Tudo a trezentos mil km

Criada calculadora que faz contas usando apenas luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  31/07/2018

Toda a técnica de fabricação consiste em cruzar os dois tipos de nanofios, para que eles possam interagir com a luz, cada um à sua maneira. [Imagem: He Yang et al. - 10.1126/sciadv.aar7954]

Calculadora de luz

As calculadoras digitais foram uma das primeiras "maravilhas da eletrônica" que a miniaturização colocou nas mãos da maior parte das pessoas.

Agora, conforme caminhamos da eletrônica para a fotônica - a computação que usa luz em vez de eletricidade -, já podemos contar com as primeiras versões de luz desses dispositivos tão práticos.

A primeira calculadora totalmente óptica - que funciona apenas com luz - acaba de ser fabricada por He Yang e seus colegas da Universidade de Aalto, na Finlândia.

Ela ainda não está pronta para ir para as prateleiras, mas a demonstração da fotônica realizando todas as operações lógicas, os blocos básicos de toda a computação, mostra que há de fato um caminho de luz pela frente.

• Processador troca elétrons por luz para ficar mais rápido

Fotônica com semicondutores

Para construir a calculadora, Yang sintetizou dois tipos de nanofios semicondutores, um de fosfeto de índio (InP) e outro de arseneto de alumínio-gálio (AlGaAs).

Os nanofios são tão finos que se comportam como estruturas unidimensionais, funcionando como minúsculas antenas para a luz.

O passo essencial é "pentear" os nanofios depois que eles são sintetizados, o que permite estabelecer os cruzamentos entre eles para permitir que a luz de cada um interfira na luz do outro, a fim de executar os cálculos.

"As estruturas unidimensionais e de barra transversal são o núcleo de nossos cálculos porque permitem que a luz de entrada escolha com qual nanofio ela interage - ou com o fosfeto de índio ou com o arseneto de alumínio-gálio," explicou Yang.

Dependendo da entrada - neste caso a direção da luz polarizada linearmente e seu comprimento de onda - os nanofios interagem ou não com a luz. Na prática, isso é semelhante ao funcionamento das antenas usadas nos antigos receptores de rádio: Eles só recebem sinais quando apontam na direção ideal, tipicamente para cima.

Como a resposta dos diferentes nanomateriais é diferente, a saída de luz da estrutura de nanofios pode ser chaveada com diferentes comprimentos de onda e direções da luz para a realização das operações lógicas - por enquanto, a calculadora fotônica só faz adição e subtração.

• Cálculos matriciais feitos com luz prometem acelerar inteligência artificial

Bibliografia:

Nanowire network-based multifunctional all-optical logic gates
He Yang, Vladislav Khayrudinov, Veer Dhaka, Hua Jiang, Anton Autere, Harri Lipsanen, Zhipei Sun, Henri Jussila
Science Advances
Vol.: 4, no. 7, eaar7954
DOI: 10.1126/sciadv.aar7954

Estamos avançando, estamos

E-derme dá sensação de toque e dor a mão biônica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  28/06/2018

A e-derme usa um modelo neuromórfico para traduzir os sinais eletrônicos em estímulos nervosos. [Imagem: Luke E. Osborn et al. - 10.1126/scirobotics.aat3818]

Pele eletrônica

Engenheiros biomédicos criaram uma nova geração de pele eletrônica capaz de restaurar um senso de toque verdadeiro em pacientes que perderam membros e usam próteses.

"Depois de muitos anos, eu senti minha mão, como se uma concha vazia tivesse sido enchida com vida novamente," disse o testador anônimo que serviu como voluntário da equipe da Universidade Johns Hopkins, nos EUA.

Feita de tecido e borracha e incorporada com sensores para imitar as terminações nervosas, a e-derme - uma derme eletrônica - recria não apenas a sensação de toque, mas também estímulos sensoriais, como a dor, e retransmite os impulsos de volta aos nervos periféricos.

A inspiração na biologia humana significa que a pele eletrônica permite que o usuário sinta um espectro contínuo de percepções táteis, desde o toque leve até estímulos nocivos ou dolorosos.

