Molécula artificial controla spin de elétrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/07/2010

Cientistas japoneses construíram uma "molécula artificial" formada por componentes semicondutores que, como os átomos naturais, conseguem aprisionar os elétrons em bandas discretas de energia.

Os elétrons são confinados em camadas semicondutoras (laranja e azul) com níveis de energia diferentes, criando os chamados átomos artificiais. Dois deles, construídos um sobre o outro, constituem a molécula artificial, que permite o controle preciso do spin dos elétrons. No detalhe, a estrutura da molécula artificial. [Imagem: Keiji Ono]

Com os elétrons aprisionados e sob controle, torna-se possível ler e controlar seus spins, um passo fundamental para a viabilização de tecnologias futurísticas, como a spintrônica e acomputação quântica.

Manipulação dos spins

Componentes construídos em nanoescala aprisionam os elétrons, confinando-os em camadas de materiais semicondutores que funcionam como bandgaps, criando níveis discretos de energia análogos aos encontrados nos átomos naturais.

Os elétrons ficam confinados em volumes tão pequenos que torna-se possível manipular seus spins - uma propriedade quântica dos elétrons que pode ser interpretada como a direção na qual a partícula está girando.

O spin do elétron, girando num ou noutro sentido, pode ser utilizado para armazenar dados binários - veja Spin de um átomo é fotografado pela primeira vez.

Molécula artificial

Esses átomos artificiais podem apresentar várias outras propriedades dos átomos, graças às suas camadas discretas de energia. "Um exemplo é o Efeito Zeeman, no qual um campo magnético externo divide o nível de energia de um único elétron em dois, dependendo do seu spin," explica o Dr. Keiji Ono, do Instituto Riken, no Japão.

O Dr. Ono e sua equipe agora demonstraram que essa analogia pode ser levada ainda mais longe, fazendo com que dois átomos artificiais, colocados muito próximos entre si, podem se comportar como uma molécula artificial.

Em princípio, seria possível até mesmo transferir um elétron entre os dois átomos artificiais ajustando o nível de energia de um elétron de um deles, por meio de um campo elétrico, por exemplo, para que ele coincida com o nível de energia do segundo átomo.

Esse fenômeno, conhecido como tunelamento ressonante, ocorre em moléculas artificiais formadas por dois átomos idênticos. Os cientistas japoneses verificaram, contudo, com o mecanismo não é tão simples quando a molécula artificial é formada por átomos diferentes.

Efeito Zeeman

A molécula artificial construída por Ono e seus colegas é formada por um átomo de arseneto de gálio, medindo 10 nanômetros de espessura. Sobre ele, foi construído outro átomo artificial, de arseneto de gálio-índio, medindo 6,5 nanômetros.

Os elétrons são aprisionados na transversal, no interior de pilares que atravessam os átomos artificiais, cada um com um diâmetro de menos de um micrômetro.

A diferença no tamanho e na composição dos átomos artificiais significa que o Efeito Zeeman é mais forte no átomo de cima do que no de baixo. Isto impede alinhar os níveis de energia resultantes da divisão Zeeman nos dois átomos ao mesmo tempo.

Por isso, quando um estado de energia de um átomo é alinhado com um estado de energia no outro átomo, o fluxo de elétrons na molécula artificial se reduz, um efeito que eles chamaram de bloqueio de spin.

O fluxo de elétrons voltou a aumentar quando eles ajustaram os dois níveis de Zeeman em um átomo com o ponto intermediário do nível de energia do segundo átomo.

"Esta descoberta pode ser utilizada como uma ferramenta básica para selecionar, filtrar ou inicializar o spin de um elétron individual," afirma Ono. "Eu acredito que isto possa ser muito útil no processamento quântico de informações."

