Resistente a Radioatividade

Como fabricar material ultraduro e resistente à radioatividade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/12/2019

Amostra do B6C, o material mais duro da natureza, depois do diamante e da fase cúbica do nitreto de boro.
[Imagem: Universidad de Sevilla]

Carbeto de boro

Quando se fala em materiais ultraduros e não tão caros quanto o diamante, o carbeto de boro desponta nas primeiras posições.

Trata-se de um material cerâmico extremamente duro e estável a temperaturas muito elevadas, usado em diversas aplicações industriais, ferramentas de furação, armaduras de tanques, coletes à prova de balas, revestimentos antirradiação de reatores nucleares etc.

Mas não é um material único; na verdade, é uma família de materiais cerâmicos com fórmula genérica BxC, onde x é o número de átomos de boro para cada átomo de carbono.

O representante "oficial", ou canônico (em linguagem científica, estequiométrica), é o B4C, mas a família vai do B4C ao B14C, ao menos teoricamente. Como as características de cada um variam não linearmente com a quantidade de boro, é necessário sintetizar o material para checar suas propriedades.

B6C

O B6C já havia sido descrito pela teoria, mas ninguém havia conseguido fabricá-lo para confirmar suas propriedades previstas, que prometiam ser ainda melhores do que seus parentes comerciais.

Foi justamente isso que conseguiram agora Bibi Moshtaghioun e seus colegas da Universidade de Sevilha, na Espanha.

O B6C foi fabricado utilizando a técnica de zona flutuante a laser, que consiste na fusão por meio da aplicação de intensa radiação laser e, em seguida, na rápida solidificação. Isso é muito mais simples e viável do que as técnicas tradicionais de alta pressão e alta temperatura normalmente utilizadas na obtenção de materiais ultraduros.

A técnica permitirá fabricar um material barato e ultrarresistente para uso em aviões, carros e outros meios de transporte. Além disso, o B6C também é ultrarresistente à radioatividade.

A fase B6C obtida por esta técnica apresentou uma dureza de 52 GPa e um módulo Young de 600 GPa - para comparação, a dureza do diamante é de cerca de 45 GPa, embora possua um módulo Young de 1050 GPa.

"Isso faz da fase B6C o material mais duro da natureza, depois do diamante e da fase cúbica do nitreto de boro," afirmam os pesquisadores.

Bibliografia:
Artigo: Elusive super-hard B6C accessible through the laser-floating zone method - Autores: Bibi Malmal Moshtaghioun, Francisco L. Cumbrera, Diego Gómez-García, Jose I. Peña - Revista: Nature Scientific Reports  -  Vol.: 9, Article number: 13340
DOI: 10.1038/s41598-019-49985-2

A intimidade da materia

Interação entre luz e matéria chega ao nível dos fótons e átomos individuais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/10/2019

 Ilustração esquemática do experimento - a interação se dá entre um átomo artificial e um único fóton. [Imagem: Universidade da Basileia/Departamento de Física]

Interação luz-matéria

Físicos conseguiram criar uma interface entre a luz e a matéria na qual uma cavidade microscópica permite a interação eficiente entre um átomo e um fóton.

Dentro dessa cavidade, um único fóton é emitido e absorvido até 10 vezes por um átomo artificial, o que abre novas perspectivas para as tecnologias quânticas.

A conversão de um quantum de energia emitido por um ponto quântico para um fóton e vice-versa é bem fundamentada na teoria, mas "ninguém nunca havia observado essas oscilações tão claramente antes," disse o professor Richard Warburton, da Universidade de Basileia, na Suíça.

Fóton conversando com átomo

Conseguir uma interação entre um único fóton e um único átomo é um enorme desafio devido ao pequeno tamanho do átomo. No entanto, ficar enviando fótons rumo ao átomo várias vezes por meio de espelhos aumenta significativamente a probabilidade de uma interação.