"Nós fabricamos um sensor que vai além das pontas dos dedos de uma mão protética e age como sua própria pele. Ele foi inspirado no que acontece na biologia humana, com receptores para toque e para dor.

"Isso é interessante e novo porque agora nós podemos pegar uma mão protética que já está à venda no mercado e dotá-la de uma e-derme que pode dizer ao usuário se ele ou ela está pegando algo que é redondo ou se tem extremidades pontiagudas," disse o pesquisador Luke Osborn.

Diversos tipos de sensores - por enquanto apenas nas pontas dos dedos - são usados para imitar as terminações sensoriais naturais. [Imagem: Luke E. Osborn et al. - 10.1126/scirobotics.aat3818]

Sensores de toque e dor

Para que a e-derme codifique sensações eletronicamente, da mesma forma que os receptores na pele, a equipe criou um "modelo neuromórfico" que imita os receptores de toque e dor do sistema nervoso humano. Rastreando a atividade do cérebro através de eletroencefalografia, ou EEG, a equipe comprovou que o voluntário estava mesmo percebendo essas sensações em sua mão biônica.

A equipe conectou a e-derme ao voluntário usando um método não invasivo, conhecido como estimulação nervosa transcutânea, ou TENS. Em uma tarefa de detecção de dor, o voluntário experimentou uma reação reflexa natural à dor ao tocar um objeto pontudo, dor que não foi sentida ao tocar objetos redondos, por exemplo.

A e-derme ainda não é sensível à temperatura - neste teste inicial, a equipe focou na detecção da curvatura do objeto (para percepção do toque e da forma) e nitidez (para percepção da dor).

Além de ajudar amputados a recuperarem a sensação, essa tecnologia poderá ser usada para tornar os sistemas robóticos mais humanos e para dar sensibilidade às luvas e trajes espaciais dos astronautas.

Bibliografia:

Prosthesis with neuromorphic multilayered e-dermis perceives touch and pain
Luke E. Osborn, Andrei Dragomir, Joseph L. Betthauser, Christopher L. Hunt, Harrison H. Nguyen, Rahul R. Kaliki, Nitish V. Thakor
Science Robotics
Vol.: 3, Issue 19, eaat3818
DOI: 10.1126/scirobotics.aat3818

Mais rápido, muito mais rápido

Bits viram piscadas de luz para acelerar computadores

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/06/2018

Visualização artística de um circuito integrado comunicando-se por luz, em vez de elétrons, para permitir uma comunicação mais rápida e eficiente em termos energéticos. A chave é o novo interruptor eletro-óptico. Uma fibra óptica (a partir da esquerda) serve de referência de tamanho.[Imagem: ETH Zurich]

Bits fotônicos

Pesquisadores da área de fotônica criaram um microcomponente que traduz os bits 0 e 1 da linguagem digital, que são tipicamente sinais elétricos nos processadores e memórias, em bits de luz, ou fotônicos, que têm velocidades dez vezes maiores do que as tecnologias atuais.

O componente é um modulador eletro-óptico, que converte sinais elétricos em pulsos de luz prontos para viajar pelos cabos de fibras ópticas. Além disso, o processamento de dados com luz promete ser muito mais veloz e consumir uma fração da energia usada pelos processadores atuais, o que significa que eles virtualmente não vão esquentar, permitindo ganhos adicionais de velocidade.

"Tal como aconteceu com avanços anteriores na tecnologia da informação, este pode impactar dramaticamente a maneira como vivemos," antevê o professor Larry Dalton, da Universidade de Washington, nos EUA.

O novo componente eletro-óptico já nasce próximo do tamanho dos atuais componentes dos circuitos eletrônicos, o que é necessário para a integração dos sistemas fotônicos e eletrônicos em um único chip.

Com ele, a largura de banda é aumentada por um fator de 10, enquanto o consumo de energia é reduzido por um fator de 1.000.

Plasmônica

A nova tecnologia foi possível explorando uma quasipartícula chamada plásmon polariton, que possui propriedades intermediárias entre elétrons e fótons. Essa tecnologia de partículas híbridas é conhecida como plasmônica.