Bibliografia:

Spin Bottleneck in Resonant Tunneling through Double Quantum Dots with Different Zeeman Splittings
S. M. Huang, Y. Tokura, H. Akimoto, K. Kono, J. J. Lin, S. Tarucha, K. Ono
Physical Review Letters
Vol.: 104, 136801
DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.136801

Cortina que engrossa quando esticada resiste a explosões

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/07/2010

Cientificamente falando, o fio é um material auxético - um tipo de material que fica mais grosso quando é esticado. Além de cortinas antibomba, ele poderá ser usado em curativos e fios dentais. [Imagem: Exeter University]

Cientistas criaram um novo tipo de cortina de proteção que, quando esticada, torna-se mais grossa, e não mais fina.

Cortina antibomba

A nova cortina foi projetada para resistir ao impacto e capturar destroços de explosões e acidentes, como os vidros de uma janela ou da fachada de um prédio que se quebram durante tempestades muito fortes, ou mesmo de um carro-bomba.

Já existem no mercado cortinas de proteção com o mesmo objetivo. Fabricadas com malhas grossas e pesadas, contudo, elas ainda dependem de filmes aplicados sobre os vidros para evitar estilhaços.

O objetivo dos pesquisadores foi eliminar a necessidade de cobertura dos vidros e das paredes com filmes antiestilhaços, facilitando o uso da nova cortina também em situações de emergência, por bombeiros e esquadrões antibomba.

Material auxético

O segredo da nova cortina está nas fibras com que ela é tecida.

Uma fibra elástica funciona como núcleo do fio, ao redor da qual é enrolado um fio muito resistente e rígido. Quando este fio mais duro é posto sob tensão, ele se endireita. Isso faz com que a fibra elástica projete-se para fora, efetivamente aumentando o diâmetro do fio.

Cientificamente falando, o fio é um material auxético - um tipo de material que fica mais grosso quando é esticado.

A forma como os fios auxéticos são tecidos para formar a cortina também auxilia na sua capacidade de se tornar mais grossa quando recebe um impacto externo que tende a esticá-la.

A extensão do efeito auxético é determinada pelo ângulo exato em que o fio rígido é enrolado em torno da fibra elástica, e também pela relação de rigidez e diâmetro entre os dois.

A extensão do efeito auxético é determinado pelo ângulo exato em que o fio rígido é enrolado em torno da fibra elástica, e também pela relação de rigidez e diâmetro entre os dois. [Imagem: Auxetix]

Alterando estes parâmetros, é possível ajustar com precisão o desempenho do tecido resultante, tornando-o adequado para aplicações específicas - por exemplo, para suportar diferentes níveis de explosão ou impacto.

Ondas de choque

Outra característica fundamental da nova cortina é que, quando esticada, abrem-se pequenos poros em sua superfície. Além de serem pequenos demais para permitir a passagem de detritos e estilhaços, esses poros são projetados para deixar passar as ondas de choque de uma explosão. Isto reduz a força a que a cortina é submetida, diminuindo a probabilidade de que ela se rasgue.

Com apenas 1 a 2 milímetros de espessura, a cortina antiexplosão também pode ser fabricada de modo a permitir a passagem de uma quantidade razoável de luz natural.

Os testes comprovaram que o tecido auxético resiste a um impacto equivalente à explosão de um carro-bomba.

Curativos e fios dentais

Mas o tecido auxético também pode ser usado em aplicações menos explosivas.

Por exemplo, curativos feitos com o mesmo design resistirão muito melhor ao movimento do paciente. Os poros do material, além de permitirem uma melhor respiração do local afetado, poderão ser preenchidos com antibióticos, que serão liberados aos poucos.

Fios dentais que engrossam quando são esticados também poderão fazer uma limpeza mais eficaz do espaço entre a base dos dentes.

Lonas de proteção em áreas sujeitas a enchentes e deslizamentos são outra aplicação proposta pelos engenheiros da Universidade de Exeter, no Reino Unido, que estão desenvolvendo o novo material, que deverá ser comercializado pela empresa emergente Auxetix Ltd., criada pelos pesquisadores.

Publicado em: Brasil Econômico (Destaque - Biotecnologia - Entrevista) em 23 de Junho de 2010

"Microsofts e googles não nascem todo mês"

Jornal Brasil Econômico publica reportagem especial sobre 10 anos do Projeto Genoma da Xylella e do Genoma Humano e traz como um dos destaques entrevista com Carlos Henrique de Brito Cruz, Diretor Científico da FAPESP.

