Baterias mais eficientes (será verdade?)


University of Miami

Físico da Universidade e Miami desenvolve uma bateria que usa uma nova fonte de energia

Sua descoberta é uma “prova de conceito” da existência de uma “bateria de spin”

IMAGEM: No alto, uma representação gráfica da estrutura geral do dispositivo. O diâmetro é aproximadamente o mesmo de um fio de cabelo humano. Abaixo, uma imagem ampliada da parte central.
Clique aqui para ver a imagem ampliada.

CORAL GABLES, Flórida. (1 de março de 2009) — Pesquisadores da Universidade de Miami e das Universidades de Tóquio e Tohoku, Japão, conseguiram provar a existência de uma “bateria de spin”, uma bateria que é carregada mediante a aplicação de um grande campo magnético a nano-magnetos em um dispositivo chamado de junção de túnel magnético (magnetic tunnel junction = MTJ). A nova tecnologia é um passo no sentido da criação de discos rígidos de computadores sem partes móveis, que seriam muito mais rápidos, mais baratos e com menor consumo de energia do que os atuais. No futuro, a nova bateria pode ser desenvolvida para energizar automóveis. O estudo será publicado em uma futura edição da Nature e está disponível em uma edição prévia online.

O dispositivo criado pelo físico da Universidade de Miami Stewart E. Barnes, do Colégio de Artes e Ciências, e seus colaboradores, pode armazenar energia em magnetos, em lugar de reações químicas. Tal como dar corda em um carrinho de brinquedo, se “dá corda” na bateria de spin mediante a aplicação de um grande campo magnético — nenhuma reação química envolvida. O dispositivo, alega Barnes, é potencialmente melhor do que qualquer coisa conhecida até então.

“Nós tínhamos antecipado o efeito, porém o dispositivo produziu uma voltagem mais de cem vezes maior e por dezenas de minutos, em lugar dos milissegundos que esperávamos”, explicou Barnes. “O fato de isso ser contra-intuitivo é o que levou a nossa compreensão teórica do que estava acontecendo”.

O segredo por trás dessa tecnologia é o emprego de nano-magnetos para induzir uma força eletromotriz. Ela usa o mesmo princípio de uma bateria convencional, exceto por ser de maneira mais direta. A energia armazenada em uma bateria, seja em um iPod ou em um automóvel elétrico, fica na forma de energia química. Quando algo é ligado, ocorre uma reação química que produz energia elétrica. A nova tecnologia converte a energia magnética diretamente em energia elétrica, sem uma reação química. A corrente elétrica produzida neste processo é chamada de corrente de spin polarizado e é empregada em uma nova tecnologia chamada de spintrônica.

A nova descoberta melhora nossa compreensão sobre como funcionam os magnetos e sua aplicação mais imediata é empregar as MTJs como elementos eletrônicos que trabalham de maneira diferente dos transistores tradicionais. Embora o dispositivo verdadeiro tenha o diâmetro de um fio de cabelo humano e não consiga sequer alimentar um LED, a energia que pode ser armazenada desta forma pode, potencialmente, alimentar um automóvel por muitos quilômetros. Segundo Barnes, as possibilidades são ilimitadas.

“Existem magnetos escondidos em várias coisas; por exemplo, existem vários deles em um telefone celular, vários em um automóvel e são eles que mantém seu refrigerador fechado”, Barnes prossegue. “Eles são tantos que mesmo uma pequena mudança na maneira que compreendemos como eles funcionam e que possa levar a um melhoramento muito pequeno em máquinas futuras, têm um impacto em termos energéticos e financeiros significativo”.

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O artigo está disponível em: http://www.nature.com/nature/index.html, em “Advance Online Publication”.

“Por Dentro da Ciência” do Instituto Americano de Física (2/12/08)

Photobucket
2 de dezembro de 2008

Cientistas Desenvolvem a Embalagem Perfeita

Uma nova espécie de carbono fornece um novo tipo de invólucro

Por Phillip F. Schewe
Colaborador do ISNS

Contêineres a prova de vazamentos de ar não são sempre tão herméticos. Com qualquer criança vai descobrir no dia seguinte ao da festa de aniversário, mesmo um balão de hélio com a boca bem apertada vai vazar o gás nele contido, ao longo de muitas horas. Agora os cientistas apareceram com uma barreira soberbamente eficiente que não deixa coisa alguma penetrar ou escapar.

O novo tipo de material de embalagem é feito de grafeno, um tecido natural de carbono com um só átomo de espessura, tão fino que as finas folhas de grafeno só pode ser visto através de um microscópio.

Um parente próximo e mais familiar de tipo de carbono, a grafite, é usada em lápis. No nível microscópico, a grafite consiste de bilhões de folhas de átomos de carbono bidimensionais. O fato dessas folhas serem fracamente ligadas entre si, é o que faz a grafite ser um lubrificante tão bom. O grafeno é o que se obtém quando se pega as camadas da grafite, uma de cada vez. Pequenas fatias de grafeno — imagine uma tela de galinheiro feita de átomos de carbono — foram descobertas somente há alguns anos, quando físicos as extraíram de um pedaço de grafite.