As aplicações do componente podem ser divididas em duas categorias com base no comprimento de onda da luz que ele for projetado para gerar: as telecomunicações por fibra óptica e as interconexões ópticas na computação utilizam luz em frequências ópticas (infravermelho), enquanto aplicações como telecomunicações sem fio e radar usam radiação eletromagnética nas regiões de radiofrequência e micro-ondas.

Bibliografia:

Low-loss plasmon-assisted electro-optic modulator
Christian Haffner, Daniel Chelladurai, Yuriy Fedoryshyn, Arne Josten, Benedikt Baeuerle, Wolfgang Heni, Tatsuhiko Watanabe, Tong Cui, Bojun Cheng, Soham Saha, Delwin L. Elder, Larry. R. Dalton, Alexandra Boltasseva, Vladimir M. Shalaev, Nathaniel Kinsey, Juerg Leuthold
Nature
Vol.: 556, pages 483-486
DOI: 10.1038/s41586-018-0031-4

Matéria

Anti-Big Bang cria novo tipo de acelerador de partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/05/2018

Vista esquemática de uma implosão de microbolhas, mostrando a totalidade dos eventos principais integrados, isto é, a iluminação por laser, a dispersão de elétrons quentes, a implosão e a emissão de prótons.[Imagem: M. Murakami]

Acelerador de partículas

Físicos japoneses descobriram um fenômeno físico de altíssima energia que lança as primeiras luzes sobre fenômenos espaciais de grandes escalas de tempo e espaço, até agora inexplicados, e que terá importantes aplicações aqui na Terra, principalmente na área de saúde e ciência dos materiais.

Masakatsu Murakami e seus colegas da Universidade de Osaka afirmam que o fenômeno, batizado de "implosão de microbolhas", se parece com um Big Bang ao contrário e é essencialmente diferente de qualquer princípio de aceleração de partículas previamente descoberto ou proposto.

O mecanismo pode explicar a origem dos até agora inexplicáveis aceleradores naturais de partículas, detectados em 2009 em escala galáctica.

Compressão a laser

Tudo começa com a tecnologia de compressão de pulsos de laser, inventada no final da década de 1980, que consiste em técnicas que liberam o laser em curtos pulsos de alta potência - os chamados lasers pulsados - aumentando a intensidade do laser em até 10 milhões de vezes. Esta técnica está sendo usada, por exemplo, em experimentos de fusão nuclear.

Murakami e seus colegas usaram um laser desse tipo para comprimir a matéria até um nível sem precedentes, atingindo uma densidade comparável à da matéria do tamanho de um cubo de açúcar pesando mais de 100 quilogramas.

Quando pressão induzida pelo laser chegou a esse nível, a equipe detectou a emissão de prótons - íons de hidrogênio - de alta energia a partir de aglomerados em nanoescala positivamente carregados, essencialmente um novo mecanismo de aceleração de partículas nunca antes visto ou teorizado.

Esses íons de hidrogênio de energia super alta - também conhecidos como prótons relativísticos - são emitidos no momento em que o laser incide sobre hidretos com bolhas esféricas, bolhas estas com dimensões na faixa dos micrômetros, fazendo as bolhas encolherem até dimensões atômicas.

Pelo que se sabia até agora, seria necessária uma distância de aceleração de dezenas a centenas de metros para que os aceleradores pudessem gerar uma energia tão grande.

Este é o nanopulsar criado pela equipe - implosões e expansões repetidas criam um acelerador de partículas inédito. [Imagem: M. Murakami]

Oposto do Big Bang e nanopulsar

A implosão de uma microbolha gera um movimento iônico inédito, no qual os íons viajam à metade da velocidade da luz e convergem para um único ponto no espaço - um fenômeno que se parece com o oposto do Big Bang, disse Murakami.

Repetindo o processo, ou seja, emitindo pulsos seguidos de laser sobre o material, a equipe criou o que eles chamam de um "nanopulsar", um aglomerado de matéria de alta densidade, só que em nanoescala, emitindo partículas relativísticas de alta energia - um pulsar é uma estrela de nêutrons giratória que emite pulsos regulares de radiação em dois feixes simétricos, parecida com um farol.

