Metamateriais ativos: Nanopartículas controlam luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/10/2011

A tensão aplicada pelos dois eletrodos cria um giro nemático nas moléculas de cristal líquido (azuis) ao redor de um nanobastão de ouro (vermelho). Dependendo da orientação do nanobastão, as moléculas interceptam ou deixam passar a luz polarizada.[Imagem: Link Lab/Rice University]

Metamateriais passivos

Os metamateriais permitem essencialmente que se controle as ondas - de luz ou de som - para fazer coisas impossíveis de serem feitas com materiais naturais.

Isso inclui a criação de mantos da invisibilidade, buracos no tempo,expansão do espaço, melhores exames de ultrassom, e uma infinidade de outras artimanhas.

E tudo isso é feito com metamateriais passivos, ou seja, materiais que são construídos de uma forma para fazer determinada tarefa, e só são capazes de fazer aquilo para o que foram projetados.

Isto pode dar a importância da descoberta de uma equipe da Universidade de Rice, nos Estados Unidos.

Metamateriais ativos

Saumyakanti Khatua e seus colegas descobriram uma técnica que vai permitir a construção de metamateriais ativos, que poderão ser configurados em tempo real, ajustando a luz conforme a necessidade.

Isso será possível graças ao uso de cristais líquidos para controlar a luz refletida por nanopartículas de ouro.

Os pesquisadores usam uma variação de tensão para manipular com precisão o alinhamento de moléculas de cristal líquido que, alternadamente, bloqueiam e deixam passar a luz que vem das nanopartículas.

As pequenas partículas de ouro funcionam como antenas ópticas, coletando e refletindo a luz em uma direção específica, que pode ser controlada com precisão com a ajuda do cristal líquido.

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Polarizador ajustável

A equipe afirma que a nova técnica abre a possibilidade de controlar a luz de qualquer nanoestrutura que espalhe, absorva ou emita luz, o que inclui os minúsculos pontos quânticos e os nanotubos de carbono.

"Não achamos que este efeito dependa dos nanobastões de ouro," afirma Stephan Link, coordenador da pesquisa. "Nós poderemos ter outros nano-objetos que reajam com a luz polarizada, e então poderemos modular sua intensidade. [O dispositivo] se torna um polarizador ajustável."

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Bibliografia:

Active Modulation of Nanorod Plasmons
Saumyakanti Khatua, Wei-Shun Chang, Pattanawit Swanglap, Jana Olson, Stephan Link
Nano Letters
Vol.: 11 (9), pp 3797-3802
DOI: 10.1021/nl201876r

 

Tapete voador flutua sem usar mágica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/10/2011

O tapete voador, no centro inferior, precisa ficar preso aos fios que o alimentam. Mas os cientistas já estão trabalhando em uma versãowireless.[Imagem: Jafferis et al.]

Transporte sem rodas

Cientistas da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, criaram o primeiro tapete voador autêntico.

Por enquanto, ele não seria capaz de levar ninguém em um passeio pelas arábias, já que tem o tamanho aproximado de um envelope.

Mas Noah Jafferis e seus colegas afirmam que sua criação pode ser o princípio de uma nova forma de transporte sem rodas.

Os cientistas estão pensando nos hovercrafts, ou aerodeslizadores, veículos que flutuam sobre um colchão de ar.

Movido por ondulações

O tapete voador tem 10 centímetros, é transparente e é movido por ondulações de alta frequência em sua superfície.

As ondulações são geradas por fitas piezoelétricas que ondulam sob a ação de uma corrente elétrica.

Essas ondulações "aprisionam" o ar embaixo do tapete voador, carregando essas "bolsas de ar" da parte frontal para a parte traseira do tapete, promovendo a sustentação do material.

"Nós usamos atuadores piezoelétricos e sensores para demonstrar a força propulsora produzida por ondas controláveis viajando em uma folha fina de plástico suspensa no ar acima de uma superfície plana," escrevem os pesquisadores.