Agora, por causa das interessantes propriedades do grafeno — como, por exemplo, o fato de que os elétrons fluem por ele sem perder muita energia — ele se tornou um assunto “quente” entre os físicos. Uma das propriedades mais imprerssionantes é sua força mecânica, surpreendente, já que é um material tão fino.

Tanto experiências em laboratório, como simulações realizadas com computadores, agora demonstraram que folhas de grafeno podem suportar altas pressões e funcionar como contêineres ideais, e os físicos da Universidade de Antuérpia, na Bélgica, estudaram como folhas de grafeno podem manter gases dentro de um pequeno balão.

Se um átomo qualquer será capaz de escapar de uma sacola nanoscópica, este seria um átomo de hélio, o segundo elemento mais leve no universo, que tem propriedades que o tornam difícil de prender. Porém, de acordo com o pesquisador de Antuérpia Ortwin Leenaerts, até o hélio é incapaz de escapar de seu envoltório atomicamente fino. Ele e seus colegas publicaram suas descobertas na revista Applied Physics Letters.

Uma experiência na Universidade Cornell, em Ithaca, New York, no laboratório de Harold Craighead, com uma folha de grafeno esticada sobre uma pequena garrafa contendo gás, demonstrou que até gás sob alta pressão fica retido. O trabalho da equipe de Craighead foi publicado em Nano Letters. [Nota do tradutor: o press-release foi traduzido e publicado aqui, em 23 de setembro. Vide: “Balão Mágico”]

Leenaerts diz que o grafeno, além de suas propriedades elétricas, pode contribuir para várias aplicações nanotecnológicas. Os examplos incluem minúsculos sensores de pressãop: dependendo da pressão de um gás em uma pequena garrafa, a “rolha” de grafeno iria vibrar em freqüências características. Um pedacinho de grafeno poderia servir como nanoressonador: preso de dois lados, o grafeno vibraria em freqüências de rádio. Se poderia enviar um sinal elétrico, fazendo o grafeno funcionar como uma minúscula antena de rádio. O grafeno poderia ser até usado como uma membrana artificial. Moldado em algo parecido com uma célula artificial, o grafeno poderia conter medicamentos para serem lançados dentro do corpo.


Este texto é fornecido para a media pelo Inside Science News Service, que é apoiado pelo Instituto Americano de Física (American Institute of Physics), uma editora sem fins lucrativos de periódicos de ciência. Contatos: Jim Dawson, editor de notícias, em [email protected].

Você faxinou sua casa hoje?…


Via EurekAlert:
National Institute of Standards and Technology (NIST)

Nanopartículas pela casa: Mais e menores do que as anteriormente detectadas



A pesquisadora do NIST Cynthia Howard Reed e o pesquisador convidado Lance Wallace medem as nanopartículas emitidas por aparelhos domésticos comuns. As novas experiências podem medir partículas ultra-finas de até 2 nm.
Crédito: NIST


Partículas extremamente pequenas, na escala de nanômetros, são emitidas por aparelhos domésticos (principalmente os de cozinha) em quantidades abundantes, muito maiores do que as das nanopartículas maiores, detectadas anteriormente — revelam os pesquisadores do National Institute of Standards and Technology (NIST). As assim chamadas “partículas utra-finas” (“ultrafine particles” = UFP) variam de 2 a 10 nanômteros. Elas são emitidas por veículos motorizados e várias fontes domésticas, e começaram a atrair a atenção por causa de indícios crescentes de que podem causar doenças respiratórias e cardiovasculares.

Os pesquisadores do NIST realizaram uma série de 150 experiências, usando fornos a gás e elétricos, e torradeiras para estabelecer seus impactos no nível doméstico de nanopartículas. Estudos anteriores ficaram limitados a medir partículas com diâmetros maiores do que 10 nm, porém a nova tecnologia usada nas atuais experiências permitiu aos pesquisadores detectar partículas de até 2 nm — aproximadamente 10 vezes o tamanho de um átomo grande.

Esta faixa inexplorada entre os 10 e 2 nm contribuiu com mais de 90% de todas as partículas produzidas pelos tostadores a gás e elétricos abertos. Os fornos a gás e elétrico e a torradeira produziram a maior parte das UFP na faixa entre 10nm e 30nm.

O resultado dos testes deve afetar futuros estudos sobre a exposição de pessoas a partículas associadas a efeitos na saúde, principalmente porque a exposição a essas UFP no ambiente doméstico pode ser freqüentemente maior do que a exposição às mesmas em ambientes abertos.

Os pesquisadores vão continuar a pesquisar a produção de UFP por fontes domésticas. Muitos pequenos aparelhos domésticos, tais como secadores de cabelos, ferros a vapor e ferramentas elétricas, incluem elementos aquecedores que podem produzir UFP. As pessoas freqüentemente usam esses pequenos aparelhos a curtas distâncias por períodos relativamente longos, de forma que a exposição pode ser grande, mesmo que as emissões sejam baixas.

As experiências foram realizadas em uma casa-para-experiências com três dormitórios, construída no NIST e equipada para medir taxas de ventilação, condições ambientes e concentrações de substâncias contaminantes.

