Projetos Pyramon

Nanotecnologia

Novo microscópio eletrônico enxerga um décimo do diâmetro de um átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/03/2012

A imagem maior mostra o zoom que o microscópio pticográfico permite fazer na imagem vista no canto superior. É possível ver detalhes com 0,236 nanômetros. [Imagem: Humphry et al./Nature]

Microscópio pticográfico

Pesquisadores da Universidade de Sheffield, no Reino Unido, afirmam ter descoberto uma forma de "revolucionar a microscopia eletrônica".

O professor John Rodenburg e sua equipe apresentaram uma técnica, chamada pticografia, que poderá criar as imagens de mais alta resolução já vistas.

"Nós demonstramos que podemos aumentar o limite de resolução de uma lente eletrônica por um fator de cinco. Uma extensão do mesmo método deverá alcançar a mais alta resolução já obtida em imagens por transmissão, cerca de um décimo do diâmetro de um átomo," afirma o pesquisador.

Observação de amostras vivas

A técnica é aplicável a microscópios que utilizem qualquer tipo de onda e tem outras vantagens sobre os métodos convencionais.

Por exemplo, quando usada com luz visível, a nova tecnologia gera um tipo de imagem que permitirá que os cientistas vejam células vivas muito claramente sem a necessidade de estampá-las em lâminas de vidro, um processo que geralmente mata as células.

O novo método também dispensa a necessidade de colocar uma lente muito próxima de uma amostra viva, o que significa que as células poderão ser vistas através de recipientes grossos, como placas de Petri ou frascos.

Assim, as amostras poderão ser acompanhadas à medida que se desenvolvem e crescem durante dias ou semanas, sem que as observações perturbem o processo natural.

Imagens borradas

Há décadas, os microscópios de transmissão eletrônica têm permitido que os cientistas olhem através de um objeto para estudar suas características atômicas internas.

Sua maior limitação tem sido a qualidade relativamente "pobre" das lentes que são usadas para formar as imagens.

"Uma imagem eletrônica ou de raios X típica é cerca de 100 vezes mais borrada do que o limite teórico imposto pelo comprimento de onda," conta Rodenburg.

As imagens pticográficas representam uma espécie de imageamento refrativo, que produz a imagem medindo as ondas que se espalham da superfície da amostra que está sendo observada. [Imagem: Humphry et al./Nature]

Pticografia eletrônica

A nova técnica é chamada de pticografia eletrônica, uma espécie de imageamento difrativo.

Sua grande vantagem é a eliminação da lente, com a imagem sendo formada usando programas de computador para reconstruir as ondas de elétrons que se espalham quando passam pela amostra.

"Nós medimos padrões de difração, e não imagens. O que nós gravamos equivale à intensidade das ondas - de elétrons, de raios X ou de luz - que foram dispersadas pelo objeto, o que é chamado de 'intensidade'," explica o pesquisador.

"Entretanto, para formar uma imagem, nós precisamos saber quando os picos e vales das ondas chegam no detector, ou seja, sua fase. O x da nossa descoberta foi desenvolver uma forma de calcular a fase das ondas partindo unicamente de sua intensidade," completa.

O que o programa de computador faz é, ao receber a informação do detector, reconstruir o caminho da onda difratada, identificando as características precisas do objeto que geraram seu espalhamento.

Isto permite uma resolução inédita, porque elimina qualquer aberração antes causada pelas lentes.

Bibliografia:

Ptychographic electron microscopy using high-angle dark-field scattering for sub-nanometre resolution imaging
M.J. Humphry, B. Kraus, A.C. Hurst, A.M. Maiden, J.M. Rodenburg
Nature Communications
06 March 2012
Vol.: 3, Article number: 730
DOI: 10.1038/ncomms1733

Energia

Conheça a promissora biocélula entrópico-bacteriana

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/03/2012

Esta é a célula microbiana com diálise reversa, que gera energia cumulativamente pelo consumo de matéria orgânica por bactérias e pela diferença de entropia entre água salgada e água doce.[Imagem: Bruce Logan/Penn State]

Bateria híbrida

Foi demonstrado recentemente que é possível transformar a entropia de um sistema em eletricidade, o que levou à criação de uma bateria entrópica.

