LEDs feitos a partir de lixo orgânico

Inside Science News Service

Transformando sobras de comida em iluminação

A luminescência dos pontos de carbono póde ser vista quando banhados em luz ultravioleta
Crédito: Prashant Sarswat, The University of Utah

Comidas e bebidas podem ser tranformados em pontos quânticos que brilham como LEDs.

Original em inglês publicado em 5 de novembro de 2015.
Por Marcus Woo, Contribuidor do ISNS

(Inside Science) — Pode até ser um TV dinner… Pesquisadores conseguiram transformar pedacinhos de restos de comidas em diodos emissores de luz (LEDs) – esses pequenos dispositivos eletrônicos que emitem luz que compõem a maoir parte das telas de TV atuais.

Aquecendo pedaços de tortillas e pão — e até mesmo de sodas e vapores de carvão, papel e madeiras em brasa — os pesquisadores fizeram pequenas esferas chamadas pontos quânticos de carbono. Esses pontos brilham quando são banhados em luz ultravioleta (UV), o que os torna úteis não só como LEDs, como também para células solares e biomarcadores que permitem aos biólogos observarem a iluminação de células biológicas específicas.

A utilização de sobras de comida pode ser uma forma mais barata e ambientalmente amigável para a fabricação de LEDs de pontos de carbono, argumenta Prashant Sarswat da Universidade de Utah, em Salt Lake City.

Pontos quânticos não são novidade. Na verdade, eles são usados nas mais novas telas de TV. Eles são particularmente adequados para ecrans em geral porque os pontos, muito mais estreitos do que um cabelo humano, podem ser ajustados para brilhar em cores precisas por seus tamanhos; os maiores são vermelhos e os menores são azuis.

O problema é que os pontos quânticos normalmente são feitos com semicondutores tais como seleneto de cádmio que é tóxico. Por isso, nos últimos anos, os pesquisadores vêm desenvolvendo pontos quânticos, empregando o carbono que não é tóxico e nem polui o meio ambiente, e que pode ser encontrado em qualquer tipo de material orgânico – o que incui sobras de comida e o resto daquele seu refrigerante.

Outros usaram métodos similares para transformar comidas e bebidas em pontos de carbono. Por exemplo, foram feitas pesquisas com restos de óleo de frituras, cascas de laranjas e outros cítricos, suco de laranja, leite de soja, borra de café e (anátema!) cerveja. Mas a maioria não deu o passo seguinte e construiu um LED.

Sarswat e Michael Free, também da Universidade de Utah, pegaram em pedacinhos de tortilla e pão, soda e gases de escapamento, adicionaram um solvente e aqueceram a mistura até temperaturas na faixa dos 150 a 250 graus (330 a 450 graus Fahrenheit) entre 30 e 90 minutos. O calor quebra os componentes químicos em pontos de carbono, conforme explica Sarswat. As sodas, uma vez que são substâncias mais simples quase que totalmente compostas por açúcares, sãoas que dão os melhores pontos de carbono.

Fazer um LED não precisa de muita comida ou bebida.

“É esperançoso que algo da ordem de uma lata de refrigerante ou coisa assim poderia dar carbono suficiente para uma pequena tela LED de TV”, disse Free. Os pesquisadores que publicaram recentemente seu trabalho em Physical Chemistry Chemical Physics, querem agora refinar seus processos de forma a ajustarem melhor as cores dos pontos.

“O processo de síntese é muito viável do ponto de vista custo-benefício”, declarou Yogendra Mishra, cientista de materiais na Universidade de Kiel na Alemanha e que não participou dessas pesquisas. “Pode ser facilmente levado à produção em escala industrial”. Comparado com as técnicas atuais de fabricação de pontos de carbono que precisam de fontes de carbono puro, o uso de sobras de comida pode cortar os custos pela metade, acrescentou ele.

No entanto, embora os processos de aquecimento sejam relativamente simples, a química subjacente não é, diz Gary Baker, químico da Universidade de Missouri em Columbia que também não participou da equipe. Recentemente, seu grupo usou urina de pessoas para fabricar pontos de carbono (batizados de “pontos-de-xixi”).

Comidas contém todos os tipos de substâncias químicas e, quando aquecidas, se acaba com uma mixórdia de reações químicas complexas e subprodutos – além dos pontos de carbono que possam se formar. E esses outros pedacinhos de matéria orgânica também brilham. Assim, para isolar os pontos de carbono e realmente compreender suas propriedades e como eles acendem, há que depurar a solução, segundo Baker.

Porém a maioria dos estudos de transformação de comida em pontos de carbono pula esta fase, diz ele.

“Este é o problema com a vasta maioria dos artigos sobre pontos de carbono na literatura”.

Este novo estudo não é uma exceção.

“Se eu for julgar este artigo tal como está redigido”, diz ele, “eles não fazem qualquer purificação, o que é espantoso”.

Em consequência, diz Baker, não se pode atribuir toda a luminescência obtida somente aos pontos de carbono.

“Nós podemos nos deixar levar demais com o relato de novos resultados entusiasmantes e podemos por o carro adiante dos bois, estudando características complexas de amostras que foram pobremente classificadas”.

Embora o entusiasmo acerca dos pontos de carbono seja justificável e este estudo possa vir a ser importante para futuros dispositivos emissores de luz, os pesquisadores devem querer purificar suas amostras e re-analizá-las, prossegue ele.

“Eu tenho certeza de que os resultados serão diferentes”.


Marcus Woo é um escritor freelance área da Baía de San Francisco Bay Area que já publicou em Wired, BBC Earth, BBC Future, National Geographic News e outras agências. Seu tweeter é @sucramoow.

Por que a bateria do seu laptop viciou…


ETH Zurich

Por que as baterias de íon de lítio falham

 IMAGEM: Partículas de um eletrodo de óxido de estanho, passando por mudanças estruturais durante o carregamento (1 a 3) e descarregamento (3 e 4).

Clique aqui para mais informações.

As baterias de íon de lítio estão presentes em nossos telefones celulares, laptops e câmeras digitais. Existem poucos dispositivos eletrônicos portáteis que não dependam dessas fontes de energia. Atualmente, os eletrodos das baterias contém materiais ativos conhecidos como compostos de intercalação. Esses materiais armazenam carga em suas estruturas químicas sem sofrerem uma mudança estrutural substancial. Isto torna essas baterias comparativamente duráveis e seguras. No entanto, esses materiais de intercalação têm uma limitação: a pequena densidade de energia, a quantidade de energia que pode ser armazenada por unidade de volume e massa.

Na procura poe baterias com mais densidade de energia, os cientistas realizaram experiências por mais de 20 anos com materiais capazes de fazerem e desfazerem liga com o lítio repetitivamente. As experiências em escala de laboratório mostraram que baterias feitas com esses materiais possuem densidades de energia muitas vezes superiores às dos materiais de intercalação; no entanto, esses materiais que fazem ligas ainda não são muito empregados pela indústria porque sua duração é limitada. Martin Ebner, estudante de Ph.D. no Laboratório de Nanoeletrônica do Departamento de Tecnologia da Informação e Engenharia Elétrica (D-ITET) explica: “sua capacidade tipicamente se atenua após um par de ciclos carga-descarga”. Isto é atribuído a uma enorme expansão – de até três vezes – do material do eletrodo durante o carregamento. Durante o descarregamento, o material se contrai novamente, mas não volta a seu estado original. As partículas do eletrodo se separam, a estrutura do eletrodo se desintegra e os fragmentos perdem o contato com o restante da célula.

