo superior de prata completa o circuito.

Carro-bateria

Hauge afirma que esse supercapacitor, nascido em nanoescala, é estável e escalável. Em tese, é possível construir usinas inteiras com eles, acumulando a energia gerada pelos ventos ou pelo Sol e liberando-a quando necessário.

Ele vislumbra um carro elétrico no qual a bateria estaria distribuída por todo o veículo, incluindo chassi, portas, teto, piso etc.

• Nova tecnologia de baterias armazenará energia na lataria dos carros

"Todas as soluções de estado sólido para armazenamento de energia poderão ser intimamente integradas nos aparelhos, incluindo telas flexíveis, bio-implantes, muitos tipos de sensores e todos os aparelhos eletrônicos que possam se beneficiar de taxas rápidas de carga e descarga," diz Hauge.

Recentemente, um outro grupo de pesquisadores sugeriu o uso de nanocapacitores eletrostáticos, com o mesmo potencial.

Rápido demais

Antes que qualquer dessas possibilidades ganhe uso prático, contudo, os cientistas terão que lidar com a "mania" dos capacitores de liberarem suas elevadas doses de energia de uma vez só - ao contrário das baterias, que têm menor densidade de energia, mas liberam de forma mais comedida.

Embora isso seja uma característica altamente desejável para sistemas como o KERS, ela não é adequada como única fonte de energia para um veículo elétrico porque o veículo teria altíssima potência, mas ficaria sem carga rápido demais.

• Baterias ultra-rápidas poderão ser recarregadas em segundos

Bibliografia:

Three dimensional solid-state supercapacitors from aligned single-walled carbon nanotube array templates
Cary L. Pint, Nolan W. Nicholas, Sheng Xu, Zhengzong Sun, James M. Tour, Howard K. Schmidt, Roy G. Gordon, Robert H. Hauge
Carbon
Vol.: 49, Issue 14, November 2011, Pages 4890-4897
DOI: 10.1016/j.carbon.2011.07.011

Imagine uma tecnologia de armazenamento de energia que permita desde a integração das baterias no próprio chip que irão alimentar, até seu uso em larga escala, formando usinas inteiras.

Microscópio permite assistir movimento de moléculas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/08/2011

Bioquímica visual

Os cientistas agora já podem assistir as moléculas se movendo no interior de células vivas.

Uma equipe do Laboratório Europeu de Biologia Molecular, na Alemanha, desenvolveu um novo microscópio que consegue filmar processos biológicos a respeito dos quais até agora só se podia teorizar.

Resultado de uma combinação de microscópio óptico e espectroscopia molecular, o novo microscópio consegue registrar a fluorescência de cada molécula e gravar imagens a cada um milissegundo.

A melhor ferramenta na área até agora é o microscópio confocal, que permite a observação de pontos isolados de uma amostra, em momentos igualmente isolados no tempo.

"É de fato uma bioquímica visual," afirma Malte Wachsmuth, coordenador da equipe. "Nós podemos seguir moléculas fluorescentes em toda a célula viva, em 3D, e ver como suas propriedades bioquímicas, como o ritmo de interação e as afinidades de ligação, variam ao longo da célula."

Primeira descoberta

E o novo microscópio estreou em grande estilo: fazendo uma descoberta.

Até agora, a cromatina - a combinação de DNA, RNA e proteínas que formam os cromossomos - tinha sido observada em dois estados "congelados".

O primeiro desses estados é a chamada heterocromatina, densamente aglomerada, com a maior parte de seu DNA inacessível ao mecanismo de leitura de genes da célula. O segundo é a eucromatina, um pacote muito menos apertado, cujos genes podem ser lidos facilmente.

Mas quando usaram o novo microscópio para medir a interação entre a cromatina e uma proteína chamada HP1-α, os cientistas tiveram uma surpresa: um estado intermediário da cromatina, cuja existência era desconhecida.

"Em algumas áreas que se parecem com a eucromatina, a HP1-α se comporta como se estivesse na presença da heterocromatina," afirma Michael Knop, coautor do trabalho. "Isto sugere que a cromatina pode existir em um estado intermediário, que nunca havia sido observado antes em células vivas."