Aplicações científicas e tecnológicas

A equipe destaca que este novo conceito ajudará a esclarecer a física espacial de grandes escalas de tempo e espaço, como as origens dos prótons de alta energia que se movem nas estrelas e no espaço, ou mesmo perto de planetas gigantes - recentemente se descobriu um acelerador de partículas natural ao redor de Saturno.

Além disso, compondo uma fonte compacta de radiação de nêutrons através da fusão nuclear, este conceito será utilizado em uma variedade de aplicações em tratamentos médicos e na indústria, como a radioterapia de prótons para tratar o câncer, o desenvolvimento da geração de energia pela fusão nuclear a laser, o desenvolvimento de novas substâncias e ferramentas de análise para melhoria das células de combustível.

• Fusão nuclear fica um pouco mais próxima da realidade

Bibliografia:

Generation of ultrahigh field by micro-bubble implosion
Masakatsu Murakami, A. Arefiev, M. A. Zosa
Nature Scientific Reports
DOI: 10.1038/s41598-018-25594-3

Nova economia crescendo

Energia renovável emprega mais de 10 milhões de pessoas

Com informações da Agência Brasil -  14/05/2018

Empregos em energia renovável

O setor de energia renovável - que inclui as hidrelétricas - emprega mais de 10 milhões de pessoas no mundo, de acordo com o relatório Renewable Energy and Jobs - Annual Review, lançado durante a reunião anual da Agência Internacional de Energia Renovável (Irena, na sigla em inglês), organização intergovernamental global com 156 países membros.

De acordo com o relatório, em 2017 foram criados mais de 500 mil empregos no campo das energias renováveis, um aumento de 5,3% em relação a 2016.

A China, Brasil, Estados Unidos, Índia, Alemanha e o Japão continuam a ser os maiores empregadores do mercado de energia renovável no mundo, representando mais de 70% de todos os empregos no setor globalmente.

"Embora um número crescente de países esteja colhendo os benefícios socioeconômicos das energias renováveis, a maior parte da produção ocorre em relativamente poucos países e os mercados domésticos variam enormemente em tamanho," diz o relatório.

Descarbonização

A agência estima que a economia global poderá criar até 28 milhões de empregos no setor de energia renovável até 2050, com a descarbonização do sistema energético - a descarbonização refere-se ao afastamento do petróleo e gás natural.

Os dados mostram que a produção de energia solar fotovoltaica continua sendo o maior empregador de todas as tecnologias de energia renovável, respondendo por cerca de 3,4 milhões de empregos. A estimativa é que a China responda por dois terços dos empregos fotovoltaicos, equivalente a 2,2 milhões, o que representa uma expansão de 13% em relação a 2016.

No Brasil, o relatório destaca que o número de empregos no segmento de biocombustíveis aumentou 1% em 2017, totalizando 593.400 postos de trabalho. "Os empregos em etanol diminuíram devido à constante automação e ao declínio da produção de etanol," aponta a agência.

Apesar da queda na produção de empregos no setor de etanol, a agência disse que houve compensação com os empregos gerados pelo biodiesel. A Irena estima que o Brasil empregou 202 mil pessoas no setor de biodiesel em 2017, 30 mil a mais em relação ao ano anterior.

Já no que diz respeito à indústria eólica, o levantamento estima que o setor emprega cerca de 33.700 pessoas na fabricação, construção, instalação, operação e manutenção. Em 2017, a indústria eólica fechou o ano com 12,8 GigaWatts (GW) de energia acumulados.

Segundo Adnan Z. Amin, diretor-geral da agência, a energia renovável tornou-se um pilar do crescimento econômico de baixo carbono para governos em todo o mundo, um fato refletido pelo crescente número de empregos criados no setor.

Chegando lá

Bateria de hidrogênio: Primeiros protótipos funcionais

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/03/2018

Bateria de hidrogênio

As baterias de hidrogênio, ou baterias de prótons, estão entre os conceitos promissores para a substituição das baterias de lítio ou mesmo das células de combustíveis.

Como em todo novo conceito, o progresso tem sido mais lento do que se desejava. Em apenas uma semana, contudo, duas equipes, trabalhando independentemente, mostraram resultados importantes.