Observando as baterias durante o funcionamento com raios-x

Para compreender melhor a complexa degradação eletroquímica e mecânica do eletrodo, bem como obter novos dados para o desenvolvimento de baterias melhores, Martin Ebner e a Professora Vanessa Wood do ETH, chefe do Laboratório de Nanoeletrônica do D-ITET, perceberam a necessidade de estudar o funcionamento de um eletrodo de bateria com um processo não invasivo. Dessa forma, eles se voltarm para um instrumento de imageamento desenvolvido pelo Professor Marco Stampanoni do ETH. O Professsor Stampanoni, é catedrático no Instituto de Engenharia Biomédica do D-ITET e opera o feixe de raios-x para tomografia microscópica da Fonte de Luz Suíça, a instalação de síncrotron no Instituto Paul Scherrer. A radiação síncrotron de raios-x, de espectro puro e intensa, permite a rápida aquisição de imagens de raios-x de alta definição que podem ser montadas por computação em filmes tridimensionais.

Os pesquisadores observaram o interior da bateria enquanto ela carregava e descarregava ao longo de 15 horas. Com isso conseguiram montar filmes inéditos que registraram os mecanismos de degradação que ocorrem nas baterias e quantificaram os processos que acontecem com cada uma das milhares de partículas dos eletrodos. Os resultados deste estudo serão publicados na Science; uma versão pré-impressão está disponível online na Science Express.

Mudanças estruturais irreversíveis

Os dados mostram que as partículas de óxido de estanho (SnO) se expandem durante o carregamento devido ao influxo de íons de lítio, o que causa um aumento no volume das partículas. Os cientistas demonstram que a litificação acontece em um processo de fora para dentro, que progride da superfície da partícula até seu núcleo. O material que sofre esta reação, se expande linearmente com a carga armazenada. As imagens de raios-x mostram que o carregamento destrói a estrutura da partícula de modo irreversível, formando rachaduras dentro das partículas. “A formação de rachaduras não é aleatória”, enfatiza Ebner. As rachaduras crescem em locais onde a retícula do cristal contém defeitos pré-existentes. Durante o descarregamento, o volume das partículas diminui; entretanto, o material não volta a seu estado original; portanto, o processo não é completamente reversível.

A mudança de volume das partículas individuais acarreta a expansão de todo o eletrodo, de 50 micrômetros até 120 micrômetros. Porém, durante o descarregamento, o eletrodo só se contrai até 80 micrômetros. Esta deformação permanente do eletrodo demonstra que o polímero agregante que une o eletrodo, ainda não está otimizado para materiais de grande expansão volumétrica. Isto é algo crítico para o desempenho de uma bateria, porque a deformação do agregante faz com que as partículas fiquem desconectadas do eletrodo e  bateria perca capacidade.

Além de demonstrar que a microscopia tomográfica por raios-x permite a observação de mudanças morfológicas nas partículas e eletrodos, os pesquisadores demonstraram que esta técnica pode também ser empregada para a obtenção de informações químicas quantitativas e com resolução espacial. Por exemplo, os pesquisadores analisaram a composição química por todo o eletrodo, para procurar por diferenças na dinâmica de litificação ao nível das partículas individuais e comparar isto ao comportamento médio das partículas. Esta abordagem é essencial para a compreensão da influência do tamanho e formato das partículas e a homogeneidade do eletrodo sobre o desempenho da bateria.

Tais vislumbres do funcionamento da bateria não seriam possíveis sem o dispositivo avançado de tomografia com raios-x da Fonte de Luz Suíça. “A visualização das baterias durante o funcionamento era praticamente impossível até os recentes avanços na tomografia por raios-x. Graças às instalações de qualidade mundialmente reconhecidas, desenvolvidas pelo Professor Stampanoni e sua equipe, fomos capazes de observar a bateria funcionando”, acrescenta entusiasticamente Wood.

Alternativas para os materiais cristalinos

Os pesquisadores escolheram o óxido de estanho como material modelo porque ele passa por uma série de transformações complexas, também presentes em outros materiais, o que permite uma compreensão mais profunda do comportamento de vários materiais para baterias. Essas observações fornecem a base para o desenvolvimento de novos materiais para eletrodos e estruturas de eletrodos que sejam tolerantes a expansão volumétrica. Para o Prof. Wood, os resultados de seu trabalho indicam os benefícios do uso de materiais amorfos ou com nano-estrutura, em lugar dos cristalinos. “Na busca por novos materiais, se deve ter em mente que eles só têm interesse para a indústria se puderem ser produzidos em largas quantidades e a baixo custo. Mesmo assim, os materiais amorfos e de nano-estrutura oferecem um campo grande o suficiente para inovações”, enfatiza Wood.

 

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Referencia

Ebner M, Marone F, Stampanoni M, Wood V. Visualization and quantification of electrochemical and mechanical degradation in Lithium ion batteries. Science Express, publicado online em 17 de outubro de 2013.

Um novo tipo de microscópio: Microscópio de Nêutrons

Massachusetts Institute of Technology

Novo tipo de microscópio usa nêutrons

Dispositivo pode abrir novas áreas de pesquisa de materiais e de amostras biológicas em pequeníssimas escalas

Original em inglês por: David L. Chandler, MIT News Office
4 de outubro de 2013
 

New kind of microscope uses neutrons

O pequeno protótipo de microscópio de nêutrons da equipe, pronto para os testes iniciais no Laboratório do Reator Nuclear do MIT. Os espelhos do microscópio ficam dentro da pequena caixa de metal, acima e à direita.

FOTO CORTESIA DOS PESQUISADORES (CLIQUE PARA AMPLIAR)

Pesquisadores do MIT, em conjunto com seus parceiros da NASA, desenvolveram um novo conceito para um microscópio que usará nêutrons — partículas subatômicas sem carga elétrica — em lugar de feixes de luz ou de elétrons, para criar imagens de alta resolução.

Entre outras características,  os instrumentos com base em nêutrons têm a capacidade de sondar o interior de objetos metálicos — tais como células combustíveis, baterias e motores, mesmo com estes em funcionamento — para aprender detalhes de sua estrutura interna. Os instrumentos de nêutrons também são peculiarmente sensíveis às propriedades magnéticas e aos elementos mais leves que são importantes em materiais biológicos.

O novo conceito foi delineado em uma série de artigos de pesquisas, neste ano, inclusive um publicado nesta semana em Nature Communications  por Dazhi Liu, pesquisador pós-doutorado do MIT, Boris Khaykovich, cientista pesquisador, professor David Moncton e quatro outros.

Moncton, um professor adjunto de física de diretor do Laboratório do Reator Nuclear do MIT, diz que foi Khaykovich quem propôs em primeiro lugar a ideia de adaptar um conceito já com 60 anos de focalizar raios-X com o uso de espelhos, para o desafio de construir um microscópio de nêutrons de alto desempenho. Até agora, a maioria dos instrumentos de nêutrons eram semelhantes a uma câmera pinhole: sistemas grosseiros de imageamento que apenas deixavam a luz passar através de um pequeno orifício. Sem eficientes componentes ópticos, tais dispositivos produziam imagens fracas com pouca resolução.