Em outra linha, as células a combustível bacterianas estão cada vez mais próximas do uso prático, sobretudo com um reforço recente de "bactérias do espaço".

Agora, um grupo de pesquisadores juntou essas duas tecnologias, aparentemente sem nenhuma conexão, para criar uma nova opção que é não apenas uma geração limpa de eletricidade, mas também uma geração de eletricidade que limpa - neste caso, as águas servidas que vão para os esgotos.

"Nós estamos pegando duas tecnologias, com uma delas com suas próprias limitações, e colocando-as juntas. Combinadas, elas superam as limitações das tecnologias individuais," explica o professor Bruce Logan, da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos.

O conjunto de membranas da bateria entrópica foi colocada entre os eletrodos de uma célula a combustível bacteriana . [Imagem: Cusick et al./Science]

Eletrodiálise reversa

Produzir energia a partir da diferença de entropia entre a água do mar e a água doce - por meio da chamada eletrodiálise reversa - é mais conveniente no litoral, mais especificamente onde um rio chega ao mar.

O que os pesquisadores fizeram foi usar uma solução do sal bicarbonato de amônia para combinar a degradação das águas servidas, usada para gerar energia por meio debiocélulas bacterianas, com a geração de energia extraída do gradiente água doce/água salgada.

Com isto, tornou-se possível construir um novo sistema de geração de energia, duplamente potencializado, que pode funcionar em qualquer lugar.

A eletrodiálise reversa extrai energia da diferença iônica entre a água doce e a água salgada. O gerador consiste em uma série de pares de membranas de troca iônica alternadas - positivas e negativas. Cada par vai contribuindo incrementalmente para a energia produzida.

Este é justamente o maior problema, porque uma saída com potência útil razoável exige uma quantidade de membranas muito grande.

O que os pesquisadores descobriram é que, usando bactérias que liberam elétrons ao consumir material orgânico - as chamadas bactérias exoeletrogênicas - é possível diminuir muito a quantidade de pares de membranas usadas.

E, além disso, o aparato aumenta o rendimento das próprias bactérias.

Aqui a biocélula é mostrada em uma configuração produzindo hidrogênio. [Imagem: Bruce Logan]

Biocélulas bacterianas entrópicas

O pesquisador Roland Cusick teve a ideia de colocar um conjunto de membranas da bateria entrópica entre os eletrodos de uma célula a combustível bacteriana.

Como seria de se esperar, ele batizou o novo dispositivo de "célula microbiana com eletrodiálise reversa", nada mais do que a junção das duas tecnologias, cada uma das quais otimizadas pela integração.

Fazendo os cálculos apenas para os resíduos orgânicos dos EUA, os pesquisadores calculam que as biocélulas bacterianas entrópicas, quando totalmente desenvolvidas, têm um potencial de geração de energia de 17 GW, além de tratar todas as águas servidas produzidas pela população - um reator nuclear tipicamente produz 1 GW.

Por enquanto a nova biocélula foi testada apenas em modo estanque - sendo enchida e esvaziada depois de consumir a matéria orgânica. Para uma aplicação prática, ela deverá ser operacional em um modo de fluxo contínuo de água servida.

Outra possibilidade, afirmam os pesquisadores, é que sua biocélula híbrida pode ser configurada para produzir hidrogênio, em vez de eletricidade.

Bibliografia:

Energy Capture from Thermolytic Solutions in Microbial Reverse-Electrodialysis Cells
Roland D. Cusick, Younggy Kim, Bruce E. Logan
ScienceXpress
March 1 2012
Vol.: Published Online
DOI: 10.1126/science.1219330

Energia

LED supera 100% de eficiência

Com informações da APS - 07/03/2012

Nas minúsculas magnitudes envolvidas, o calor ambiente é suficiente para prover ao LED a energia necessário para seu "super rendimento". [Imagem: Synopsis Image APS/Alan Stonebrake]

Emitindo mais energia que consome

Físicos conseguiram demonstrar na prática, pela primeira vez, que um semicondutor pode emitir mais energia do que consome.

O semicondutor é um diodo emissor de luz - um LED - que absorve energia na forma eletricidade e a emite na forma de luz.