Martha San Juan França

A revista Nature publicou novo artigo elogioso sobre o bom momento da ciência brasileira no dia 11 de junho deste ano. Nele, cita declarações do diretor científico daFapesp, Carlos Henrique Brito Cruz, segundo o qual, "as coisas estão realmente decolando". Na entrevista abaixo, Brito Cruz elogia o pioneirismo do Projeto Genoma pela Fapesp, mas diz que atualmente há outros igualmente importantes. E afirma que o fato de o genoma ter originado apenas duas empresas não é um mau sinal, mas bastante realista.

O que o senhor considera os resultados do Projeto Genoma da Xylella?

Foram vários, alguns diretamente relacionados ao projeto e outros de abrangência muito maior. Entre os diretamente relacionados está o conhecimento sobre o genoma da própria bactéria e de outros organismos que foram sequenciados em seguida. Foi importante também para a formação de pessoal capacitado para produzir ciência competitiva internacionalmente e spin-offs como a Alellyx e a Scylla. Isso elevou o grau de autoestima dos nossos cientistas, tendo como consequência a valorização da propriedade intelectual. Para a Fapesp, foi importante porque levou a programas de outra natureza, que se beneficiaram dessa experiência. O Bioen (Programa de Pesquisa em Bioenergia), por exemplo, não é um fruto do genoma, mas se beneficiou dele.

Um programa que gerou tantas expectativas não poderia ter originado mais empresas bem-sucedidas?

Essa é uma questão relativa. Eu acredito que duas empresas bem-sucedidas de base tecnológica são um número bastante significativo. Boas universidades internacionais, como o MIT e a Stanford, nos Estados Unidos, geram por ano seis a dez empresas, mas em diferentes áreas do conhecimento. As pessoas têm uma ideia de que as instituições acadêmicas do mundo criam microsofts e googles todo mês, o que não é verdade.

O senhor sente falta de outros projetos genomas na Fapesp?

É bom que haja programas como esse, mas é preciso ter em mente que nem todo progresso científico é feito desse jeito. Há pesquisas menores que contribuem muito e projetos individuais igualmente importantes. O que precisamos é buscar sempre a qualidade. Outra coisa importante é que o Genoma foi um programa bem-sucedido porque antes dele havia 40 anos de CNPq, Capes, Finep apoiando o desenvolvimento da ciência no Brasil. Em São Paulo, particularmente, havia pesquisadores, instituições e três universidades - a USP, a Unicamp e a Unesp.

O senhor pode dizer se atualmente a Fapesp tem outros projetos que podem ser comparados ao do genoma?

Considero que hoje temos três grandes programas em estágios diferentes de desenvolvimento igualmente importantes. Além do Bioen, temos o Biota, sobre a biodiversidade do Estado de São Paulo, e o programa de pesquisas sobre mudanças climáticas. Esse último dependia de um supercomputador que foi agora adquirido e deve começar a trazer resultados significativos. O Biota já está com resultados espetaculares que, inclusive, influenciam as políticas de conservação no Estado. Temos onze resoluções e quatro decretos balizados nos resultados obtidos pelos pesquisadores. E o Bioen abrange 60 projetos de pesquisa em várias áreas e tem a participação de empresas que participam em intensidade quase cem vezes maior do que no genoma.

Como está a integração universidade/empresa?

Hoje, há mais oportunidades do que há dez anos, mas a quantidade e a qualidade ainda é um pouco menor do que a gente vê em países mais desenvolvidos, onde existem mais empresas com programas ousados e centros de pesquisa avançados. A coisa vai melhorar à medida queo Brasil estiver mais exposto ao mercado mundial.

Produção de Celulose Bacteriana: um material para o presente e para o futuro

Apesar da celulose vegetal ser a primeira no quesito de maior produção mundial e na memória da maioria das pessoas, um novo e promissor material está sendo estudado e desenvolvido, com a mesma fórmula molecular, mas com propriedades singulares, este material é a Celulose Bacteriana.