Além do pinhole

“Para os nêutrons, não havia dispositivos de focalização de alta qualidade”, prossegue Moncton. “Essencialmente todos os instrumentos de nêutrons, desenvolvidos ao longo de meio século, eram efetivamente câmeras pinhole”. Com relação a este novo avanço, diz ele que “Estamos levando o campo de imageamento com nêutrons das câmeras pinhole para uma era de genuína óptica”.

“O novo dispositivo de espelhos funciona como a lente formadora de imagens de um microscópio óptico”, acrescenta Liu.

Uma vez que os nêutrons interagem minimamente com a matéria, é difícil focalizar feixes deles para criar um telescópio ou microscópio. No entanto, em 1952 Hans Wolter propôs um conceito básico para raios-X, que foi mais tarde desenvolvido, sob os auspícios da NASA, para telescópios tais como o Observatório Espacial Chandra de Raios-X (projetado e gerenciado pelos cientistas do MIT). Feixes de nêutrons interagem fracamente, de forma muito semelhantes aos raios-X, e podem ser focalizados por um sistema óptico similar.

É um fato bem conhecido que a luz pode ser refletida por superfícies normalmente não refletivas, contanto que incidam sobre tal superfície em um ângulo bem aberto; isto é o princípio físico básico por trás das miragens dos desertos. Usando o mesmo princípio, espelhos com certos revestimentos podem refletir nêutrons incidentes em ângulos abertos.

Um dispositivo menor e mais preciso

O instrumento atual emprega vários cilindros refletores, aninhados um no interior do outro, de forma a aumentar a área de superfície disponível para a reflexão. O dispositivo resultante pode melhorar o desempenho dos sistemas de imageamento por nêutrons existentes por um fator de cerca de 50, segundo os pesquisadores — o que permite imagens mais nítidas, instrumentos muito menores, ou ambas as coisas.

A equipe primeiro projetou e otimizou o conceito digitalmente, então fabricou um pequeno instrumento de teste como prova-de-conceito, e demonstrou seu desempenho, usando uma instalação de feixe de nêutrons no Laboratório do Reator Nuclear do MIT. Trabalhos posteriores que necessitavam de um espectro de energias de nêutrons diferente, foram realizados no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) e no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST).

Um tal instrumento poderia ser usado para observar e caracterizar vários tipos de materiais e amostras biológicas; outros processos, não geradores de imagens, que exploram a dispersão de nêutrons, poderiam ser também beneficiados. Uma vez que os feixes de nêutrons têm energia relativamente baixa, eles são “uma sonda de dispersão muito mais sensível”, segundo Moncton, para fenômenos tais como “de que forma os átomos ou os momentos magnéticos se movem dentro de um material”.

Os pesquisadores planejam, a seguir, a construção de um sistema otimizado de microscopia a nêutrons em colaboração com o NIST, que já dispõe de uma grande instalação de pesquisas com feixes de nêutrons. Este novo instrumento deve custar uns poucos milhões de dólares.

Moncton sublinha o fato de que um recente avanço importante neste campo foi a construção de uma instalação de US$ 1,4 bilhões que provê um aumento de dez vezes no fluxo de nêutrons. “Dado o custo da produção dos feixes de nêutrons, é essencial equipá-los com o sistema óptico mais eficiente possível”.

Roger Pynn, um cientista de materiais da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, que não esteve envolvido nesta pesquisa, diz que “Eu esperava que isso levasse a algumas grandes novidades no imageamento por nêutrons… Isso apresenta o potencial para algumas aplicações realmente novas da dispersão de nêutrons — algo que não é visto há algum tempo”.

Além dos pesquisadores do MIT, a equipe inclui Mikhail Gubarev e Brian Ramsey do Centro Marshall de Voo Espacial da NASA, e Lee Robertson e Lowell Crow do ORNL. O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia do Governo dos EUA.

Banda de Möbius em cristal líquido


University of Warwick

Bandas de Möbius dão nós em cristal líquido – novas possibilidades de materiais para dispositivos fotônicos

Cientistas da Universidade de Warwick demonstram como fazer nós em cristais líquidos com o uso de uma banda de Möbius em miniatura, feita de partículas de sílica

 IMAGEM: Nós de cristal líquido criados em torno de partículas em banda de Möbius em miniatura (simulação).

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Texto original em inglês por Anna Blackaby, contato com a imprensa da Universidade de Warwick.

Os cientistas da Universidade de Warwick demonstraram como se ata nós em cristais líquidos com o uso de uma banda de Möbius em miniatura, feita de partículas de sílica.

Atando substâncias como o cristal líquido em nós, os pesquisadores esperam compreender melhor como suas intrincadas configurações e suas propriedades ímpares podem ser aproveitadas para a próxima geração de materiais avançados e dispositivos fotônicos. 

O cristal líquido é um material essencial na vida moderna – as telas planas de nossos computadores, TVs e smartphones, todos fazem uso de suas propriedades de modulação da luz.

Eles são compostos de moléculas finas, com aspecto de haste, que se auto-alinham de forma a apontarem em uma única direção. Ao controlar o alinhamento dessas moléculas, os cientistas podem literalmente atá-las em um nó.

Para fazê-lo, eles simularam adicionar uma partícula de sílica do tamanho de um mícron – ou seja, um coloide – ao cristal líquido. Isto perturba a orientação das moléculas de cristal líquido.

Por exemplo, um coloide na forma de uma esfera fará com que as moléculas de cristal líquido se alinhem perpendicularmente à superfície da esfera, um tanto como as cerdas de um porco-espinho.

Usando um modelo teórico, os cientistas da Universidade de Warwick tomaram este princípio e o estenderam a coloides que tem um formato de nó, na forma de uma banda de Möbius.

Uma banda de Möbius com uma torção não forma um nó, entretanto com três, quatro e cinco torções ela se torna um nó de trevo, um nó de Salomão, ou um nó quinquefólio respectivamente.

 IMAGEM: Uma visualização da configuração média das moléculas em um nó de cristal líquido (simulação).

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Adicionando-se essas partículas especialmente projetadas, elas forçam o cristal líquido a assumir a mesma estrutura, criando um nó no cristal líquido.

Gareth Alexander, Professor Assistente em Física e Ciências da Complexidade na Universidade de Warwick declarou: “Os nós são objetos fascinantes e versáteis, que nos são familiares desde que começamos a amarrar nossos sapatos”.

“Recentemente foi demonstrado que os nós podem ser criados em vários conjuntos naturais, tais como campos eletromagnéticos, luz laser, vórtices fluidos e cristais líquidos”.

“Esses nós são mais intrincados do que aqueles dos sapatos, já que se trata de todo um material contínuo e não somente um cadarço o que é amarrado”.

“Nossa pesquisa estende o trabalho anterior para aplicações em cristais líquidos, a substância que vemos todos os dias em nossas TVs, smartphones e telas de computador”.

“Estamos interessados nisto porque a criação e o controle desses intrincados campos em nós é uma nova avenida que se abre para o projeto de novos metamateriais e dispositivos fotônicos”.

 

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O estudo, publicado em PNAS, tem o título Knots and nonorientable surfaces in chiral nematics e é assinado por Thomas Machon e Gareth Alexander ambos do Departamento de Física e do Centro de Ciências da Complexidade na Universidade de Warwick.

A pesquisa foi financiada pelo Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).