Isto mostra que o termo "voador" também precisa ser visto com cautela, uma vez que o tapete voador do Dr. Jafferis se parece mais com um aerodeslizador, que usa um colchão de ar para se manter a alguns centímetros acima da superfície.

O princípio de funcionamento do tapete voador é simples, embora o sistema de controle tenha dado bastante trabalho para ser devidamente ajustado. [Imagem: Jafferis et al./APL]

Frequência e velocidade

O controle das ondulações da folha de plástico é feito dosando-se precisamente a corrente que é disparada em pulsos em cada uma das fitas piezoelétricas coladas ao material.

"Nós geramos ondas com amplitudes de até 500 micrômetros e, a 100 Hz, nós medimos forças acima de 100 microNewtons, resultando em velocidades acima de 1 centímetro por segundo," dizem os pesquisadores.

Este primeiro protótipo é alimentado por fios, o que significa que ele não poderia sair flutuando pelo chão do laboratório, devendo ficar ancorado no equipamento que o controla.

Mas os cientistas afirmam que já estão trabalhando em uma versão alimentada por energia solar, o que permitirá eliminar os fios e observar o "tapete flutuante" em condições reais.

"A força aerodinâmica propulsora que nós demonstramos é teoricamente suficiente para fazer a folha 'voar', desde que ela seja liberada das suas amarras," afirmam.

Partes ondulantes

Se o conceito puder ser ampliado para grandes escalas, ele se tornará uma opção a ser levada a sério para motorizar os aerodeslizadores, que hoje empregam grandes motores e hélices para gerar seu colchão de ar.

Um hovercraft motorizado por um tapete voador seria muito mais leve e mais simples, essencialmente com uma motorização sem "partes móveis" - no sentido tradicional de engrenagens, rolamentos e hélices.

Bibliografia:

Traveling wave-induced aerodynamic propulsive forces using piezoelectrically deformed substrates
Noah T. Jafferis, Howard A. Stone, James C. Sturm
Applied Physics Letters
Vol.: 99, 114102 (2011)
DOI: 10.1063/1.3637635

Chip neural: rumo ao computador neuromórfico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/10/2011

Os circuitos neuromórficos têm o potencial para rodar programas de auxílio à tomada de decisões que não são possíveis nos computadores atuais.[Imagem: AFRL]

Computador neuromórfico

O professor Robinson Pino e seus colegas da Universidade de Boise, nos Estados Unidos, deram um passo importante na construção do seu apregoado computador neuromórfico.

O circuito foi construído commemristores, componentes eletrônicos capazes de se "lembrar" das correntes elétricas que passaram por eles, o que faz com que sejam chamados de sinapses artificiais.

Os cientistas acreditam que essas sinapses artificiais poderão ser usadas para construir computadores cujo funcionamento se assemelhe ao funcionamento do cérebro humano.

Sinapses artificiais

O grupo do professor Pino construiu um processador neuromórfico que é basicamente uma rede neural formada por 100 memristores, ou 100 sinapses artificiais.

Os memristores foram construídos pela própria equipe, à base de calcogeneto, contendo Ge₂Se₃, e prata, uma inovação nessa área ainda nascente.

Os resultados demonstram que a rede neural de memristores pode ser programada para cada estado memristivo individual - eles programaram três estados diferentes de cada sinapse artificial.

Embora ainda esteja em seus estágios iniciais de desenvolvimento, essa capacidade de programação em multi-estados é altamente promissora, apontando para uma abordagem potencialmenet muito mais eficiente do que, por exemplo, os primeirosprocessadores cognitivos da IBM, apresentados há pouco mais de um mês.

 

Nanocompósitos podem viabilizar avião-Transformer

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/09/2011

Renderização artística do Avião Morfológico, também conhecido como Veículo Aeroespacial do Século XXI, mostrando os avançados conceitos que a NASA vislumbra para uma aeronave do futuro.[Imagem: AFRL]

Os nanocompósitos são materiais desse tipo, mas cuja estrutura é projetada e sintetizada em nanoescala.

Cientistas ligados à NASA estão agora estudando uma nova série de nanocompósitos capazes de "reagir a estímulos".