Levando em conta as dimensões nanométricas das fibras da Celulose Bacteriana (CB), que contrastam com as fibras de ordem micrométrica da celulose vegetal (que são 1000 vezes maiores), leva a incríveis aplicações que passam pela área médica, no desenvolvimento de materiais para regeneração de tecidos lesionados, aplicações em diagnósticos mais rápidos e de menor custo com os biosensores; até aplicações em áreas completamente diferentes, como é o caso dos dispositivos fotocrômicos, que mudam de cor em função da luminosidade, aplicações em fotônica, nos dispositivos de OLEDs (organic light emission diodes), filtragem e separação de resíduos tóxicos, biorremediação, nanomateriais, nanocompósitos, híbridos orgânico-inorgânicos, baterias, células combustíveis, entre outros.

O primeiro registro do aparecimento da celulose bacteriana data do século 19, encontrada em colônias de Gluconacetobacter xylinus em frutas em decomposição, mas a sua produção apenas começou a ser difundida e melhorada recentemente, e os maiores rendimentos de CB estão por volta de 15-20 g/L, em laboratório. Hoje, para alívio dos produtores de Eucalipto, o rendimento da CB ainda não tem competitividade com a celulose vegetal, com isso, seu preço ainda não é um atrativo, apesar de ser não tóxica, livre de impurezas, de fácil obtenção e de propriedades ímpares.

Na Ásia a CB é conhecida por seu uso na alimentação, sendo chamada de Nata de côco, que se assemelha muito com a nossa Maria Mole, mas com um sabor particular. É produzida em recipientes contendo diferentes tipos de chás, que servem como meio de cultura e atuam como fonte de carbono para os microorganismos.

Agora, existe um grande esforço para difundir as aplicações desse material para a indústria e a população, e ao mesmo tempo ampliar a aplicabilidade, trabalho realizado por químicos, físicos, farmacêuticos, engenheiros e biotecnólogos de algumas universidades brasileiras, como o Instituto de Química da UNESP de Araraquara, que tem várias linhas de pesquisa com este material bastante interessante.

Igor Donini

Ótimo site sobre Sensores:

http://www.sensedu.com/menu.html

Até +

Piezoeletricidade faz papel celofane virar material inteligente

O papel celofane já teve sua época de glória, muito conhecido do público em geral como papel para embrulhar presentes ou artigos culinários. Agora, pesquisadores norte-americanos e coreanos, trabalhando conjuntamente, descobriram que o quase esquecido celofane é um material inteligente, com aplicações de última geração.

Micro-aviões que batem as asas

Microrobôs, sensores biodegradáveis e micro-aviões de papel capazes de voar "batendo as asas" - estas são as aplicações do celofane, destacadas pelos pesquisadores em um artigo publicado no jornal Macromolecules.

Que a celulose tem um efeito piezoelétrico - ela se curva ligeiramente sob a ação de um campo elétrico - isso já é sabido há muito tempo. Mas, ao contrário dos cristais piezoelétricos, que "dão um tranco", o efeito sutil notado na celulose até hoje não havia atraído muito a atenção dos cientistas.

Papel inteligente

Agora a equipe liderada pelo professor Jaehwan Kim fez um experimento que lançou o celofane definitivamente na área dos materiais inteligentes; e com aplicações práticas muito promissoras.

Em sua experiência, eles construíram dois eletrodos, um de cada lado da borda de uma folha de celofane, na forma de duas finíssimas e estreitas camadas de ouro. Aplicando uma corrente nesses dois eletrodos, eles descobriram que o papel celofane se curva em direção ao pólo positivo.

Borboleta artificial

Para construir um avião, basta alternar rapidamente a voltagem - aplicando uma corrente alternada, ao invés de uma corrente contínua. Assim, o papel vibra na freqüência da corrente que o percorre, funcionando como o bater de asas. E está pronto o avião de papel mais "high-tech" do mundo. Ou, talvez, a primeira borboleta artificial já construída.