Normalmente, as partículas de luz voam em todas as direções, como quando saem de uma lâmpada. Por isso, os pesquisadores usaram um emissor de fótons únicos, posicionando um ponto quântico em uma cavidade com paredes reflexivas. Os espelhos curvos refletem cada fóton emitido até 10.000 vezes, causando uma interação entre a luz e a matéria.

Os pontos quânticos são como átomos artificiais. Essas estruturas semicondutoras são formadas por dezenas de milhares de átomos, mas todos se comportam como se fossem um único átomo: quando são opticamente energizados, seu estado de energia muda e eles emitem um fóton.

As medições mostram que um único fóton é emitido e absorvido até 10 vezes pelo ponto quântico. No nível quântico, o fóton é transformado em um estado de energia mais alto do átomo artificial, momento no qual um novo fóton é criado. E isso acontece muito rapidamente, o que é muito desejável em termos de aplicações tecnológicas quânticas: um ciclo dura apenas 200 picossegundos.

Tecnologias quânticas

O experimento é particularmente significativo porque não há interações fóton-fóton diretas na natureza. No entanto, é necessária uma interação controlada para uso no processamento quântico de informações.

Ao transformar a luz em matéria, uma interação entre fótons individuais se torna indiretamente possível, o que se dá através do desvio de um entrelaçamento entre um fóton e o spin de um único elétron preso no ponto quântico. Se vários desses fótons estiverem envolvidos, torna-se possível criar portas quânticas por meio dos fótons entrelaçados.

Este é um passo vital na geração de qubits fotônicos, que podem armazenar informações por meio do estado quântico das partículas de luz e transmiti-las por longas distâncias.

Bibliografia:

Artigo: A gated quantum dot strongly coupled to an optical microcavity
Autores: Daniel Najer, Immo Söllner, Pavel Sekatski, Vincent Dolique, Matthias C. Löbl, Daniel Riedel, Rüdiger Schott, Sebastian Starosielec, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Nicolas Sangouard, Arne Ludwig, Richard J. Warburton - Revista: Nature - DOI: 10.1038/s41586-019-1709-y

Qutrit torna computador quântico exponencialmente mais rápido

Qutrit torna computador quântico exponencialmente mais rápido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/07/2019

Este chip com bits supercondutores mostrou que é possível ter bits quânticos com até cinco dados diferentes.

[Imagem: Erik Lucero]

Bits com múltiplos dados

Nos últimos anos, vários grupos de físicos vêm demonstrando que os qudits são melhores que os qubits para conter os dados dos computadores quânticos.

Qudit é uma referência genérica a um bit quântico de "d" dimensões, onde o termo dimensões refere-se aos múltiplos dados que podem ser guardados numa única célula de memória quântica.

Nas demonstrações anteriores, as vantagens dos qudits em relação aos qubits vinham resultando apenas em ganhos por fatores constantes.

Pranav Gokhale e seus colegas da Universidade de Chicago, nos EUA, usaram um qutrit - um qudit com três níveis de energia - para demonstrar que ir além dos tradicionais qubits resulta em ganhos logarítmicos, aumentando ainda mais o poder computacional esperado dos computadores quânticos.

Além do binário

O trabalho se enquadra no contexto de uma busca de equilíbrio comum na ciência da computação: Os programas podem ser acelerados usando mais memória ou, alternativamente, os programas podem reduzir requisitos de memória incorrendo em tempos de execução mais longos.

Mas, no contexto da computação quântica, com fortes limitações de memória e tempos de execução, nenhuma dessas compensações é aceitável.

Felizmente, os dados em um computador quântico pertencem a um espectro infinito, de modo que o qubit é meramente uma "escolha" de usar somente dois estados do sistema quântico que representa o bit. "Embora a lógica binária faça sentido para a física liga-desliga subjacente aos computadores convencionais, o hardware quântico não é inerentemente binário," reforça Gokhale.

Qutrits

De fato, ao usar três estados - via qutrits - uma das operações fundamentais na computação quântica é exponencialmente mais rápida, sem a necessidade de memória adicional. A equipe verificou sua descoberta com simulações executadas sob condições de ruído realistas.