Materiais reativos

De forma semelhante a um ser vivo, por exemplo, afastando-se rapidamente de uma fonte de calor, esses nanocompósitos reativos alteram suas propriedades mecânicas quando expostos a campos elétricos, campos magnéticos ou a algum tipo de radiação eletromagnética.

A alteração das propriedades desses "materiais mutantes" deriva de interações sinergísticas entre a matriz de polímero e seu material de preenchimento.

Os pesquisadores agora conseguiram desenvolver um novo material com uma capacidade de reação significativa a um campo elétrico, o que significa que ele pode ser usado como atuador - para exercer uma força, por exemplo - ou sofrer uma deformação.

É um passo gigantesco à frente dos músculos artificiais.

Aviões que mudam de forma

Um dos objetivos primários da pesquisa é o desenvolvimento de aviões que possam se adaptar às condições de voo alterando seu próprio formato - eles são chamados de aviões morfológicos (morphing planes).

Por exemplo, um avião precisa de grande sustentação nas baixas velocidades de decolagem e pouso, mas isso compromete sua aerodinâmica para o voo em alta velocidade.

Hoje, esse equilíbrio é obtido cedendo-se dos dois lados, o que significa que os aviões não são ótimos em nenhuma das duas situações.

Alguns sistemas de asas móveis tentam contornar esse compromisso, mas com um custo e uma complexidade elevados demais para serem usados em aplicações úteis - na aviação civil, por exemplo.

Mas esses materiais adaptativos são promissores para inúmeras outras aplicações, de stents e implantes médicos a automóveis e telescópios.

Do nano ao macro

Os maiores entraves ao uso desses materiais inovadores estão nas restrições de temperatura e no fato de que os protótipos até agora desenvolvidos suportam poucos ciclos de funcionamento - o que significa que eles perdem sua capacidade de se "transformar" com o uso.

Os pesquisadores descobriram que a saída pode estar no uso de nanotubos de carbono no meio dos chamados nanocompósitos poliméricos eletrorrestritivos (PNC:Electrostrictive Polymer Nanocomposites).

De forma surpreendente, os pesquisadores descobriram que as nanopartículas são essenciais para a construção dos materiais eletroativos, mas a capacidade final do material para mudar de forma depende das suas características finais em macroescala.

Os resultados mostraram que a atuação eletrotermal do nanocompósito não depende da composição do material que preenche a matriz de polímero, mas apenas da condutividade final do material pronto - daí a importância dos nanotubos de carbono, com sua excepcional condutividade.

O trabalho estabelece um novo patamar para as pesquisas, permitindo que os cientistas selecionem os melhores materiais de preenchimento, calculem sua quantidade ótima e descubram novas técnicas de processamento - tudo para otimizar o comportamento morfológico final do material.

Compósitos são materiais híbridos, resultantes da mistura de polímeros com materiais naturais, metais, fibras ou cerâmicas.

Infobiologia codifica mensagem secreta usando bactérias

Com informações da Science e Nature - 27/09/2011

As mensagens secretas são escritas colocando as bactérias em linhas em uma estrutura de nitrocelulose e ágar, um meio de cultura para que as bactérias não morram.[Imagem: Manuel A. Palacios/Tufts University]

Infobiologia

Cientistas descobriram uma nova forma de codificar mensagens secretas usando bactérias.

Além de ser útil para os espiões, a nova técnica poderá ser usada por empresas para codificar identificadores em sementes, grãos e outros produtos de origem animal ou vegetal.

Tudo começou com o interesse em desenvolver formas de codificar mensagens secretas sem usar equipamentos eletrônicos.

Em 2010, David Walt e George Whitesides criaram um sistema primário desse tipo, que eles batizaram de infofusíveis, e que permitia também a transmissão do código cifrado:

• Infofusíveis: dados são transmitidos quimicamente

Naquela época eles usaram sais. Mas seu colega Manuel Palacios teve a ideia de usar bactérias.