Os cientistas acreditam que a possibilidade de acompanhar o rápido movimento das moléculas vai ajudar em pesquisas desde o papel dos hormônios no câncer até a divisão celular e o desenvolvimento dos tecidos no embrião.

Bibliografia:

Quantitative fluorescence imaging of protein diffusion and interaction in living cells
Jérémie Capoulade, Malte Wachsmuth, Lars Hufnagel, Michael Knop
Nature Biotecnology
07 August 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nbt.1928

Luz supera velocidade máxima da luz - duas vezes

Com informações da Science - 18/08/2011

Confusões luminosas

Ainda está ecoando no ar os resultados de uma pesquisa recente, mal "traduzida" pela imprensa em geral como uma "prova" da impossibilidade de viagens no tempo.

Para confundir ainda mais as coisas, dois grupos independentes de pesquisadores acabam de demonstrar duas formas diferentes de fazer com que pulsos de luz viajem a uma velocidade superior aos 300.000 km/h estabelecidos pela teoria da relatividade especial de Einstein.

Por incrível que pareça, as conclusões destes novos estudos não contestam aquele trabalho da viagem no tempo e não derrubam a teoria da relatividade, mas podem ter resultados muito práticos, permitindo aumentos reais na velocidade de transmissão de informações por fibras ópticas.

Formas de ver a luz

Superando outros trabalhos que já demonstraram fótons viajando mais rápido do que a luz e partículas superluminais, os físicos agora conseguiram fazer com que "muita luz" pareça viajar mais rápido do que seria permitido.

Nos experimentos, a luz emerge do outro lado material mesmo antes de ter entrado na frente desse material.

Toda a confusão com esses experimentos emerge das muitas formas como a luz pode ser "vista" e interpretada.

Um pulso de luz, por exemplo, pode ser visto como uma espécie de onda de radiação eletromagnética chispando pelo espaço. Assim, se você fizer um gráfico da intensidade desse pulso, ele vai começar em zero, subir suavemente até formar um único pico, e então declinar novamente até zero.

Mas pode-se também imaginar esse pulso como uma coleção de ondas com diversos comprimentos de onda. O que antes era um pico individual de um único pulso de luz, passa a ser o resultado do somatório de uma série de ondas oscilando para baixo e para cima e se sobrepondo umas sobre as outras.

No centro do pulso, as diversas ondas se alinham e se reforçam mutuamente, ao contrário da subida e da descida do pulso, onde as ondas ficam fora de sincronia e acabam se cancelando.

Sanduíche mágico

A equipe das universidades da Califórnia (EUA) e Imperial College London (Grã-Bretanha), autora do primeiro estudo, adotou esse ponto de vista e construiu um material híbrido capaz de reduzir a velocidade de alguns comprimentos de onda da luz mais do que outros.

Isso alterou a forma como as ondas se alinham e deslocou aquele pico - o ponto onde as diversas ondas se reforçam - fazendo o pico saltar adiante a uma velocidade maior do que a velocidade da luz.

O material é um sanduíche contendo uma placa perfurada de cobre posta entre duas camadas de 0,79 milímetro de Teflon. Essas duas camadas mantêm o brilho e a direção das ondas de luz, enquanto o padrão de furos no metal reforça essas ondas.

O resultado foi que o pico do pulso de luz emergiu do outro lado do sanduíche antes de entrar no próprio sanduíche.

Enquanto os experimentos anteriores detectaram menos de 1% dos pulsos de luz quebrando o limite cósmico de velocidade, a interação entre o metal e o teflon permitiu que até 10% da luz chegasse do outro lado 100 picossegundos antes do que o fariam se obedecessem as regras de trânsito cósmicas.

Interpretação da Relatividade

Mas isso não viola a teoria da relatividade porque isto exigiria que as ondas individuais viajassem a uma velocidade superior aos exatos 299.792.458 metros por segundo.