A seguir, eles ajustaram seus algoritmos quânticos baseados em qutrits usando trabalhos já realizados por outras equipes com bits quânticos supercondutores e iônicos, duas das versões preferidas das equipes trabalhando com hardware quântico real.

"Os qutrits vêm com um custo, já que a presença de um estado adicional implica em mais possíveis fontes de erro," disse Gokhale. "No entanto, nossas simulações demonstram que os qutrits têm uma vantagem convincente, com confiabilidade de duas a dez vezes maior do que os algoritmos de apenas qubits para benchmarks de curto prazo".

"Ao adaptar os algoritmos para aproveitar os recursos exclusivos do hardware quântico, percebemos ganhos de eficiência ocultos por trás das barreiras de abstração entre hardware e software. Nesse caso, nossa modelagem de hardware nos levou a revisitar e desafiar a sabedoria convencional de que a operação binária é a melhor para a computação," completou o professor Frederic Chong.

https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=qutrit-exponencialmente-melhor-qubit&id=010150190708#.XSOAv-hKjIU

Reciclagem de energia

Termoeletricidade bate recorde na reciclagem de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/06/2019

    O recorde da métrica ZT era de 1,0. O novo material atingiu 1,7. [Imagem: Burton et al. - 10.1002/aenm.201900201]

Termoelétrico impresso em 3D

A termoeletricidade, a tecnologia capaz de converter o calor em eletricidade, bateu um novo recorde.

Essa tecnologia é promissora para a chamada "reciclagem de energia", em que o calor residual de máquinas e equipamentos pode ser reconvertido em eletricidade, em vez de gastar mais eletricidade para resfriá-los.

Pesquisas anteriores já haviam demonstrado que um material chamado seleneto de estanho (SnSe), um composto de estanho (Sn) e selênio (Se), tem alto potencial como material termoelétrico. O problema é que os métodos necessários para sua fabricação exigem muita energia e, portanto, são caros.

Agora, Matthew Burton, da Universidade Swansea, no Reino Unido, desenvolveu uma técnica de baixo custo, inspirada na impressão 3D, para produzir o seleneto de estanho, e produzi-lo em grandes volumes, o que é ideal para a indústria. O produto é o material termoelétrico de melhor desempenho registrado até o momento, com um fator de eficiência otimizado em 70% em comparação ao recorde anterior.

Métrica ZT

A eficiência no desempenho dos materiais termoelétricos é medida em termos de ZT, uma expressão numérica para comparar diversos materiais ou dispositivos do mesmo tipo. O valor de ZT é calculado multiplicando o coeficiente de Seebeck ao quadrado pela temperatura de operação e pela condutividade elétrica, e dividindo tudo pela condutividade termal do material.

O novo material apresentou um ZT de 1,7, contra o recorde anterior de 1,0. Em termos mais simples, isto significa uma taxa de eficiência na conversão de calor em eletricidade de 9,5%, em comparação com 4,5% para o melhor da categoria até agora.

"Mais trabalho é necessário, mas nosso trabalho já mostra que essa técnica, combinando eficiência e economia, pode ser muito atraente para indústrias intensivas em energia," disse o professor Matt Carnie, citando como exemplo a indústria do aço, que consome quantidades enormes de eletricidade, grande parte da qual sai do processo na forma de calor, sem nenhum aproveitamento.

https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=termoeletricidade-bate-recorde-reciclagem-energia&id=010115190613#.XQJEAYhKjIU

Refazendo o homem

Órgãos vivos impressos em 3D com corante alimentar

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/05/2019

Modelo em escala de um alvéolo pulmonar, com as vias aéreas e os vasos sanguíneos que nunca se tocam, mas são capazes de fornecer oxigênio aos glóbulos vermelhos. [Imagem: Jordan Miller/Rice University]

Bioimpressão

O corante amarelo de alimentos número 5 - um aditivo alimentar largamente usado pela indústria - revelou-se o ingrediente secreto para viabilizar a impressão 3D de biomateriais, dotados de redes complexas fisicamente emaranhadas, que caracterizam os tecidos biológicos, como a vasculatura, por exemplo.