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Artigo: L. Wallace, F. Wang, C. Howard-Reed and A. Persily. “Contribution of gas and electric stoves to residential ultrafine particle concentrations between 2 and 64 nm: Size distributions and emission and coagulation rates”. Environmental Science and Technology, DOI 10.1021/es801402v, publicado online em 30/10/2008.

Physics News Update nº 876

POR DENTRO DA PESQUISA CIENTÍFICA — PHYSICS NEWS UPDATE
O Boletim de notícias sobre pesquisas do Instituto Americano de Física, nº 876 de 23 de outubro de 2008.    www.aip.org/pnu
USANDO A LUZ SOLAR DE MANEIRA MAIS EFICIENTE.

Pesquisadores no Laboratório Nacional de Energia Renovável (National Renewable Energy Laboratory = NREL) em Golden, Colorado, desenvolveram uma maneira para que as células solares de baixo custo convertam a luz solar em eletricidade de maneira mais eficiente. A pesquisa, que aumenta a “vida útil” dos elétrons criados em uma célula solar, de forma a que eles possam produzir mais eletricidade, é um possível passo na direção de diminuir o custo relativamente alto das células solares. Reduzir os custos enquanto se mantém a eficiência é o principal fator para determinar quando a energia solar vai se tornar uma fonte de destaque no negócio de geração de energia.

Em geral, se pode ter boa eficiência ou baixo custo, mas não ambos. A eficiência se refere à fração da energia solar que incide sobre o painel, que realmente acaba convertida em eletricidade utilizável. E o custo se refere às despesas na produção em massa dos painéis em grandes folhas. Células solares já são usadas em mercados restritos, tais como geração de energia para sensores remotos ou naves espaciais. e vêm sendo cada vez mais empregados em aplicações domésticas e em aparelhos.

A maior parte dessas células solares são feitas de cristais de silício. Mas para que haja uma adoção em larga escala, o preço tem que diminuir. Atualmente, o custo do quilowatt-hora para a energia elétrica gerada por luz solar é várias vezes maior do que o custo de produzir a mesma energia com a queima de combustíveis fósseis.  As células solares imitam a natureza na maneira com que convertem a energia solar em energia útil. Em uma folha verde, por exemplo, a luz solar incidente libera um elétron em uma molécula de clorofila. O elétron (e sua energia) são passados adiante pela molécula, eventualmente sendo incorporado na construção de moléculas maiores, tais como um carboidrato. Em uma célula solar, a luz solar incidente libera um elétron de um pedaço de semicondutor. Esse elétron “excitado”, se permanecer excitado, pode ser incorporado em uma corrente elétrica que alimenta um circuito externo, onde ele pode ser encaminhado a uma bateria ou à rede elétrica. Quanto maior for o tempo de vida do elétron excitado, maior será a eficiência da célula solar. Infelizmente, os elétrons tendem a perder energia quando encontram um defeito ou uma fronteira nos cristais que constituem a célula solar.

Até agora, para obter uma maior vida útil em estado excitado e obter maior eficiência, as células solares tinham que ser feitas de materiais cristalinos mais caros, tais como silício e arseniato de gálio. Essas células solares precisam de um processamento complexo para serem construídas e esses custos não parecem ter meios de serem reduzidos. Enquanto isso, células solares mais baratas, feitas de finas camadas de materiais multi-cristalinos, tais como compostos feitos de átomos de cobre, irídio, gálio e selênio (CIGS), não são nem de perto tão eficientes.

A pesquisa se focalizou em aumentar a vida útil dos elétrons em células solares feitos de multi-cristalinos CIGS, e no artigo sobre a pesquisa, os cientistas do NREL Wyatt Metzger, Ingrid Repins e Miguel Contreras anunciaram que conseguiram uma vida útil para os elétrons de 250 bilionésimos de segundo.  Isso não soa como um tempo longo, mas é longo o bastante para que mais elétrons contribuam para a eletricidade da célula, tornando-a dramaticamente mais eficiente, embora ainda barata em comparação com as células solares de alta eficiência feitas de silício. Os resultados foram recentemente publicados em Applied Physics Letters.  (Phillip F. Schewe)

FEIXES “BUCKY”.

Uma vez que os manufatores de nanochips tenham feito suas estruturas multi-camadas, é necessário que eles também verifiquem precisamente se as camadas estão dispostas da maneira adequada.. Uma maneira de o fazer é disparar feixes de íons que, como meteoritos que atingem a Lua, ejetem o material que está por baixo, dando as informações sobre as camadas abaixo da superfície. O material ejetado é analisado por espectrometria de massa. Parece que para fazer isso, moléculas grandes ou aglomerados de átomos funcionam melhor do que íons de um único átomo, uma vez que os aglomerados podem escavar mais claramente e fornecer sinais sem ambiguidade da estrutura profunda da amostra que está sendo imageada. O laboratório de Nick Winograd ([email protected]) da Universidade Penn State foi a pioneira no uso de feixes de moléculas de carbono-60 (buckyballs).  (Veja este site para imagens que ilustram a diferença entre a sondagem feita com feixes de átomos isolados e com C60: http://nxw.chem.psu.edu/nxw/pdf%5C327.pdf). .  Recentemente,  Winograd e seus estudantes aumentaram muito a sensibilidade da detecção do material ejetado, usando um laser infravermelho para fotopolarização, antes da análise pelo espectrômetro de massa. O laser infravermelho é eficaz porque os elétrons podem ser retirados das moléculas com alta eficiência, através de tunelamento e sem uma fotofragmentação significativa. (Resultados apresentados nesta semana no encontro da  AVS em Boston,  http://www.avssymposium.org/overview.asp, Artigo AS-TuM10)