A pesquisa está disponível neste site:

http://www.pnas.org/content/early/2013/08/09/1308225110.abstract

 

“Baterias não incluídas”… NEM PRECISA!


University of Washington

Dispositivos sem fio se tornam também sem-baterias com uma nova técnica de comunicações

 IMAGEM: Empregando a retrodifusão ambiente, estes dispositivos podem interagir com usuários e se comunicarem entre si, sem usar baterias.

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Podemos estar um passo mais perto de uma realidade de internet-de-coisas.

Engenheiros da Universidade de Washington criaram um novo sistema de comunicação sem fio (“wireless”) que permite que os dispositivos interajam entre si sem precisar de baterias ou fios para energizá-los.

A nova técnica de comunicações, que os pesquisadores chamam de “retrodifusão ambiente”, aproveita as transmissões de TV e celulares que já nos envolvem o dia todo. Dois dispositivos se comunicam entre si por meio da reflexão dos sinais já existentes para trocar informações. Os pesquisadores construíram dispositivos pequenos e sem baterias que podem detectar, coletar e refletir um sinal de TV que é, por sua vez, captado por outros dispositivos similares.

A tecnologia pode permitir que uma rede de dispositivos e sensores se comuniquem sem que seja necessária uma fonte de energia ou mesmo de supervisão humana.

“Nós podemos reutilizar os sinais sem fio que já estão em torno de nós, tanto em uma fonte de energia, como em meio de comunicação”, declara o principal pesquisador Shyam Gollakota, um professor assistente de engenharia e ciências de computação da UW. “Esperamos que isso tenha aplicações em diversas áreas, inclusive computadores “vestíveis”, casas inteligentes e redes de sensores auto-sustentáveis”.

Os pesquisadores publicaram seus resultados na conferência do Grupo de Interesse Especial em Comunicação de Dados da Associação para Maquinário de Computação em Hong Kong que começa nesta data. Eles receberam o prêmio de melhor artigo da conferência por esta pesquisa.

“Nossos dispositivos formam uma rede a partir do nada”, comenta o co-autor Joshua Smith, um professor associado de engenharia e ciências de computação e de engenharia elétrica da UW. “Pode-se refletir esses sinais ligeiramente para criar um código Morse de comunicação entre dispositivos sem baterias”.

 IMAGEM: Objetos do dia a dia podem ser energizados pelo novo dispositivo para continuarem funcionando depois de esgotar suas baterias. Um dos possíveis usos é um sinalizador que permite encontrar o chaveiro perdido, sem precisar de baterias.

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Sensores inteligentes podem ser fabricados e posicionados de modo permanente dentro de quase qualquer estrutura, e então postos em comunicação entre si. Por exemplo, sensores colocados em uma ponte podem monitorar a saúde do concreto e do aço, e enviar um sinal de alarme se detectarem uma rachadura minúscula. A tecnologia pode também ser usada para as comunicações – por exemplo, mensagens de texto e emails – em dispositivos “vestíveis” (ou seja, incluídos na indumentária), sem necessitar de baterias como fonte de energia.

Os pesquisadores testaram a técnica de retrodifusão ambiente com protótipos do tamanho de um cartão de crédito, postados a alguns metros de distância. Em cada dispositivo, os pesquisadores fizeram antenas com placas de circuito comuns que fazem piscar um LED quando recebem um sinal de comunicação de outro dispositivo.

Grupos desses dispositivos foram testados em diversas disposições na área de Seattle, inclusive dentro de um prédio de apartamentos, em uma esquina de rua e no andar de cima de um estacionamento. Todas essas posições ficavam entre menos de 1 km até 13 km de distância de uma torre de emissão de TV.

Eles descobriram que os dispositivos eram capazes de se comunicar entre si, mesmo aqueles mais afastados da torre de TV. Os dispositivos receptores captaram um sinal de suas contrapartes transmissoras a uma taxa de 1 kilobit por segundo quando separados por uns 75 cm nos exteriores e 45 cm nos interiores. Isto é o bastante para enviar informações tais como leituras de um sensor, mensagens de texto e informações de contacto.

Também é concebível montar esta tecnologia em dispositivos que usam baterias, tais como smartphones. Ela pode ser configurada de modo tal que, quando a bateria zerar, o telefone ainda possa enviar mensagens de texto, retirando a energia de um sinal de TV no ambiente.

As possibilidades de aplicações são inúmeras, dizem os pesquisadores, e eles planejam continuar melhorando a capacidade e o alcance das redes de comunicações por retrodifusão.

 IMAGEM: Os pesquisadores demonstram como um cartão de pagamentos pode transferir fundos para outro cartão, usando como fonte de alimentação os sinais ambientes de TV.

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Os outros pesquisadores envolvidos são David Wetherall, professor de engenharia e ciências de computação da UW, Vincent Liu, estudante de doutorado de engenharia e ciências de computação e Aaron Parks e Vamsi Talla, ambos estudantes de doutorado em engenharia elétrica.

A pesquisa foi financiada pela Universidade de Washington através de um Prêmio de Pesquisas Google e pelo Centro de Pesquisas para Engenharia Sensorimotor Neural da Fundação Nacional de Ciências na UW.

Para mais informações, contactar Gollakota e Smith em [email protected].

Website da retrodifusão ambiental: http://abc.cs.washington.edu/

Vídeo no YouTube: http://youtu.be/gX9cbxLSOkE

Artigo: http://abc.cs.washington.edu/files/comm153-liu.pdf

Videos e imagens disponíveis em; http://www.washington.edu/news/2013/08/13/wireless-devices-go-battery-free-with-new-communication-technique/

Eletricidade a partir de “fotossíntese”

Massachusetts Institute of Technology

Pesquisadores do MIT criam uma tecnologia fotovoltáica auto-combinante capaz de se auto-reparar

As moléculas podem transformar a luz solar em eletricidade e podem ser quebradas e rapidamente remontadas


IMAGEM
Esta é a célula-protótipo construida pela equipe para medir as propriedades do sistema fotossintético auto-combinante.

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CAMBRIDGE, Massachusetts. — As plantas são boas em fazer o que cientistas e engenheiros tem lutado para fazer por décadas a fio: converter a luz solar em energia armazenada e fazê-lo de maneira confiável, dia após dia, ano após ano. Agora, alguns cientistas do MIT conseguiram imitar um aspecto chave deste processo.

Um dos problemas com o aproveitamento da luz solar é que os raios do Sol podem ser altamente destrutivos para muitos materiais. A luz solar leva a uma degradação gradual de muitos dos sistemas desenvolvidos para capturá-la. No entanto, as plantas adotaram uma estratégia interessante para resolver esse problema: as moléculas encarregadas de capturar a luz solar se fracionam constantemente e as plantas as remontam a partir dos pedaços resultantes, de forma que as estruturas básicas que capturam a energia solar são, por assim dizer, sempre novas em folha.

Esse processo foi agora imitado por Michael Strano, o Professor Associado Charles & Hilda Roddey de Engenharia Química e sua equipe de estudantes de pós-graduação e pesquisadores. Eles criaram um novo conjunto de moléculas auto-combinantes que podem transformar a luz solar em eletricidade. As moléculas podem ser repetidamente quebradas e rapidamente remontadas, mediante a simples adição ou remoção de uma solução adicional. O artigo sobre este trabalho foi publicado na edição de 5 de setembro da Nature Chemistry.