Seja como for, o aparato voador não precisará ter fios: a celulose é sensível o suficiente para ser sensibilizada por microondas, que podem ser dirigidas por uma antena até o avião-borboleta.

Mas os cientistas destacam que as maiores possibilidades de utilização estão em microescala: microrobôs e MEMS poderão ganhar mobilidade sem a necessidade de complicados motores - que, além do mais, consomem muita energia. Microrobôs "movidos a celofane" poderão ser acionados à distância, recebendo sua energia de uma antena de microondas.

Isso deverá simplificar muito o projeto e permitir a miniaturização desses sistemas microeletromecânicos. Que, além de tecnologicamente avançados, serão também ambientalmente corretos, já que a celulose é biodegradável.

Bibliografia:
Discovery of Cellulose as a Smart Material
Jaehwan Kim, Sungryul Yun, Zoubeida Ounaies
Macromolecules
May 19, 2006
Vol.: 39 (12), 4202 -4206, 2006
DOI: 10.1021/ma060261e S0024-9297(06)00261-0

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010180060704

Nanobateria de papel é fina, flexível e pode ser impressa

A nova nanobateria pode ser facilmente confundida com um pedaço de papel preto. E não é só na aparência que ela lembra o papel - ela é construída por métodos de impressão, de forma muito semelhante à utilizada para se imprimir uma carta em uma folha de papel A4.

Baterias finas e flexíveis

Não é só porque os equipamentos eletrônicos estão ficando cada vez menores que há necessidade de baterias finas e flexíveis. Novas aplicações, como equipamentos médicos implantáveis e equipamentos com telas flexíveis, que poderão ser enroladas, estão exigindo uma nova tecnologia de armazenamento de energia que os viabilize.

Foi pensando nisso que os engenheiros do Instituto Politécnico Rensselaer, dos Estados Unidos, desenvolveram a nanobateria de papel. O armazenamento de energia é feito em uma camada de polímero ao qual são incorporados nanotubos de carbono - o material resultante é chamado de nanocompósito. O eletrólito é um líquido iônico, uma espécie de sal que não evapora.

Nanobateria de papel

A semelhança com o papel não é mera coincidência: mais de 90% da nanobateria é composta de celulose. Mesmo assim ela é completamente integrada - não exige componentes externos - e pode ser fabricada por métodos de impressão.

O resultado é uma bateria super-leve, fina como papel e completamente flexível (para conhecer outra bateria com características semelhantes veja Nova bateria é fina como papel e recarrega em 30 segundos). A flexibilidade é um ítem importante porque passa a ser possível colocar a bateria em espaços irregulares, dando liberdade de design aos projetistas e tirando proveito de áreas ociosas no interior dos equipamentos.

Bateria e capacitor

Os nanotubos de carbono são infundidos no papel de forma alinhada. Além de darem a coloração preta à bateria de papel, os nanotubos funcionam como eletrodos e permitem que o nanocompósito conduza eletricidade.

O nanocompósito pode funcionar de duas formas: como uma bateria tradicional, que substitui as atuais baterias de lítio e como um supercapacitor, um dispositivo que acumula energia e a libera de forma quase instantânea. Nos sistemas eletrônicos atuais, baterias e capacitores são componentes separados.

"Nós não estamos juntando peças, este é um dispositivo único, integrado," diz o pesquisador Robert Linhardt. "Os componentes são molecularmente ligados uns aos outros: a impressão de nanotubos de carbono é incorporada no papel, e o eletrólito é embebido no papel. O resultado é um dispositivo que se parece visualmente e pelo tato e pesa exatamente como um papel."

Bibliografia:
Flexible Energy Storage Devices Based on Nanocomposite Paper
Robert Linhardt, Pulickel M. Ajayan, Omkaram Nalamasu, Victor Pushparaj, Shaijumon M. Manikoth, Ashavani Kumar, Saravanababu Murugesan, Lijie Ci, Robert Vajtai
Proceedings of the National Academy of Sciences
Aug. 13 2007
Vol.: In review

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010115070815