CAPTURAR MOLÉCULAS ISOLADAS,

a temperatura ambiente e estudar suas propriedades, foi o que conseguiu Adam Cohen e seus colegas em Harvard.  Isolar uma molécula de cada vez já é difícil em temperaturas baixas, e mais ainda em temperaturas mais altas, onde as moléculas ficam mais agitadas. O feito foi realizado com o emprego de uma armadilha anti-browniana eletrocinética (Anti-Brownian Electrokinetic (ABEL). Neste dispositivo, a molécula rotulada com uma fosforescência é seguida por um microscópio e fluorescência e seu movimento instantâneo é freado mediante a aplicação, cuidadosamente temporizada, de pequenos pulsos elétricos, aplicados por a eletrodos que circundam a amostra. Na verdade, os eletrodos são mantidos a alguma distância da molécula, que é o melhor para não poluir o ambiente aquoso com efeitos químicos.

Os chutes eletrônicos são dados na molécula ao longo de micro-canais em um chip subjacente. Quanto mais rápido este processo puder ser aplicado, melhor será a captura. Uma armadilha ABEL pode segurar uma amostra menor, à temperatura ambiente, melhor do que qualquer outro tipo de armadilha. Para prender uma molécula ao mesmo diminuto volume de solução com um feixe de laser somente, precisa de uma enorme quantidade de energia, e isso iria “cozinhar” o objeto, mais do que aprisioná-lo. A armadilha ABEL é suave e precisa de meros microwatts de potência laser.  Cohen ([email protected]) discorreu acerca da aplicação deste processo para a dinâmica de proteínas de membranas no encontro da AVS desta semana.  (http://www.avssymposium.org/overview.aspwebsite de Cohen: https://www2.lsdiv.harvard.edu/labs/cohen/ Artigo IPF-MoM1 )

CORREÇÃO: No PNU nº 875, o trabalho de Jun Ye foi incorretamente chamado de o melhor relógio atômico do mundo. De fato, o relógio de estrôncio de Ye é um dos mais precisos jamais produzidos. Ele é o melhor relógio atômico neutro, porém os dois relógios iônicos do NIST (mercúrio e alumínio) são melhores.
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PHYSICS NEWS UPDATE é um apanhado de notícias vindas de congressos de física, publicações diversas de física e outras fontes de notícias. É distribuído de graça como um meio de disseminar informações sobre a física e os físicos. Por isso sua divulgação é livre, desde que devidamente concedido o crédito à Associação Americana de Física. Physics News Update é publicado mais ou menos uma vez por semana.

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Como divulgado no numero anterior, este boletim é traduzido por um curioso, com um domínio apenas razoável de inglês e menos ainda de física. Correções são bem-vindas.

“Por dentro da ciência” do Instituto Americano de Física (10/10/08)

Inside Science News Service

10 de outubro de 2008
Cientistas Criam Moléculas Ultra-Frias
Aprendendo mais acerca das moléculas, pondo-as em armazenagem profunda
Por Phillip F. Schewe
Inside Science News Service

Os cientistas conseguiram, pela primeira vez, um tipo de “química artificial”, mantendo juntos com sucesso átomos em temperaturas extremamente baixas, por um período de tempo recorde. Anteriormente, as tentativas de manter os átomos juntos só tinha resultado em moléculas de curta vida e fracamente ligadas. Essas são boas notícias para os cientistas que esperam obter um maior controle sobre as reações químicas básicas e para os que querem construir um novo tipo de computador, um baseado no misterioso comportamento quântico.

O que é melhor, as moléculas ultra-frias foram produzidas em dois diferentes laboratórios, um no consórcio JILA do National Institute of Standards and Technology (NIST) e da Universidade do Colorado em  Boulder, e outra na Universidade de Innsbruck na Áustria. Os resultados do NIST foram publicados em uma edição recente da revista Science, enquanto que os resultados de Innsbruck apareceram na Physical Review Letters.

Os átomos são os constituintes básicos da matéria comum, porém em nosso dia-a-dia a maior parte das coisas — plásticos, água, ar, até nossos corpos — são feitos de moléculas, combinações de dois ou mais átomos, de forma que é importante estudá-las também. Para realizar os estudos, os físicos prendem as partículas em um recipiente muito pequeno e as resfriam até temperaturas muito baixas. Isso é relativamente fácil de fazer com átomos, mas difícil de fazer com moléculas. Isto porque as moléculas, que têm várias partes constituintes, se retorcem em combinações complexas de rotação e vibração. Elas também podem se romper e são difíceis de serem isoladas, uma de cada vez.