Código binário de bactérias

Os fusíveis foram substituídos por colônias de Escherichia coli, cada uma das quais recebeu um gene para codificar uma proteína fluorescente diferente - elas só emitem as cores quando o gene é ativado.

Os pesquisadores então criaram um código binário baseado em cores, cada "bit" sendo formado por um par de bactérias de cores diferentes.

As 7 colônias de bactérias fluorescentes permitem um total de 49 combinações, o suficiente para representar 26 letras e 23 outros caracteres alfanuméricos. [Imagem: Palacios et al./Pnas]

As 7 colônias lhes deram então um total de 49 combinações, o suficiente para representar 26 letras e 23 outros caracteres alfanuméricos.

As mensagens são escritas colocando as bactérias em linhas em uma estrutura de nitrocelulose e ágar, um meio de cultura para que as bactérias não morram.

Nesse momento, como os genes ainda não estão ativados, as bactérias são invisíveis.

Quando o destinatário recebe sua "mensagem bacteriana", tudo o que ele tem a fazer é pressionar o papel de nitrocelulose em uma placa de ágar contendo o composto químico que ativa a expressão das proteínas fluorescentes.

As bactérias começam a brilhar e a mensagem pode ser lida.

O velho truque do antibiótico

E os pesquisadores ainda acrescentaram uma camada extra de segurança para a mensagem secreta.

Em algumas bactérias, eles inseriram genes que as tornam resistentes a determinados antibióticos. Estas bactérias resistentes são as responsáveis por levar a mensagem.

Contudo, as bactérias resistentes são misturadas no papel de nitrocelulose com outras bactérias igualmente capazes de apresentar a fluorescência, mas suscetíveis ao antibiótico.

Se a mensagem cair em mãos erradas, o espião até poderá ativar os genes da fluorescência, mas não conseguirá compreender a mensagem.

Já o destinatário correto, já de posse do antibiótico adequado, matará as bactérias camufladoras e poderá ler a mensagem.

Os cientistas batizaram sua técnica de SPAM (steganography by printed arrays of microbes: esteganografia por matrizes impressas de micróbios).

Bibliografia:

InfoBiology by printed arrays of microorganism colonies for timed and on-demand release of messages
Manuel A. Palacios, Elena Benito-Peña, Mael Manesse, Aaron D. Mazzeo, Christopher N. LaFratta, George M. Whitesides, David R. Walta
Proceedings of the National Academy of Sciences
September 26, 2011
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1073/pnas.1109554108

 

"A Coisa" cria novo paradigma no estudo de células vivas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/09/2011

O quadrupolo fluídico é formado injetando-se fluidos por dois furos-fonte (+) e aspirando-os de volta por dois furos-ralo (-). Aqui, gotas fluorescentes foram usadas para traçar a rota do fluxo, da mesma forma que limalha de ferro é usada para mostrar a linhas de um campo magnético.[Imagem: McGill University]

A "coisa"

Cientistas criaram um dispositivo microscópico e flutuante que funciona tanto como um soprador quanto como um aspirador de líquidos.

A "coisa" é tão estranha que nem mesmo há um nome ou uma categoria para descrevê-la.

Mas sua funcionalidade é impressionante: ela pode ser usada para lidar diretamente com células vivas, sem nem mesmo tocar nas células.

Isso torna esse soprador/aspirador microscópico uma ferramenta sem precedentes, uma vez que o estudo de células vivas sempre esbarra no inconveniente de as ferramentas disponíveis interferirem com seu funcionamento normal.

Quadrupolo

Tecnicamente, o dispositivo é um quadrupolo - o resultado da montagem de dois objetos idênticos, dois "positivos" e dois "negativos", dispostos em um quadrado, a fim de criar um campo de força entre eles.

Quadrupolos eletrostáticos são usados em antenas de rádio, enquanto quadrupolos magnéticos servem para focalizar feixes de partículas eletricamente carregadas no interior de aceleradores de partículas.

Mas esta é a primeira vez que alguém consegue demonstrar na prática um quadrupolo em um fluido, ainda que os teóricos venham dizendo que isso é possível há décadas.