Os cálculos teóricos que indicavam que isso era possível foram feitos há décadas.

A energia absorvida por um elétron que viaja através de um LED é igual à sua carga vezes a tensão aplicada, que causou seu movimento.

Mas se esse elétron ocasionar a emissão de um fóton, ou seja, se ele produzir luz, a energia do fóton emitido depende da chamadabandgap - a diferença de energia entre os elétrons da camada de condução e da camada de valência - que pode ser muito maior.

Ou seja, potencialmente a energia gerada pode ser maior do que a energia consumida.

Mas ninguém nunca havia visto isto acontecer na prática.

No limite inferior

Como, na maior parte dos casos, a grande maioria dos elétrons não produz fótons, o rendimento médio, em termos da luz emitida por um LED, fica abaixo da potência elétrica consumida.

Parthiban Santhanam e seus colegas do MIT (Massachusetts Institute of Technology) conseguiram produzir o efeito previsto pela teoria, ainda que, em seu LED, menos de 1 em cada 1.000 elétrons produza efetivamente um fóton.

Eles criaram um LED com uma bandgap muito estreita, e aplicaram uma tensão tão pequena que o componente funciona como se fosse um resistor.

A partir daí, eles começaram a cortar a tensão pela metade, reduzindo a potência elétrica por um fator de 4.

Mas o número de elétrons - e, por decorrência, a potência da luz emitida -, caiu apenas por um fator de 2.

Picowatts

Ao chegar a uma potência elétrica de entrada de 30 picowatts, os pesquisadores detectaram cerca de 70 picowatts de luz emitida.

Essa energia extra vem das vibrações da rede atômica do material, induzidas pelo calor ambiente - logo, o LED se resfria ligeiramente, como acontece nos trocadores de calor termoelétricos.

O experimento fornece luz insuficiente para a maioria das aplicações práticas.

Contudo, ele demonstra que aquecer os diodos emissores de luz aumenta sua potência de saída e sua eficiência.

Isso significa que eles podem se comportar como motores de calor termodinâmicos - mas provavelmente não nas altas velocidades de chaveamento que eles alcançam nos aparelhos eletrônicos modernos.

Bibliografia:

Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency
Parthiban Santhanam, Dodd Joseph Gray, Jr., Rajeev J. Ram
Physical Review Letters
Vol.: 108, 097403
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.097403

Robótica

Robô guepardo bate recorde mundial de velocidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/03/2012

Recorde de velocidade para robôs

Os engenheiros afirmam ter-se inspirado nos movimentos do guepardo, também conhecido como chita, para construir o seu robô corredor.

Os resultados foram bons, uma vez que o robô guepardo bateu o recorde mundial de velocidade de robôs com pernas, atingindo 28,97 km/h.

O recorde anterior, de 21,08 km/h, havia sido estabelecido em 1989.

O recorde de percurso para um robô com pernas é do andarilho Ranger, da Universidade de Cornell, mas que anda muito mais devagar.

O ganho extra de velocidade foi conseguido criando um nível de liberdade adicional que permite que o robô flexione suas costas a cada passo, como as chitas fazem.

Robô guepardo

A comparação é um tanto injusta com os guepardos, uma vez que o robô não é bonito, parece correr de marcha-a-ré, passa longe da elegância do animal e nem mesmo tem uma cabeça.

Mas robôs têm suas vantagens: um guepardo chega a atingir 120 km/h, mas não consegue manter essa velocidade por mais do que 400 metros, enquanto o robô teoricamente poderá manter sua velocidade enquanto durar seu combustível.

O robô guepardo não é autônomo.

Ele corre sobre uma esteira, sendo mantido em linha reta por uma fixação metálica no teto, uma espécie de antena telescópica móvel.

Seus movimentos também dependem de uma bomba hidráulica externa, ou seja, que fica fora do robô.

A pressão hidráulica é transmitida por meio de mangueiras, que precisam ser controladas por um operador, para que o robô não as atropele.

Os engenheiros afirmam estar trabalhando em uma versão autônoma, que corra livremente e com suas próprias forças, que deverá estar pronta até o final do ano.