As experiências mostraram que as moléculas, cada uma composta por dois átomos, se mantém unidas por mais tempo do que nas experiências anteriores e com uma densidade maior, o que permite que elas sejam estudadas mais detalhadamente. Nas experiências anteriores também se conseguia moléculas frias, porém o processo só produzia moléculas fracamente unidas que rapidamente se rompiam. Além disso, a nova pesquisa converte átomos em moléculas de maneira mais eficiente, com até 90% de sucesso.

Os cientistas recorrem a moléculas ultra-frias e ultra-lentas porque uma molécula em repouso provavelmente vai se comportar mais de acordo com as regras quânticas usadas nos atuais produtos eletrônicos mais rápidos. O truque aqui é primeiro esfriar átomos isolados e então convertê-los em moléculas igualmente frias, juntando os átomos com o emprego conjunto de pulsos de laser e forças magnéticas. As moléculas são tão frias que ficam praticamente em repouso, um estado onde não apresentam vibração, nem rotação.

Medições realizadas em uma molécula em repouso saem mais nítidas do que as feitas em uma molécula se retorcendo. A temperatura usada foi de uns poucos bilionésimos de grau acima do zero absoluto (a menor temperatura possível) ou cerca de -273ºC. Isso está na faixa das temperaturas mais baixas encontradas no Sistema Solar. Até o espaço entre os planetas é mais quente do que o dispositivo-armadilha desses laboratórios.

Na experiência de Innsbruck, os átomos a serem resfriados não são deixados ao léu, como em um gás; ao contrário, são fixados em localizações pré-definidas como em um tabuleiro de xadrez microscópico tridimensional. Esse confinamento especial, realizado com feixes de laser que gentilmente impedem que os átomos se mexam, cria uma arranjo de átomos que flutuam no meio do ar, um tipo de material diluído artificial chamado de grade óptica. Na verdade, os feixes de laser entrecruzados são dispostos de tal maneira que dois átomos (do elemento rubídio) ficam em cada “casa” do “tabuleiro de xadrez”. Uma outra forma de visualizar a disposição espacial dos átomos é pensar neles como alojados nos receptáculos de uma bandeja de ovos. Então, aplicando-se campos magnéticos adicionais, o par de átomos leva um empurrão para se tornar uma molécula.

O físico de Innsbruck Johannes Denschlag gosta de pensar em cada ponto da grade como um “nano-tubo-de-ensaio”, uma zona minúscula menor do que um milionésimo de metro (um micrômetro) de dimensões, onde as reações químicas podem acontecer com poucos átomos de cada vez.  Não só isso, como também a reação pode ser completamente controlada e a força da interação pode ser ajustada. Na experiência de Innsbruck as moléculas se comportaram como minúsculos magnetos. E isso dá aos pesquisadores um outro processo (com o uso de pequenos magnetos nas proximidades) para controlar a química ao nível de átomos.

As moléculas usadas na experiência de Boulder eram feitas de um átomo de potássio, unido a um átomo de rubídio. Muito embora essa molécula seja, no total, eletricamente neutra, uma pequena carga negativa tende a se acumular em uma extremidade da molécula, enquanto se forma uma pequena carga positiva na outra. Esse arranjo é conhecido como um dipolo elétrico. Os exemplos comuns de tais moléculas “polares” incluem a água, feita de dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. Moléculas polares, que têm sua diminuta separação de cargas, podem ser controladas por pequenos eletrodos nas proximidades. Por isso, as moléculas polares aparecem em componentes tais como mostradores de relógios de pulso e televisores.

Na experiência de Boulder, as moléculas ultra-frias foram produzidas no mais baixo e mais estável dos possíveis estados de energia. Neste estado, as moléculas ficam enclausuradas em alta densidade. Como as moléculas são polares, os cientistas podem controlá-las com eletrodos e, talvez, até codificar informações nas moléculas. E, uma vez que as moléculas estão tão próximas entre si, uma meta importante será a realização de atividades de micro-processamento, deixando que as moléculas interajam entre si de maneira controlável. Isso, por sua vez, ajudaria a tornar possível um computador quântico na escala nanoscópica, capaz de realizar certos cálculos, tais como buscas em grandes bases de dados ou na fatoração de grandes números, muito mais rápido do que os computadores digitais convencionais.

Um dos cientistas de Boulder, Jun Ye, diz que o controle, sem precedentes, sobre as moléculas pode também permitir o desenvolvimento de controles de tempo melhores do que os atuais relógios atômicos. Neste mesmo ano Ye já tinha participado da fabricação do relógio mais preciso jamais produzido.

Este texto é fornecido para a media pelo Inside Science News Service, que é apoiado pelo Instituto Americano de Física (American Institute of Physics), uma editora sem fins lucrativos de periódicos de ciência. Contatos: Jim Dawson, editor de notícias, em [email protected].