Strano diz que a ideia lhe ocorreu inicialmente quando ele estava estudando a biologia das plantas. “Eu fiquei realmente impressionado com o fato das plantas terem esse mecanismo extremamente eficaz de reparar suas células”, diz ele. E acrescenta que, em pleno Sol de Verão, “uma folha de árvore recicla suas proteínas a cada 45 minutos, embora se possa pensar que ela é uma célula fotovoltáica estática”.

Um dos objetivos de longo prazo da pesquisa de Strano sempre foi descobrir modos para imitar os princípios encontrados na natureza com o uso de nano-componentes. No caso das moléculas usadas pelas plantas para fotossíntese, a forma reativa de oxigênio produzida pela luz solar faz com que as proteínas se decomponham de uma maneira muito precisa. Nas palavras de Strano, o oxigênio “desata uma amarração que mantém as proteínas unidas”, mas as mesmas proteínas são rapidamente remontadas para recomeçar o processo.

Toda essa atividade acontece dentro de pequeninas cápsulas chamadas cloroplastos que existem dentro de cada célula vegetal — e é onde acontece a fotossíntese. Strano diz que o cloroplasto é “uma máquina formidável. É um notável motor que consome dióxido de carbono e usa a luz para produzir glucose”, a substância química que fornece energia para o metabolismo.

Para imitar esse processo, Strano e sua equipe – financiados pela MIT Energy Initiative e pelo Departamento de Energia – produziram moléculas sintéticas chamadas fosfolipídeos que formam discos; esses discos fornecem o suporte estrutural para as outras moléculas que realmente respondem à luz, em estruturas chamadas de centros de reação, os quais liberam elétrons quando atingidos por partículas de luz. Os discos que portam os centros de reação, ficam em uma solução onde eles se afixam espontaneamente a nano-tubos de carbono — tubos ocos de átomos de carbono que tem bilionésimos de metro de espessura e são, no entanto, mais fortes do que aço e capazes de conduzir a eletricidade mil vezes melhor que o cobre. Os nano-tubos mantém os discos de fosfolipídeo em um alinhamento uniforme, de forma que os centros de reação podem ficar todos expostos à luz solar de uma só vez e também funcionam como condutores para coletar e canalizar o fluxo de elétrons liberados pelas moléculas reativas.

O sistema produzido pela equipe de Strano é feito de sete compostos diferentes que incluem os nano-tubos de carbono, os fosfolipídeos e as proteínas que compõem os centros de reação, os quais, nas condições corretas, se montam espontaneamente em uma estrutura para a coleta da luz solar e produzir uma corrente elétrica. Strano diz acreditar que isso estabelece um novo recorde quanto à complexidade de um sistema auto-combinante. Quando um surfatante — similar àqueles lançados no Golfo do México para dissolver o petróleo derramado — é adicionado à mistura, os sete componentes se separam e formam uma espécie de “sopa”. Então, quando os pesquisadores removeram o surfatante, forçando a solução através de uma membrana, os componentes se remontaram de novo em uma fotocélula perfeitamente formada e rejuvenescida.

“Nós basicamente estamos imitando os truques que a natureza descobriu ao longo de milhões de anos” — em particular, “reversibildade, a capacidade de desmontar e remontar”, declara Strano. A equipe que incluiu o pesquisador pós-doutorado Moon-Ho Ham e o estudante de pós-graduação Ardemis
Boghossian, chegou ao sistema com base em uma análise teórica, mas que então decidiu construir uma célula-protótipo para testá-la. Eles passaram a ´célula-protótipo por repetidos ciclos de montagem e desmontagem ao longo de um período de 14 horas, sem qualquer perda de eficiência.

Strano argumenta que, ao desenvolver novos sistemas para gerar energia elétrica a partir de luz, os pesquisadores frequentemente não estudam como os sistemas se modificam ao longo do tempo. Nas células fotovoltáicas convencionai com base no silício, a degradação é pequena, porém, no caso de vários sistemas novos que se encontram em desenvolvimento —
seja buscando um custo menor, maior eficiência, flexibilidade ou outras características melhoradas — a degradação pode ser muito significativa. “Frequentemente se vê a eficiência cair, depois de 60 horas, a 10% do original”, afirma ele.

As reações individuais dessas novas estruturas moleculares apresentam uma eficiência de cerca de 40%, ou cerca do dobro da eficiência das melhores células solares comercialmente disponíveis agora. Teoricamente, a eficiência das estruturas poderia ficar próximo dos 100%, diz ele. Mas, no trabalho inicial, a concentração das estruturas na solução era baixa, de forma que a eficiência geral do dispositivo — a quantidade de energia elétrica produzida por uma dada área de superfície — foi muito baixa. Agora eles estão trabalhando para encontrar maneiras para aumentar em muito a concentração.

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Quebras de simetria e supercondutividade

[Traduzido de: Asymmetric Electron Behavior Discovered in High-temperature Superconductors ]

Original em inglês por:

Bobbie
Mixon,
Holly
Martin

A descoberta pode levar eventualmente à redução dos custos da energia elétrica

Graphic simulation of electron cloud in layer of copper oxide in a cuprate superconductor.

Super-condutores à temperatura ambiente ficam mais perto da realidade e podem levar a redes de distribuição de energia elétrica mais econômicas.
Crédito e imagem ampliada

31 de agosto de 2010

Os cientistas da Universidade Cornell, em conjunto com uma equipe internacional de pesquisadores, descobriram recentemente que os elétrons em um material super-condutor, óxido de cobre, assumem espontaneamente uma orientação de spin.

Esta descoberta pode conduzir à longamente almejada meta de conduzir eletricidade à temperatura ambiente sem perdas, abrindo o caminho para seu emprego em larga escala em uma rede de distribuição de energia elétrica econômica.

Os super-condutores são materiais que perdem toda a resistência elétrica quando resfriados abaixo de uma certa temperatura. Os primeiros super-condutores descobertos pelos cientistas, tinham que ser resfriados a uma temperatura próxima do zero absoluto (cerca de -273º C) para que transmitissem eletricidade sem qualquer perda de potência.

Porém a necessidade de resfriar tanto os materiais, antes que eles pudessem se tornar super-condutores, tornava impraticável usá-los em tecnologias, há muito prometidas, tais como computadores ultra-rápidos, meios de transporte de alta velocidade e redes de energia elétrica sem perdas.

Em meados dos anos 1980, foi descoberta uma nova classe de materiais super-condutores em “alta temperatura”, bem acima do zero absoluto, embora ainda bem abaixo da temperatura ambiente.

Entre esses materiais, existe um grupo chamado cupratos, que se tornam super-condutores em temperaturas tão “altas” como -123ºC. O cristal de óxido de cobre usado pelos cientistas da Cornell, é um cuprato super-condutor.

Normalmente, os átomos de oxigênio e cobre deste material se agrupam em unidades simétricas e os cientistas esperavam que os elétrons em cada unidade se comportassem de modo também simétrico. Isso significa que cada elétron tenha um spin aleatoriamente escolhido “acima” ou “abaixo”. Mas quando cada elétron individual assume a mesma direção, isso constitui uma quebra de simetria e é sinal de que aconteceu uma mudança significativa ocorreu no material.

Exemplos dessas mudanças, também chamadas de transição de fase, incluem a água líquida se congelar em gelo ou fervendo em vapor. Um material que passa de um estado não condutor para um estado super-condutor é um outro tipo de transição de fase.