Sem cabeça e sem cérebro

O robô foi financiado pela agência de pesquisas militares DARPA, dos Estados Unidos, e fabricado pela Boston Dynamics, a mesma fabricante do BigDog, uma mula mecânica igualmente desajeitada, mas também bastante eficiente.

O robô guepardo é parte do programa M3 - Manipulação e Mobilidade Máximas.

"Embora o programa M3 conduza pesquisas básicas, e não seja focado em missões militares específicas, a tecnologia que ele pretende desenvolver poderá ter uma ampla gama de potenciais aplicações militares," disse o comunicado da DARPA.

Quanto a isso, é sintomático o fato de que os militares não deram ao seu robô guepardo nem mesmo uma cabeça: provavelmente pelo fato de que não há um "cérebro artificial" capaz de distinguir entre inimigos e população civil.

Eletrônica

Biochip mede nível de glicose na saliva

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/03/2012

Cabem milhares de interferômetros plasmônicos em um milímetro quadrado do biochip.[Imagem: Domenico Pacifici/Brown University]

O fim da picada

Acaba de ser criado um novo sensor capaz de detectar os níveis de açúcar no sangue analisando, não o sangue, mas a saliva.

Quando totalmente desenvolvida, a técnica poderá representar o fim das picadas a que pacientes de diabetes estão sujeitos diariamente.

Domenico Pacifici e seus colegas da Universidade de Brown, nos Estados Unidos, incorporaram a técnica em um chip milimétrico, usando as mesmas tecnologias usadas pela microeletrônica para fazer processadores de computador.

Segundo eles, a tecnologia poderá ser usada também para detectar outras substâncias químicas, de compostos biológicos a contaminantes.

"E poderá detectar todos de uma vez, em paralelo, no mesmo chip," afirma.

Plasmônica

A nova técnica é fruto de uma convergência entre a nanotecnologia e um campo ainda mais recente, chamado plasmônica, que explora a interação entre os elétrons e os fótons, criando "ondas" chamadas plásmons de superfície.

"Esta é uma prova de conceito de que interferômetros plasmônicos podem ser usados para detectar moléculas em baixas concentrações," afirma Pacifici.

A glicose na saliva humana tipicamente tem uma concentração 100 vezes menor do que no sangue.

Nos testes, o biochip conseguiu medir com precisão concentração de glicose na água de 0,36 miligramas por decilitro.

Interferômetro plasmônico

Para criar os sensores, os pesquisadores escavaram dois tipos de nanoestruturas em uma pastilha: uma fenda, que captura e confina os fótons, e ranhuras ao seu lado, que, ao contrário, dispersam a luz.

Essa luz dispersada interage com os elétrons livres na superfície metálica do sensor, uma interação que cria os plásmons de superfície, um tipo especial de onda cujo comprimento é menor do que um fóton no espaço livre.

Essas ondas plasmônicas movem-se ao longo da superfície do sensor até encontrarem os fótons que ficam presos na fenda, chocando-se com essas ondas de luz.

Essa interferência entre as duas ondas determina as intensidades máxima e mínima da luz transmitida através da fenda.

Este é o padrão, que gera a "nota básica" do interferômetro, por assim dizer, no "vazio".

Sensitividade

Quando uma molécula entra no circuito, tocando a superfície de prata do sensor, ela induz uma alteração na onda plasmônica, por sua vez ocasionando uma alteração na intensidade de luz que passa pela fenda.

A medição dessa alteração permite que os pesquisadores identifiquem as moléculas na superfície do sensor, eventualmente localizando aquela que está sendo procurada.

"Poderá ser possível usar esses biochips para fazer exames de múltiplos biomarcadores para pacientes individuais, tudo de uma vez e em paralelo, com uma sensitividade sem precedentes," resume Pacifici.

Bibliografia:

Nanoscale Plasmonic Interferometers for Multispectral, High-Throughput Biochemical Sensing
Jing Feng, Vince S. Siu, Alec Roelke, Vihang Mehta, Steve Y. Rhieu, G. Tayhas R. Palmore, Domenico Pacifici
Nano Letters
Vol.: 12 (2), pp 602-609
DOI: 10.1021/nl203325s

COMERCIAL PYRAMON