Bio-baterias

Via EurekAlert:
National Institute of Standards and Technology (NIST)

Modelos de células de poraquês sugerem possibilidades “eletrizantes”



Anatomia do poraquê: O primeiro detalhe mostra as pilhas de eletrócitos, células ligadas em série (para aumentar a voltagem) e em paralelo (para aumentar a corrente).O segundo detalhe mostra uma célula individual com canais e “bombas” percolando a membrana. O modelo Yale/NIST representa o comportamento de várias dessas células. O último detalhe mostra um canal de íons uma das peças de montagem do modelo. (Crédito da ilustração: Daniel Zukowski, Yale University)


Os engenheiros sabem há muito tempo que grandes idéias podem ser tiradas de Mamãe Natureza, mas um novo artigo* preparado por pesquisadores da Universidade Yale e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (National Institute of Standards and Technology = NIST) levam a coisa ao nível celular. Com a aplicação de modernas ferramentas de projeto a uma das unidades básicas da vida, eles argumentam que podem ser produzidas células artificiais que não só reproduzem, como de fato melhoram o desempenho das células elétricas dos poraquês. Versões artificiais das células que geram a eletricidade no poraquê podem ser desenvolvidas para se tornarem fontes de energia para implantes médicos e outros dispositivos pequenos, é o que eles dizem.
O artigo, de acordo com o engenheiro do NIST David LaVan, é um exemplo do relativamente novo campo da biologia de sistemas. “Será que entendemos como uma célula produz eletricidade bem o suficiente para projetar uma — e aperfeiçoar o projeto?”, pergunta ele.
Os poraquês canalizam a energia gerada por milhares de células especializadas, chamadas eletrócitos, até gerar potenciais elétricos da ordem de 600 Volts, de acordo com os biólogos. O mecanismo é similar ao das células dos nervos. A chegada de um sinal químico dispara a abertura de canais altamente seletivos na membrana de um célula, fazendo com que íons de sódio fluam para dentro e íons de potássio fluam para fora. A troca de íons aumenta a voltagem ao longo da membrana, o que causa a abertura de mais canais ainda. A partir de um certo ponto, o processo passa a ser auto-alimentado, resultando em um pulso elétrico que atravessa a célula. Os canais então se fecham e passagens alternativas se abrem para “bombear” os íons de volta a suas concentrações iniciais, durante o estado de “repouso”.
No total, de acordo com LaVan, existem ao menos sete diferentes tipos de canais, cada um com várias possíveis variáveis para manipular, tais como sua densidade na membrana. Células de nervos, que transportam informação em lugar de energia, podem disparar rapidamente mas com uma energia relativamente pequena. Os electrócitos têm um ciclo mais lento, mas liberam mais energia por períodos maiores. LaVan e seu companheiro Jian Xu desenvolveram um complexo modelo numérico para representar a conversão da concentração de íons em impulsos elétricos e o testaram comparando com dados anteriormente publicados sobre eletrócitos e células de nervos para verificar sua precisão. A partir disso, consideraram como otimizar o sistema para maximizar a vazão de energia, através da modificação geral dos tipos de canais.
Seus cálculos mostram que são possíveis melhoramentos substanciais. Um projeto de célula artificial pode gerar mais do que 40% de energia a mais, em um único pulso, do que um eletrócito natural. Outro, poderia produzir valores de pico mais do que 28% maiores. Em princípio, dizem os autores, camadas empilhadas de células artificiais em um cubo ligeiramente maior do que 4 mm de aresta são capazes de produzir um fluxo de corrente contínuo de cerca de 300 microWatts para ativar pequenos dispositivos implantados. As fabricações dos componentes individuais de tais células artificiais — inclusive um par de membranas artificiais separados por uma camada isolante e canais de íons, que podem ser criados pela engenharia sobre proteínas  — já foram demonstrados por outros pesquisadores. Tal como em sua contraparte natural, a fonte de energia para as células seria do trifosfato de adenosina (ATP), sintetizado a partir dos açúcares e gorduras do corpo, com o uso de bactérias ou mitocôndrias específicas.

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* J. Xu e D.A. LaVan. “Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient”. Nature Nanotechnology, publicado online em 21 de setembro de 2008.

Nano cargueiros

University of California – San Diego

Pesquisadores desenvolvem “nano navios cargueiros”para atingir e destruir tumores



O estudante de pós-graduação da UCSD, Ji-Ho Park, segura um frasco que contém os navios cargueiros nanométricos, compostos de uma nano-partícula magnética, um ponto quântico fluorescente e uma molécula de droga anti-câncer que serão “desembarcados” no local do tumor.Foto de Luo Gu, UCSD.


Cientistas desenvolveram “navios cargueiros” nanométricos que podem navegar pelo corpo através da corrente sanguínea sem atrair a detecção imediata dos “radares imunológicos” do corpo e transportar sua carga de drogas anti-câncer e sinalizadores até tumores que poderiam, de outra forma, continuar sem tratamento ou mesmo passarem despercebidos.

Em um artigo a ser publicado no periódico alemão de química Angewandte Chemie, cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego, Universidade da Califórnia em Santa Barbara e do Massachusetts Institute of Technology relatam que seu sistema de nano-navios-cargueiros integram as funções terapêutica e diagnóstica em um único dispositivo que evita uma rápida neutralização pelo sistema imunológico natural do corpo. O artigo está acessível em uma versão antecipada online em: http://www3.interscience.wiley.com/journal/121376053/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0

“A idéia é encapsular agentes de imageamento e drogas em uma “nave mãe” protetora que consiga se evadir dos processos que, normalmente, eliminariam suas “cargas” se estas estivessem desprotegidas”, diz Michael Sailor, professor de química e bioquímica na UCSD que capitaneou a equipe de químicos, biólogos e engenheiros que transformaram o poético conceito em realidade. “Estas naves mães têm somente 50 nanômetros de diâmetro, ou seja: 1.000 vezes menores do que o diâmetro de um fio de cabelo humano, e são equipadas com um dispositivo de moléculas em suas superfícies que as torna capazes de encontrar e penetrar em células cancerosas no corpo”.