“Pense no ímã de uma porta de uma geladeira”, explica Eun-Ah Kim, professor assistente de física em Cornell. “Esse tipo de ímã funciona porque todos os spins dos elétrons apontam em uma mesma direção, em lugar de fazê-lo aleatoriamente. Uma “escolha” espontânea dessa natureza é chamada de quebra de simetria”.

No caso da equipe que trabalhou com o material de óxido de cobre, a quebra de simetria apareceu nas imagens de cupratos feitas por um microscópio de escaneamento por tunelamento operado pelos pesquisadores no Laboratório Nacional Brookhaven em Nova York.

Kim diz que a descoberta apresenta “uma oportunidade para todo um novo estágio de pesquisas. Nós obtivemos um mapa dessa quebra de simetria; agora podemos estudar experimentalmente como ela afeta a super-condutividade”. A descoberta aponta ainda para um modelo teórico que pode explicar o mecanismo de super-condutividade de alta temperatura.

Chegar ao fundo dessa quebra de simetria nos cupratos pode eventualmente auxiliar os cientistas a criarem novos materiais que exibam super-condutividade a temperaturas cada vez mais altas.

“Resolver o mistério de como alguns materiais pode exibir super-condutividade em algo próximo da temperatura ambiente, é importante”, diz Kim. “Mas também existe um elemento de genuína curiosidade. Descobrir os segredos de um comportamento coletivo de um número astronômico de elétrons, é como descobrir uma nova galáxia”.

Para esta pesquisa, contribuíram cientistas da Universidade Cornell; Laboratório Nacional Brookhaven; Universidade Binghamton,
Binghamton, NY; Universidade de Tokyo; Laboratório de Materiais Magnéticos,
Saitama, Japão; Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coréia; Instituo Avançado de Ciência e Tecnologia Industrial, Ibaraki, Japão; e Universidade de St. Andrews, Fife, Escócia.

O relatório da pesquisa foi publicado na edição de 15 de julho da Nature.

A pesquisa teve o apoio da Divisão de Pesquisa de Materiais da NSF.


Vendo os cristais crescerem


Traduzido de: Watching Crystals Grow May Lead to Faster
Electronic Devices

Uma pesquisa que pode melhorar a manufatura das películas finas e livres de defeitos, necessárias para a fabricação de semicondutores

Illustration showing how atoms land on top of each other creating
rough spots on thin films.

Os átomos se depositam uns por cima dos outros, criando pontos ásperos nas finas películas usadas para produzir os semicondutores.
Crédito e imagem ampliada

21 de janeiro de 2010

Observe o crescimento de um cristal neste vídeo.

A busca por dispositivos eletrônicos mais rápidos esbarrou recentemente em um verdadeiro calombo. Os cientistas da Univesidade Cornell, Ithaca, N.Y., descobriram que as películas cristalinas finas e lisas para a fabricação de semicondutores, que são a base dos computadores modernos, podem ser feitas ainda mais lisas se controlarmos os rápidos movimentos aleatórios das partículas atômicas que afetam a maneira como os cristais crescem.

Segundo Charles Ying, diretor de programa da Divisão de Pesquisas de Materials da Fundação Nacional de Ciências (NSF), “O principal benefício de películas cristalinas lisas para dispositivos eletrônicos é que os elétrons podem ir de um lugar a outro dentro do dispositivo com um mínimo de disrupção. Isso, por sua vez, permite dispositivos eletrônicos mais rápidos e um menor consumo de energia”.

A pesquisa é parcialmente financiada pelo Centro Cornell de Pesquisa de Materiais, que tem o apoio da NSF. As descobertas estão sendo publicadas na edição online de hoje da  Science.

Liderados pelo professor assistente de física Itai Cohen da Cornell, os pesquisadores recriaram as condições de crescimento de um cristal camada por camada, usando partículas muito maiores do que átomos, porém pequenas o bastante ainda para se comportarem como átomos. Da mesma forma que se usa bolas de praia para modelar o comportamento da areia, os cientistas
usaram uma solução de pequenas esferas de plástico 50 vezes menores do que um fio de cabelo para reproduzir as condições que levam à cristalização na escala atômica. Com esta modelagem precisa, eles puderam observar como as camadas cristalinas crescem.

Usando um microscópio eletrônico, os cientistas puderam observar exatamente o que seus “átomos” – na verdade partículas de sílica de tamanho medido em mícrons, suspensas em um fluido – faziam ao se cristalizarem. Além disso, eles ainda foram capazes de manipular partículas individuais, uma de cada vez, e testar as condições que levam ao crescimento de uma película cristalina lisa.

“Essas partículas são grande e lentas o bastante para podermos ver o que acontece em tempo real”, explica o estudante de pós-graduação Mark Buckley. Com essa observação, os pesquisadores descobiram que os rápidos movimentos aleatórios de uma partícula são um fator chave que afeta o modo como os cristais crescem.

Enquanto alguns materiais crescem em cristais lisos, outros tendem a desenvolver calombos e defeitos – o que é um sério problema para a manufatura de películas finas. Os pesquisadores estão tentando melhorar o processo na escala atômica, mas a principal dificuldade para a fabricação de películas lisas é que os átomos frequentemente formam aleatoriamente pilhas, em lugar de se cristalizarem em finas películas.

Isto acontece porque , quando os átomos são depositados em um substrato, eles formam inicialmente pequenos cristais, chamdos “ilhas”. Quando se despeja mais átomos por cima desses cristais, os átomos tendem a ficar no topo das ilhas, em lugar de escorrerem pelas bordas. Isso cria os indesejados pontos ásperos e, segundo Cohen, se a ideia é criar uma película lisa, isso é “game over”.

A teoria convencional diz que os átomos que pousam no topo das ilhas sofrem um “puxão” energético dos outros átomos que os impede de rolar pelas bordas. No sistema usado na experiência, os pesquisadores eliminaram esse puxão, encurtando as ligações entre as partículas. No entanto, eles ainda observaram que suas partículas hesitavam nas bordas das ilhas.

Uma análise mais profunda, com o uso de pinças ópticas que manipulavam partículas individuais, permitiu aos pesquisadores medir quanto tempo as partículas levavam para sair das ilhas de cristal. Como as partículas estavam em suspensão em um fluido que as fazia se moverem, elas exibiam moviemtno browniano. Na medida em que as partículas se moviam e se difundiam de uma área para outra, os pesquisadores notaram que a distância que uma partícula tinha que percorrer para “cair” da borda de uma ilha era três vezes maior do que para se mover lateralmente de um ponto da ilha para outro. E, como essa distância tinha que ser percorrida em movimento browniano, o percurso podia ficar até nove vezes mais comprido até a “queda”. Essa diferença explica porque os pesquisadores ainda observavam uma “barreira” nas borda das ilhas.

Os átomos em uma película cristalina atômica se movem de uma maneira semelhante ao movimento browniano, uma vez que as vibrações do cristal subjacente, chamadas fonons, tendem a empurrá-los de cá para lá. Os pesquisadores supõem que, além das ligações interatômicas, esse movimento aleatório também possa contribuir para a barreira na borda das ilhas do cristal e, desta forma, para a aspereza da película de cristal.

“Se os princípios que descobrimos puderem ser aplicados na escla atômica, os cientistas serão capazes de controlar melhor o crescimento das finas películas usadas na manufatura de componentes para nossos computadores e celulares”, afirma Cohen.