Os pesquisadores afirmaram que seu multipolo fluídico deverá se transformar em uma nova ferramenta para todos os tipos de estudosin vitro. [Imagem: Qasaimeh et al.]

Estudo de células vivas

O dispositivo é fabricando fazendo dois furos em uma ponta de silício com cerca de 1 milímetro quadrado.

Quando ele é colocado sobre uma superfície, as duas aberturas "positivas", chamadas fontes, emitem jatos microscópicos de fluido em direção à superfície abaixo.

Ao mesmo tempo, as duas aberturas "negativas", chamadas drenos, começam imediatamente a sugar o jato de fluido de volta para o dispositivo.

Se essa superfície for uma camada de células vivas, ou uma camada de células aderentes, o dispositivo pode flutuar sobre a superfície para chegar a um alvo desejado.

Ele então simplesmente começa a disparar um jato de fluido com os compostos químicos necessários para testar, estimular ou matar as células, dependendo da aplicação.

Gradientes

O quadrupolo fluídico também pode ser usado para criar regiões com concentrações de químicos que variam suavemente - os chamados gradientes.

Esses gradientes são essenciais para o estudo de muitos processos celulares, como o movimento de bactérias e outras células no interior do organismo.

Os pesquisadores afirmaram que sua "coisa" deverá se transformar em uma nova ferramenta para todos os tipos de estudos in vitro.

Bibliografia:

Microfluidic quadrupole and floating concentration gradient
Mohammad A. Qasaimeh, Thomas Gervais, David Juncker
Nature Communications
Vol.: 2, Article number: 464
DOI: 10.1038/ncomms1471

Fios elétricos de nanotubos de carbono viram realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/09/2011

O próximo passo dos pesquisadores será aprimorar o processo de "tecelagem" dos nanotubos para criar cabos mais longos e mais grossos. [Imagem: Zhao et al./Nature]

Misto de fio e cabo

Os nanotubos de carbono já foram apresentados como o material que poderia viabilizar os elevadores espaciais e a transmissão ultra-eficiente de eletricidade, sem depender do aparato criogênico dossupercondutores.

Pelo menos esta última promessa agora está mais próxima da realidade.

Yao Zhao e seus colegas da Universidade de Rice, nos Estados Unidos, construíram o primeiro cabo de transmissão de energia feito inteiramente de nanotubos de carbono.

Embora individualmente sua eficiência na condução térmica e elétrica já tenha sido mais do que comprovada, transformar nanotubos em "macrotubos", para viabilizar sua utilização prática, não tem sido uma tarefa fácil.

• Nanotubos de carbono são produzidos em grandes dimensões

Os cientistas "teceram" os nanotubos em uma espécie de longa malha, criando um cabo condutor com tamanho suficiente para ser ligado a um circuito elétrico - tecnicamente o condutor é um misto entre um fio e um cabo.

Condutividade específica

Embora longe das possibilidades teóricas de um cabo feito com nanotubos de carbono perfeitos, o protótipo criado pelos cientistas apresenta a mesma eficiência de um cabo de cobre da mesma espessura - mas pesa 6 vezes menos.

A condutividade específica - a proporção condutividade/peso - do cabo supera metais como o cobre e a prata, perdendo apenas para o elemento com condutividade específica mais elevada que existe, o sódio.

Mesmo havendo muito espaço para melhorias, isto torna o cabo de nanotubos adequado para várias aplicações onde o peso é um elemento importante, como no interior de carros, aviões e satélites artificiais.

O protótipo possui apenas alguns centímetros de comprimento e foi usado para alimentar uma lâmpada.

O próximo passo dos pesquisadores será aprimorar o processo de "tecelagem" dos nanotubos para criar cabos mais longos e mais grossos.

Bibliografia:

Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals
Yao Zhao, Jinquan Wei, Robert Vajtai, Pulickel M. Ajayan, Enrique V. Barrera
Nature Physics
06 September 2011
Vol.: 1, Article number: 83
DOI: 10.1038/srep00083