Um frasco com nano navios de drogas anti-câncer brilha em vermelho sob uma luz negra. As partículas brilham em vermelho porque contém nanopartículas fluorescentes tipo “ponto quântico”.
Foto de Luo Gu, UCSD

Esses navios cargueiros microscópicos podem, um dia, fornecerem os meios para enviar com maior eficiência drogas tóxicas para tumores em altas concentrações, sem causar impactos negativos em outras partes do corpo.

“Muitas drogas parecem promissoras no laboratório, porém falham quando usadas em pessoas porque não alcançam o tecido doente a tempo ou em concentrações suficientemente altas para serem eficazes”, diz Sangeeta Bhatia, um médico, bioengenheiro e professor de Ciência e Tecnologia de Saúde no MIT que desempenhou um papel chave no desenvolvimento. “Essas drogas não têm a capacidade de evitar as defesas naturais do corpo ou de distinguir entre seus alvos e os tecidos sadios. Além disso, nós não dispomos de ferramentas para detectar doenças como o câncer nos estágios mais iniciais de seu desenvolvimento, que é quando as terapias podem ser mais eficazes”.

Os pesquisadores projetaram o casco dos navios para despistarem o sistema imunológico, construindo-os com lipídios especialmente modificados — um componente primário da superfície das células naturais. Os lipídios foram modificados de maneira tal que lhes permita circular pela corrente sanguínea por muitas horas, antes de serem eliminados. Isto foi demonstrado pelos pesquisadores em uma série de experiências com ratos.



Os navios de carga nanométricos se parecem com um coração de noz com cobertura de chocolate, no qual um lipídio biocompatível faz as vezes da cobertura de chocolate e as nano-partículas magnéticas e a droga doxorubicina são o coração da noz.
Foto: Ji-Ho Park, UCSD


Os pesquisadores também projetaram o material do casco para ser suficientemente forte para impedir a liberação acidental de sua carga durante a circulação na corrente sanguínea. Presa à superfície do casco, fica uma proteína chamada F3, uma molécula que gruda em células cancerosas. Preparada no laboratório de Erkki Ruoslahti, um biólogo celular e professor do Burnham Institute for Medical Research na UC Santa Barbara, a F3 foi projetada para especificamente mirar na superfície de células cancerosas e, daí, se transportar para dentro de seus núcleos.

“Agora estamos construindo a próxima geração de nano-dispositivos de busca ativa de tumores”, disse Ruoslahti. “Esperamos que esses dispositivos melhorem o imageamento diagnóstico do câncer e permita estabelecer com precisão os alvos dos tratamentos nos tumores cancerosos”.

Os pesquisadores carregaram seus navios com três cargas, antes de injetá-los em ratos. Dois tipos de nano-partículas: óxido de ferro superparamagnético e pontos quânticos fluorescentes, forma colocados no porão de carga do navio, juntamente com a droga anti-câncer doxorubicina. As nano-partículas de óxido do ferro permitem que o navio apareça em um imageamento por Ressonância Magnética (MRI), enquanto os pontos quânticos podem ser vistos com outra ferramenta de imageamento, um escâner de fluorescência.

“O imageamento por fluorescência dá uma resolução de imagem maior do que a MRI,” diz Sailor. “Se pode imaginar um cirurgião identificando a localização específica de um tumor no corpo, antes da cirurgia, com uma MRI e, então, usando um imageamento por fluorescência para achar e remover todas as partes do tumor durante a operação”.

A equipe, com surpresa, descobriu em suas experiências que uma mesma nave mãe pode transportar várias nano-partículas de óxido de ferro, o que aumenta seu brilho durante um MRI.

“A capacidade dessas nano-estruturas em carregar mais de uma nano-partícula de material superparamagnético as torna mais fáceis de ver com MRI, o que se pode traduzir em uma detecção mais precoce de tumores menores”. diz Sailor. “O fato de que as naves podem carregar cargas altamente diferentes — uma nano-partícula magnética, um ponto quântico fluorescente e uma pequena molécula de droga — foi uma surpresa real”.

Os pesquisadores observaram que a construção desses assim chamados “nano-sistemas híbridos” que contém vários tipos diferentes de nano-partículas, está sendo explorado por diversos outros grupos de pesquisa. Embora esses híbridos tenham sido empregados em várias aplicações em laboratório fora de sistemas vivos, disse Sailor, eles são limitados as estudos in vivo, ou dentro de organismos vivos, particularmente para imageamento e terapia de câncer.

“Isto se deve à pequena estabilidade e dos curtos tempos de circulação dentro do sangue, normalmente observados para essas nano-estruturas mais complexas”, acrescenta ele. Por isso, este último estudo é original de uma forma importante.