Os autores do artigo são o antes doutor-associadohe Rajesh Ganapathy, agora membro do corpo docente do Centro Jawaharlal Nehru para Pesquisa Científica Avançada em Bangalore, Índia, assim como Sharon Gerbode e Mark Buckley, estudantes de pós-graduação no laboratório de Cohen na Cornell.

Além da NSF,
o trabalho foi finanaciado por King Abdullah University of Science and
Technology
e Cornell Nanoscale Science and Technology Facility.

Enxergando células antes invisíveis







 
[Livremente traduzido de: Seeing Previously Invisible Molecules for the First Time ]

Uma nova técnica de microscopia revela moléculas, antes invisíveis, em cores

Image of individual red blood cells lined up within a single capillary in a mouse's ear.

Imagens de células sanguíneas individuais dentro de um vaso capilar na orelha de um rato.
Crédito e imagem ampliada

22 de outubro de 2009

Uma equipe de quimi­cos de Harvard, lide­rada por X. Sunney Xie, de­sen­vol­veu uma nova técnica de mi­cros­copia para vi­sua­li­zar, em cores, mo­lé­cu­las com fluorescência indetec­tável. O processo, de temperatura ambiente, permite aos pesquisa­dores identificar moléculas que antes não podiam ser vistas, em organismos vivos e pode ter vastas aplicações em imageamento diagnóstico e pesquisas biomédicas. 

Os resultados obstidos pelos cientistas foram publicados na edição de 22 de outubro da Nature. A pesquisa foi parcialmente financiada pela Fundação Nacional de Ciências (NSF).

A fluorescência é o fenômeno onde um elétron que faz parte de uma molécula, absorve a energia da luz e passa para um nível quântico acima – fica em estado excitado – sendo esse quantum de energia igual à da partícula portadora da energia eletromagnética, o fóton. Após uma breve permanência nesse estado excitado, o elétron volta a seu nível de energia anterior, ou estado fundamental, emitindo um novo fóton. A energia do fóton liberado está na faixa de comprimento de onda da luz visível, durando apenas uns poucos bilionésimos de segundo.

Image of the delivery of toluidine blue O to the outer most layer of skin in a mouse ear.

Imagem do envio de “azul de toluidina” até a camada mais externa da pele da orelha de um rato
Crédito e imagem ampliada

Muitas moléculas coloridas e biologicamente importantes, tais como a hemoglobina – uma proteína portadora de oxigênio nos glóbulos vermelhos do sangue – absorvem a luz, porém não ficam fluorescentes. Em lugar disso, elas liberam a energia transitória em comprimentos de onda não visíveis (calor).

Como diz Xie: “Já que essas moléculas não ficam fluorescentes, elas foram literalmente ignoradas pelos modernos microscópios ópticos”.

Então, para detectar essas moléculas não fluorescentes nos sistemas biológicos, Xie e sua equipe desenvolveram uma nova técnica de microscopia com base na emissão estimulada.

A emissão estimulada foi primeiramente descrita por Albert Einstein em 1917 e é a base dos lasers atuais. Em resumo, é um processo pelo qual um elétron em estado excitado, perturbado por um fóton com a energia adequada, decai para seu estado fundamentas produzindo um fóton adicional.

A nova técnica de microscopia de Xie gera e grava um sinal de emissão estimulada mediante o uso de dois pulsos, cuidadosamente escalonados, um de excitação e outro de estimulação. Cada pulso tem uma duração incrivelmente curta de aproximadamente 200 femtossegundos e uma frequência de 76 MHz. Um femtossegundo é um bilionésimo de um milionésimo, ou 10-15, de segundo. Um modulador comuta a intensidade dos pulsos de excitação, ligando e desligando a cinco MHz. Essa modulação cria um sinal de emissão estimulada na mesma frequência. O sinal produzido pelas moléculas não fluorescentes fornece uma imagem de alta sensibilidade das moléculas antes “invisíveis”.

Uma dentre várias possíveis aplicações da invenção dos cientistas é o mapeamento a cores do suprimento de drogas não fluorescentes às células-alvo. Outro possível emprego é o imageamento de pequeninas estruturas, tais como vasos sanguíneos, até de células vermelhas sanguíneas individuais e capilares singelos (vide imagens).

A estrutura e a dinâmica da hemoglobina nos vasos sanguíneos têm um improtante papel em vários processos biomédicos. Dois exemplos desses processos são a transição de estado de tumores, de latente para maligno, e a oxigenação no cérebro.

As técnicas atualmente estabelecidas de imageamento, tais como ressonância magnética e tomografia computadorizada, ou não têm a definição necessária para identificar capilares individualmente, ou precisam de agentes de contraste externos.

Agentes de realce, tais como a proteína fluorescente verde (green fluorescent protein = GFP), vêm sendo extensivamente empregados para observar a atividade de biomoléculas e para distinguir as moléculas-alvo em uma célula. A técnica de realce com GFP fornece imagens com boa definição, porém a proteína, por ter uma molécula demasiadamente grande, pode perturbar os delicados caminhos bilógicos, especialmente quando ela é maior do que a biomolécula que está realçando.

Image of the delivery of toluidine blue O to the deepest layer of skin in a mouse ear.

Imagem do envio de “azul de toluidina” à camada mais externa da pele da orelha de um rato.
Crédito e imagem ampliada

A equipe de Xie mapeou a entrega de uma molécula de droga não fluorescente e imageou vasos sanguíneos sem o uso de agentes de realce fluorescentes. A nova técnica é também capaz de imagear proteínas não fluorescentes em células de bactérias Escherichia coli  vivas.

Zeev Rosenzweig, diretor de programa na Divisão de Química da NSF, diz: “Enquanto estudos anteriores fizeram uso de experimentos de sondagem por injeção de energia para obter imagens de moléculas fluorescentes com uma resolução espacial comparável à da microscopia de fluorescência confocal e alta resolução temporal, este estudo usa, pela primeira vez, microscopia de emissão estimulada para obter imagens de moléculas não fluorescentes”. 

Embora os potenciais danos causados pela forte luz e a complexidade e o custo do sistema ainda sejam objeto de futuros aperfeiçoamentos para que a técnica obtenha ampla aplicabilidade, “não há dúvida de que o estudo indica um caminho ímpar para imagear uma ampla gama de moléculas, atualmente inacessível aos atuais microscópios de ponta”, como observa Rosenzweig.

“Isso é apenas o começo”, acrescenta Xie. “Muitas aplicações interessantes dessa nova modalidade de imageamento estão por vir”.

Os demais autores do artigo na Nature incluem Wei Min, Sijia Lu, Shasha Chong, Rahul Roy e Gary R.
Holtom. Min e Roy  são doutores; Lu e Chong são estudantes de pós-graduação; e Holtom é cientista pesquisador, todos membros do grupo de pesquisas de Xie.


Memórias de uma espuma metálica

[Traduzido de: Metallic Shape-Memory Foam Shows Giant Response to Magnetic Fields ]

Original em inglês de Holly Martin, National Science Foundation

Liga “inteligente” se estica e se contrai em quase 10%

Optical micrograph showing the small and large pores (black) within the Ni-Mn-Ga alloy (white).