Hoje, os físicos interpretam a relatividade de uma forma ligeiramente mais sutil: eles consideram que a teoria da relatividade estabelece que a informação não pode ser transmitida mais rápido do que a luz.

E é a parte frontal das primeiras ondas que se sobrepõem - e não a posição exata do pico do pulso de luz - que determina a velocidade final na qual a informação pode fluir. É por isto que este experimento não contesta o resultado daquela pesquisa recente que mostrou que o precursor óptico de um fóton não supera a velocidade da luz.

Dois feixes de luz viajando em direções opostas dentro de uma fibra óptica interferem um com o outro, deslocando o pico do pulso de luz. [Imagem: Zhan et al.]

Trombada que acelera

A equipe da Universidade Shanghai Jiao Tong, na China, afirma que pode fazer um pulso de luz superar ainda mais o limite de velocidade estabelecido por Einstein usando fibras ópticas.

O grupo enviou um pulso de luz infravermelha no sentido horário em uma bobina de fibras ópticas e monitoraram esse pulso em dois pontos, um próximo ao ponto onde a luz entra na fibra óptica e outro 10 metros à frente.

Em tese, a luz deveria passar pelo primeiro sensor em um determinado momento 0, e então atingir o segundo sensor 48,6 nanossegundos depois.

Mas então surge o truque: os cientistas dispararam um segundo feixe de luz no sentido anti-horário. Isto modificou o alinhamento das ondas e alterou a velocidade com que os diversos comprimentos de onda viajam através da fibra óptica, causando sobreposições que, como no experimento anterior, deslocaram para frente o pico do pulso de luz.

O resultado foi que a luz chegou ao segundo sensor 211,3 nanossegundos antes do que seria de se esperar.

Velocidade das comunicações ópticas

Mas o mais impressionante ainda está por vir: apesar da informação de fato não viajar mais rápido do que a velocidade da luz, ainda assim estes experimentos podem resultar em ganhos práticos nas telecomunicações por fibras ópticas, tornando-as mais rápidas.

Ou seja, em termos práticos, as informações não vão viajar mais rápido do que a velocidade da luz, mas poderão viajar a uma velocidade maior do que viajam hoje.

Isto acontece porque os receptores de comunicações ópticas reagem aos picos de um pulso de luz, e não à parte frontal do pico - seu "precursor óptico".

Assim, qualquer mecanismo que coloque o pico mais próximo da borda frontal do pulso de luz resultará no ganho de algumas centenas de nanossegundos.

Mande uma ordem de compra para um lote de ações que está à venda em uma bolsa de valores do outro lado do mundo e algumas centenas de nanossegundos podem fazer a diferença entre um bom lucro e perder a oportunidade do negócio.

É por isso que os pesquisadores apostam que suas descobertas, embora "inócuas" para a relatividade e a viagens espaciais, terão uma utilidade prática muito imediata.

Bibliografia:

Negative group delay through subwavelength hole arrays
M. Navarro- Cia, M. Beruete, F. Falcone, M. Sorolla, V. Lomakin
Physical Review B
12 August 2011
Vol.: 84, 075151 (2011)
DOI: 10.1103/PhysRevB.84.075151

Negative group velocity superluminal propagation in optical fibers using stimulated Brillouin scattering
Li Zhan, Liang Zhang, Jinmei Liu, Qishun Shen, Yuxing Xia
9th International Conference on Optical Communications and Networks Proceedings
Vol.: Proceedings p.245-248
DOI: 10.1049/cp.2010.1197

Raio de partículas virtuais constrói nanoestruturas reais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/08/2011

Vários exemplos do controle do feixe de luz e plasma, incluindo a mudança para diferentes direções (a e b) e a passagem por cima de obstáculos (os círculos cinza em c). [Imagem: Optics Letters/Peng Zhang]

Um feixe de partículas virtuais é capaz de manipular partículas reais, construindo estruturas em nanoescala que superam os padrões atuais da eletrônica e da optoeletrônica.

Processadores e chips em geral, mas também células solares, sensores de câmeras digitais e componentes para telecomunicações por fibras ópticas dependem da luz para a sua construção.