“O presente estudo é o primeiro exemplo de um único nano-material sendo usado simultaneamente para transporte de drogas e imageamento multimodal de tecidos doentes em um animal vivo”, dise Ji-Ho Park, um estudante de pós-graduação do laboratório de Sailor que fez parte da equipe. Geoffrey von Maltzahn, um estudante de pós-graduação que trabalhou no laboratório de Bhatia, tabé esteve envolvido no projeto que foi financiado pelo National Cancer Institute do National Institutes of Health.

As nano naves mães se parecem com um coração de noz coberto com uma camada de chocolate, no qual um lipídio biocompatível forma a camada de chocolate e as nano-partículas magnéticas, os pontos quânticos e as moléculas da droga doxorubicina são o coração da noz. Elas navegam através da corrente sanguínea em grupos que, vistos com um microscópio eletrônico, se parecem com cordões de pérolas rompidos.

Os pesquisadores estão agora trabalhando no desenvolvimento de maneiras para dar um tratamento no casco exterior das nano naves com “CEPs” específicos, que lhes permita chegarem a tumores, órgãos e outros “endereços” específicos no corpo.

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Filme disponível em: http://luminance.ucsd.edu/video/nanoships.mov

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Eu me pergunto o quanto dessa alegoria com “navios cargueiros” não vem do nome do pesquisador-chefe… Se ele se chamasse “Pilot”, certamente estaríamos falando em “aviões de bombardeio”…

O cobertor ecológico é curto…

Via EurekAlert, uma notícia que remete àquela onde se constata que a água potável contém traços de antibióticos e outras poluições:

University of Missouri-Columbia
Tecnologia demais pode estar matando bactérias benéficas
Engenheiro da UM preocupado com o impacto ambiental de nanopartículas de Prata no tratamento de águas servidas
COLUMBIA, Mo. – Um excesso de uma coisa boa pode ser prejudicial ao meio-ambiente. Por muitos anos, os cientistas souberam da capacidade da Prata de matar bactérias prejudiciais e, recentemente, usaram este conhecimento para criar produtos de consumo que contém nanopartículas de Prata. Agora, um pesquisador da Universidade do Missouri descobriu que as nanopartículas de Prata também podem destruir bactérias benignas que são usadas para remover Amônia em sistemas de tratamento de águas servidas. O estudo foi patrocinado por recursos da National Science Foundation.
Diversos produtos contendo nanopatículas de Prata já estão no mercado, inclusive meias que contém nanopartículas de Prata projetadas para inibir bactérias causadoras de chulé, e máquinas de lavar “high-tech”, economizadoras de energia, que desinfetam roupas gerando as pequenas partículas. Os efeitos positivos desta tecnologia podem ser ofuscados pelos potenciais efeitos negativos no meio-ambiente.
“Por causa do crescente uso de nanopartículas de Prata em produtos para o consumidor, o risco de que este material seja lançado em canalizações de esgotos, instalações de tratamento de águas servidas e, eventualmente, chegue a rios, correntes e lagos é preocupante”, declarou Zhiqiang Hu, professor assistente de Engenharia Civil e Ambiental na Faculdade de Engenharia da UM. “Nós descobrimos que as nanopartículas de Prata são extremamente tóxicas. As nanopartículas destroem as bactérias benignas que são usadas para o tratamento de águas servidas. Elas basicamente param a atividade de reprodução das boas bactérias”.
Hu disse que as nanopartículas de Prata geram substâncias químicas mais peculiares, conhecidas como espécies de Oxigênio altamente reativas, do que pedaços de Prata maiores. Essas espécies de substâncias químicas oxigenadas provavelmente impedem o crescimento das bactérias. Por exemplo, o uso de “lodo” resultante do tratamento de águas servidas como fertilizante de solos é uma prática comum, de acordo com Hu. Se, neste “lodo”, estiverem presentes altas concentrações de nanopartículas de Prata, o solo usado para agricultura pode ser prejudicado.
Hu está lançando um segundo estudo para estabelecer a que níveis a presença de nanopartículas de Prata se torna tóxica. Ele vai determinar o quanto as nanopartículas de Prata afetam o tratamento de águas servidas, introduzindo o nanomaterial em águas servidas e no lodo. Então, ele vai realizar medições do crescimento microbial para estabelecer os níveis de nanoprata que prejudicam o tratamento de águas servidas e a digestão do lodo.
A Water Environment Research Foundation recentemente concedeu a Hu $150,000 para determinar quando as nanopartículas de Prata começam a prejudicar o tratamento de águas servidas. Hu declarou que as nanopartículas nas águas servidas podem ser melhor gerenciadas e reguladas. Os trabalhos na pesquisa subseqüente devem estar completos até 2010.

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A pesquisa sobre nanopartículas de Prata, realizada por Hu e seu estudante graduado, Okkyoung Choi, foi recentemente publicado em “Water Research and Environmental Science & Technology”.

Bom… Há especulações de que, em parte, as canalizações de chumbo para a água foram responsáveis pela deterioração do Império Romano. Mas alguém aprende algo com a História?…

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