A primeira equipe, formada por pesquisadores de várias universidades dos EUA, desenvolveu um novo eletrodo para a bateria de hidrogênio - o eletrodo é o material por onde a corrente elétrica entra, durante a recarga, ou sai da bateria, quando sua energia é usada. Para ser eficiente, um eletrodo precisa de muita área superficial. Para isso, a equipe cultivou nanotubos de carbono diretamente sobre fibras de carbono, formando um eletrodo não apenas poroso, mas com poros minúsculos.

"Antes do nosso trabalho, as pessoas usavam eletrodos de carbono de papel e tinham que empilhar eletrodos para gerar uma saída de alta potência. Os eletrodos tinham que ser muito mais grossos e mais caros porque você precisava usar múltiplas camadas - eles são mais volumosos e mais resistivos.

"Nós tivemos uma ideia simples, mas inovadora, de crescer pequenos nanotubos de carbono diretamente sobre fibras de carbono dentro dos eletrodos - como minúsculos pêlos - e com isso aumentamos a área superficial em 50 a 70 vezes. Resolvemos a exigência de elevada área superficial para eletrodos de bateria de hidrogênio-bromo," disse Trung Van Nguyen, da Universidade do Kansas, um dos líderes da equipe.

Uma questão fundamental que resta antes que uma bateria de brometo de hidrogênio possa chegar ao estágio comercial é o desenvolvimento de um catalisador eficaz para acelerar as reações no lado do hidrogênio da bateria e fornecer uma saída maior - e um catalisador que sobreviva à extrema corrosividade do sistema. A equipe afirma que já está trabalhando nisso.

O protótipo da equipe australiana é ainda menor, mas tem a vantagem de já ser totalmente funcional. [Imagem: RMIT University]

Bateria de hidrogênio funcional

Pesquisadores da Universidade RMIT, na Austrália, demonstraram por sua vez a primeira bateria recarregável de prótons totalmente funcional.

O protótipo também usa um eletrodo de carbono para armazenar o hidrogênio, juntamente com uma célula de combustível reversível para produzir eletricidade.

Durante o carregamento, o carbono no eletrodo liga-se com os prótons - ou átomos de hidrogênio - gerados pela divisão da água em oxigênio e hidrogênio, o que é feito com a ajuda de elétrons de uma fonte de alimentação externa. Os prótons são liberados novamente e passam de volta através da célula de combustível reversível para formar água com o oxigênio do ar e gerar energia. Ao contrário dos combustíveis fósseis, o carbono não queima, não gerando emissões no processo.

O eletrodo poroso de carbono ativado, feito de resina fenólica, armazena cerca de 1% em peso de hidrogênio. Parece pouco, mas esta é uma energia por unidade de massa comparável com a das baterias de lítio comercialmente disponíveis, lembrando que a bateria de prótons é um protótipo em estágio inicial, ainda longe de ser otimizada. A tensão máxima da célula foi de 1,2 volt para uma área de superfície interna ativa de apenas 5,5 centímetros quadrados.

"O trabalho agora se concentrará em melhorar ainda mais o desempenho e a densidade de energia através do uso de materiais à base de carbono em camadas atômicas e finas, como o grafeno, com o objetivo firme de chegar a uma bateria de prótons verdadeiramente competitiva com as baterias de íons de lítio," disse o professor John Andrews.

Ou, eventualmente, as duas equipes possam se unir, já que a equipe norte-americana já desenvolveu um eletrodo mais eficiente usando os nanotubos, que são essencialmente folhas de grafeno enroladas.

Bibliografia:

Technical feasibility of a proton battery with an activated carbon electrode
Shahin Heidari, Saeed Seif Mohammadi, Amandeep Singh Oberoi, John Andrews
International Journal of Hydrogen Energy
Vol.: 43, Issue 12, 22 March 2018, Pages 6197-6209
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.01.153

Highly Dispersed RhxSy Catalyst on Carbon Support with High Nafion Affinity for HER/HOR in HBr Solution
Yuanchao Li, Trung Van Nguyen
ECS Meeting Abstracts