O problema é que a miniaturização crescente está superando a capacidade da luz em "escavar" as nanoestruturas que formam esses componentes.

Enquanto a luz visível tem comprimentos de onda na faixa das centenas de nanômetros, os componentes eletrônicos já são medidos na faixa das dezenas de nanômetros. Isto tem exigido truques cada vez mais mirabolantes dos engenheiros.

Feixe híbrido de luz e plasma

Mas uma saída mais definitiva pode estar em partículas virtuais, conhecidas como plásmons de superfície que, se já não fossem estranhas o suficiente por si sós, agora foram dispostas na forma de um feixe curvo.

Desafiando o senso comum e as leis do eletromagnetismo, esse feixe não viaja de forma retilínea, como a luz com que estamos acostumados - ele forma um arco.

"É uma coisa esquisita, com certeza," concorda o Dr. Peng Zhang, da Universidade de Berkeley, nos Estados Unidos. "É por isso que as pessoas ficam tão interessadas nesses tipos de feixes tão interessantes."

Mas a coisa toda parece ainda mais exótica: os cientistas conseguiram pela primeira vez manipular um feixe híbrido de luz e plasma - eles o chamaram de feixe plasmônico de Airy, em homenagem ao astrônomo George Biddell Airy, que estudou o que parecia ser uma trajetória parabólica na luz do arco-íris.

Quando esse feixe híbrido de luz e plasma atinge uma superfície metálica - tipicamente em uma estrutura irregular, conhecida como gradeamento (grating) - ela gera pequenas ondas de elétrons na interface entre o metal e o ar.

• Plasmônica: em busca da computação à velocidade da luz

Os cientistas construíram um equipamento óptico controlado por computador que controla em tempo real o feixe de partículas virtuais. [Imagem: Optics Letters/Peng Zhang]

Essas ondas, conhecidas comopolaritons de plásmons de superfície(SPP: surface plasmon polariton), são consideradas quasipartículas, ou partículas virtuais. São elas que formam o padrão em arco.

E, da mesma forma que as ondas do oceano movem objetos que estejam na superfície da água, os polaritons podem ser dirigidos para manipular e criar estruturas ultrafinas na superfície do metal.

Nova nanoferramenta

Os polaritons permitem lidar com objetos com uma dimensão equivalente à metade do comprimento de onda da luz necessária para gerá-los.

Até agora, porém, só se sabia como dirigir os polaritons usando nanoestruturas fixas, uma falta de flexibilidade que vinha limitando seu uso na construção de novos nanocomponentes.

Já o feixe de Airy em arco pode ser guiado em tempo real - e guiar o feixe significa guiar os polaritons que entram em sua composição.

Nasce, portanto, uma nova ferramenta para a criação de sistemas, circuitos e componentes em nanoescala, que dispensa qualquer estrutura-guia para dirigir o feixe de energia que realmente faz o trabalho - até agora era necessário um grande aparato que inclui guias de ondas, lentes, divisores de feixe e refletores.

Usando uma óptica controlada por computador, a equipe desenvolveu uma forma de dirigir e manipular os feixes curvos, dirigindo sua trajetória com precisão para pontos específicos sobre a superfície a ser trabalhada.

Por ser arqueado, o feixe tem a grande vantagem, em relação aos feixes diretos de luz, de superar defeitos e saliências no material.

"A natureza ultrafina dos plásmons de superfície torna-os uma ferramenta promissora para a nanolitografia do futuro e para aplicações em nanoimagem," disse Sheng Wang, outro membro da equipe.

O trabalho foi coordenado pelo Dr. Xiang Zhang, que tem uma longa lista de inovações na área da fotônica e da plasmônica.