Os tecidos dos órgãos movimentam fluidos e trocam materiais através de redes vasculares distintas, embora biofísica e bioquimicamente conectadas. Com o advento da impressão 3D, os pesquisadores logo se deram conta da possibilidade de usar essa tecnologia para construir órgãos artificiais. Mas reproduzir essa vasculatura em materiais biocompatíveis utilizados para o cultivo de tecidos tem sido um desafio.

Uma técnica que está sendo desenvolvida para criar estruturas artificiais capazes de imitar a complexa arquitetura vascular dos tecidos biológicos, como as encontradas no interior dos pulmões, é conhecida como estereolitografia de projeção.

A técnica usa luz projetada e resinas fotorreativas para criar objetos sólidos. Os aditivos fotoabsorventes podem ser usados para impedir a fotopolimerização indesejável fora da região alvo, para assegurar resolução suficiente para a criação de arquiteturas complexas.

Ocorre que as substâncias químicas disponíveis para isso são reconhecidamente cancerígenas e genotóxicas, ou seja, totalmente inadequadas para biomanufatura.

 Detalhes do processo de biofabricação 3D. [Imagem: Grigoryan et al. - 10.1126/science.aav9750]

Fotoabsorvente

Bagrat Grigoryan e colegas da Universidade Rice, nos EUA, descobriram agora que corantes alimentares naturais e sintéticos amplamente utilizados podem ser usados como potentes fotoabsorventes na produção de redes vasculares intrincadas e funcionais dentro de hidrogéis, rompendo com a grande limitação prática da estereolitografia de projeção.

O corante alimentar tartrazina - ou amarelo #5 - um corante alimentar comum encontrado em uma variedade de salgadinhos e bebidas, funciona como um aditivo bloqueador de luz para criar rapidamente elaborados hidrogéis multivasculares.

A equipe demonstrou as capacidades funcionais desses materiais recriando processos biológicos, como a oxigenação das células sanguíneas no pulmão, por exemplo. Além disso, eles otimizaram um tecido hepático produzido por bioengenharia e transplantaram-no com sucesso em um modelo de lesão hepática crônica em camundongos para destacar o potencial de translação do método para aplicações práticas na área de saúde.

Impressão 3D de tecidos biológicos

Grigoryan está disponibilizando a nova tecnologia de bioimpressão em sistema de código aberto - ele a chama de "aparelho de estereolitografia para engenharia de tecidos", ou SLATE, na sigla em inglês.

O sistema usa a manufatura aditiva para fazer hidrogéis macios uma camada por vez, com um nível de detalhamento suficiente para imitar os tecidos biológicos reais.

As camadas são impressas a partir de uma solução líquida de pré-hidrogel que se torna sólida quando exposta à luz azul. Um projetor de luz digital lança luz de baixo para cima, mostrando fatias 2D sequenciais da estrutura em alta resolução, com tamanhos de píxeis variando de 10 a 50 micrômetros.

Com cada camada solidificada por sua vez, um braço suspenso eleva o gel 3D em crescimento apenas o suficiente para expor o líquido à próxima imagem do projetor. Os corantes alimentares absorvem a luz azul, confinando a solidificação a uma camada muito fina. Desta forma, o sistema pode produzir géis macios e biocompatíveis, à base de água, e com arquitetura interna intrincada, em questão de minutos.

• Levitação magnética de células poderá criar órgãos artificiais

Bibliografia:

Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels,
Bagrat Grigoryan, Samantha J. Paulsen, Daniel C. Corbett, Daniel W. Sazer, Chelsea L. Fortin, Alexander J. Zaita, Paul T. Greenfield, Nicholas J. Calafat, John P. Gounley, Anderson H. Ta, Fredrik Johansson, Amanda Randles, Jessica E. Rosenkrantz, Jesse D. Louis-Rosenberg, Peter A. Galie, Kelly R. Stevens, Jordan S. Miller Science
Vol.: 364 Issue 6439 - 458-464 DOI: 10.1126/science.aav9750