Espumas metálicas porosas são feitas em um processo de duas etapas.
Créditos e imagem ampliada

16 de outubro de 2009

Por coincidência, dois amigos, entre os 3.000 cientistas que compareceram ao Encontro de Outono da Sociedade de Pesquisas de Materiais em 2006 em Boston, se encontraram no lado de fora do Hynes Convention Center. Peter Müllner e David Dunand se formaram ambos no Instituto Federal de Tecnologia da Suíça (ETH) em Zurich.

Müllner, agora na Boise State University, estava pesquisando ligas magnéticas que mudavam de formato na presença de um campo magnético. Enquanto isso, Dunand, na Northwestern University em Chicago, ganhou experiência com espumas metálicas – materiais porosos de baixo peso que, algumas vezes, se parecem com uma esponja – particularmente sobre esponjas de ligas com memória de formato que mudam de formato com a temperatura.

Müllner recorda: “David estava com pressa para apanhar seu avião, mas tiramos alguns minutos para conversar sobre nossos trabalhos em curso. David me perguntou: ‘O que você pensa que poderia acontecer se nós fizéssemos uma espuma dessa sua liga com memória de formato magnética?’ Eu respondi que isso poderia resolver o problema dos policristais”.

Ligas com memória de formato magnéticas (Magnetic shape-memory alloys = MSMAs), são cristais sólidos feitos de uma combinação de materiais que reagem a campos magnéticos se esticando ou se contraindo, de forma não muito diferente de um músculo. Esses materiais são úteis para diversos empregos onde um dispositivo de comutação mecânico tem que ser acionado por um sinal elétricos e vice versa.

A quantidade de esticamento ou encolhimento exibido por essas ligas é chamado de deformação induzida por campo magnético (magnetic field-induced strain = MFIS). Então, por exemplo, com uma MFIS de 10%, uma haste com um pé (33 cm) de comprimento pode esticar ou encolher por mais de uma polegada (2,56 cm). Em algumas ligas, quando o campo magnéticos é retirado, o material volta a seu formato original: em outras, o campo tem que ser invertido.

A MFIS de uma liga depende de como os átomos se cristalizam quando o material fundido se resfria e solidifica. Existem dois tipos básicos de cristais: monocristais, que se parecem com grandes pedras preciosas, e policristais que contém milhões, ou até mesmo bilhões, de pequenos cristais, chamados grãos.

Müllner explica que “os átomos em um monocristal ficam organizados em padrões estritamente periódicos, algo como lajotas assentadas no mesmo padrão sobre o piso de toda uma casa”.

“Em um policristal, a orientação do padrão dos átomos muda de um lugar para outro, com as fronteiras os contornos de grãos [obrigado, Felipe!] formando linhas ou planos entre os pequenos cristais”, continua ele. “Pense no mesmo tipo de lajota instalado por toda a casa, mas desta vez com uma orientação diferente em cada cômodo, com as juntas correndo em direções diferentes”.

Os monocristais demoram mais para serem fabricados e custam mais do que os policristais. Müllner explica: “Quando se funde policristais, a liga só precisa ser mantida por poucos minutos em temperaturas muito altas (acima dos 1.000 °C). Já os monocristais precisam ser mantidos nessas temperaturas extremas por dias, o que consome uma enorme quantidade de energia elétrica”.

Segundo Müllner, todas as ligas feitas por processos convencionais, tais como fundição e forjamento, são policristais, o que leva a um problema: as MSMAs não reagem aos campos magnéticos tão bem como os monocristais.

Mas o comentário de Dunand fez Müllner compreender que poderia ser possível criar um material policristalino com uma MFIS maior, se o convertesse em espuma metálica.

Criando Espuma Metálica

Optical micrograph of polished cross-section of dual-pore sized Ni-Mn-Ga shape memory foam.

Ligas magnéticas com memória de forma reagem a campos magnéticos se expandindo ou se contraindo.
Créditos e imagem ampliada

O termo “espuma metálica” parece uma contradição. No entanto, ligas metálicas fundidas, tanto com bolsões preenchidos por gás, como com poros abertos, têm sido levadas em conta para muitas aplicações, tais como aeronaves, que necessitam de resistência combinada com peso leve.

De acordo com Dunand, espumas metálicas porosas são feitas em um processo com duas etapas. Primeiro, os pesquisadores criam um molde negativo, aquecendo uma cerâmica em pó, até que ela forme um corpo rígido com vários poros abertos. Em seguida, eles derramam uma liga metálica fundida bem dentro dos poros. Depois que a liga se solidifica em forma cristalina, a forma de cerâmica é dissolvida por uma solução ácida, deixando um arranjo de finas hastes metálicas que lembram uma esponja.

Após criar a esponja, os cientistas precisam “adestrar” a mesma para realizar seus truques magnéticos. Müllner relata: “Nós aplicamos repetidamente um campo magnético e uma carga mecânica, à medida em que aquecemos e resfriamos o material. Como resultado, o material começa a se deformar cada vez com mais facilidade e em maiores quantidades. Durante esse processo, a micro-estrutura interna do material se modifica, o que quer dizer que o número, a orientação e a mobilidade de certas fronteiras especiais dos grãos – as assim chamadas “fronteiras gêmeas” “maclas” [obrigado Felipe!] – se modificam”.

Resultados Promissores

Dunand e Müllner decidiram-se por cooperar neste problema, coemçando com espuma feita de Ni-Mn-Ga, uma liga de níquel, manganês e gálio. Dunand relata: “Três meses depois, nós tínhamos os primeiros resultados: uma patente, uma verba-prêmio da Fundação Nacional de Ciências e um artigo publicado em Physical Review Letters“.

No entanto, a deformação total da espuma obtida ainda era relativamente pequena. Para a próxima fase de suas pesquisas, eles decidiram fazer a espuma com dois tamanhos diferentes de poros: alguns de cerca do tamanho dos grãos cristalinos e outros menores que os grãos. “Para produzir espuma, tanto com poros grandes como pequenos, misturamos dois pós cerâmicos para criar um correspondente molde negativo”, lembra Dunand.

Os resultados, publicados em Nature Materials, foram melhores do que os pesquisadores esperavam. Com os poros de um único tamanho, eles obtiveram uma MFIS de apenas 0,12%, o que equivale a uma haste de um pé (33 cm) capaz de esticar cerca de um centésimo de polegada (0,256 mm). Porém, com dois tamanhos diferentes de poros, a  MFIS aumentou para algo entre 2,0 a 8,7 %, o que significa a mesma haste esticando de 1/4 de polegada (6,4 mm) a uma polegada (25,6 mm).

Pondo a Espuma para Trabalhar

Ligas com memória de formato tem sido usadas em sensores e controladores mecânicos de todos os tipos. No entanto, ainda não existem no mercado dispositivos comerciais que empreguem espumas de MSMAs, segundo Dunand.

Ele diz: “Posso imaginar que a refrigeração magnética pode se tornar a primeira aplicação tecnológica da espuma magnética com memória de forma. Quando a espuma se torna magnetizada, ela se aquece. Inversamente, quando ela é desmagnetizada, se resfria”.

“Os vários poros na espuma fornecem uma grande área de superfície, o que acelera a troca de calor e, dessa forma, a eficiência. E, como a energia magnética pode ser facilmente produzida com energia elétrica, isso torna a espuma atraente para uma tecnologia verde de refrigeração”.

A equipe de pesquisadores também incului Markus Chmielus e C. Witherspoon, da Boise State University, e X.X. Zhang, da Northwestern University.


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