Bibliografia:

Plasmonic Airy beams with dynamically controlled trajectories
Peng Zhang, Sheng Wang, Yongmin Liu, Xiaobo Yin, Changgui Lu, Zhigang Chen, Xiang Zhang
Optics Letters
Aug. 15 2011
Vol.: 36, 16, pp. 3191-3193
DOI: 10.1364/OL.36.003191

Virtual que afeta o real

Antimagneto cria invisibilidade magnética

Com informações da PhysicsWorld - 12/08/2011

Qualquer campo magnético criado dentro da camuflagem - imagine um ímã permanente colocado lá dentro - não "vazaria" para o seu exterior, ou seja, fora da camuflagem seria como se o campo magnético daquele ímã não existisse. [Imagem: Sanchez et al.]

Camuflagem magnética

Pesquisadores espanhóis afirmam ser possível construir um manto da invisibilidade magnético.

Nesse novo tipo de camuflagem, um objeto continuaria tão visível quanto antes, mas seria imune aos campos magnéticos ao seu redor - ou, ao contrário, um campo magnético confinado pela camuflagem magnética não afetaria nada fora da própria camuflagem.

A "invisibilidade" magnética teria inúmeros usos práticos, sobretudo na construção de escudos para evitar a interferência em equipamentos críticos e em processos industriais que exigem ambientes magnéticos específicos.

Antimagneto

Alvaro Sanchez e seus colegas da Universidade Autônoma de Barcelona não chamam seu dispositivo de "camuflagem" ou "escudo", mas sim de antimagneto.

Segundo eles, o antimagneto, que poderia ser "facilmente construído" com metamateriais, teria duas propriedades básicas.

A primeira é que qualquer campo magnético criado dentro da camuflagem - imagine um ímã permanente colocado lá dentro - não "vazaria" para o seu exterior, ou seja, fora da camuflagem seria como se o campo magnético daquele ímã não existisse.

A segunda propriedade é que nem o antimagneto e nem a região coberta por ele seriam detectáveis usando um campo magnético externo.

A receita do antimagneto propõe o uso de camadas repetidas que intercalem metamateriais com resposta isotrópica a um campo magnético e metamateriais como uma resposta anisotrópica.

Receita de antimagneto

Em 2008, John Pendry e seus colegas do Imperial College London propuseram uma camuflagem magnética usando um metamaterial que tivesse uma permeabilidade magnética menor do que um em uma direção, e maior do que um na perpendicular do campo.

Supercondutores têm permeabilidade magnética igual a zero e materiais ferromagnéticos têm permeabilidade maior do que um.

Mas a receita não funcionou conforme o esperado, e a camuflagem só funcionou parcialmente.

A receita espanhola apresenta uma pequena variação, mas que os cientistas afirmam ser crucial para o sucesso.

A primeira camada, a mais interna, continua sendo feita de um material supercondutor, com sua permissividade magnética igual a 0. A camada seguinte será feita de um material ferromagnético isotrópico, com permeabilidade constante.

Segundo os cientistas, esta camada poderá ser fabricada com nanopartículas ferromagnéticas dispersas em um meio não-magnético.

A camada final deverá ser anisotrópica, mas apresentar uma permeabilidade radial constante.

Nessa configuração, o antimagneto será cilíndrico, mas o grupo afirma que ele poderá ser construído em outras geometrias.

Interruptor de campo magnético

O uso de Supercondutores - e suas temperaturas criogênicas - complica um pouco os usos práticos dessa camuflagem magnética, mas os cientistas afirmam que os antimagnetos poderiam ser usados imediatamente em equipamentos de ressonância magnética, que já usam ímãs supercondutores.

Nesse caso, o antimagneto permitiria que pacientes portadores de marca-passos e outros implantes com partes eletroeletrônicas pudessem ter acesso a esses equipamentos e se beneficiar dos exames médicos que eles proporcionam.

Eles afirmam também que a alteração da temperatura de funcionamento do antimagneto, fazendo-a oscilar abaixo e acima da temperatura crítica para a supercondução, permitirá que o magnetismo de uma região seja ligado e desligado conforme a necessidade, abrindo o caminho para outros usos.

Bibliografia:

Antimagnets: Controlling magnetic fields with superconductor-metamaterial hybrids
Alvaro Sanchez, Carles Navau, Jordi Prat, Du-Xing Chen
arXiv
Jul 2011
http://arxiv.org/abs/1107.1647