Nasce a internet quântica

Nasce a internet quântica

Nasce a internet quântica

Uma Internet quântica pode muito bem ser a primeira tecnologia de informação quântica a se tornar realidade. Pesquisadores da QuTech em Delft, na Holanda, publicaram hoje um guia abrangente para esse objetivo na Science . Ele descreve seis fases, começando com redes simples de qubits que já poderiam permitir comunicações quânticas seguras - uma fase que pode ser uma realidade no futuro próximo. O desenvolvimento termina com redes de computadores quânticos totalmente conectados a quantum. Em cada fase, novas aplicações se tornam disponíveis, como sincronização de relógio extremamente precisa ou integração de diferentes telescópios na Terra em um 'supertelescópio' virtual. Este trabalho cria uma linguagem comum que une o campo altamente interdisciplinar da rede quântica para alcançar o sonho de uma Internet quântica mundial.

Uma Internet quântica revolucionará a tecnologia de comunicação, explorando fenômenos da física quântica, como o entrelaçamento. Pesquisadores estão trabalhando em tecnologia que permite a transmissão de bits quânticos entre quaisquer dois pontos da Terra. Tais bits quânticos podem ser '0' e '1' ao mesmo tempo, e podem ser 'emaranhados': seus destinos são mesclados de tal maneira que uma operação em um dos qubits instantaneamente afeta o estado do outro.

Isso traz dois recursos que estão comprovadamente fora do alcance da Internet que conhecemos hoje. A primeira é que o emaranhamento permite melhor coordenação entre locais distantes. Isso o torna extremamente adequado para tarefas como a sincronização do relógio ou a ligação de telescópios distantes para obter melhores imagens. A segunda é que o entrelaçamento é inerentemente seguro. Esse recurso torna o emaranhamento adequado para aplicativos que exigem segurança e privacidade.

Muitas outras aplicações de uma Internet quântica já são conhecidas, e outras mais provavelmente serão descobertas quando as primeiras redes entrarem em operação. Pesquisadores da QuTech, uma colaboração entre a Universidade de Tecnologia de Delft e a organização holandesa para pesquisa científica aplicada, TNO, já estabeleceram estágios de desenvolvimento da Internet quântica, diferenciados pelas capacidades tecnológicas e aplicações correspondentes.

O estágio mais baixo de uma verdadeira rede quântica - uma rede de preparação e medição - permite a entrega de ponta a ponta de bits quânticos entre dois nós de rede, um bit quântico por vez. Isso já é suficiente para suportar muitas aplicações criptográficas de uma rede quântica. O estágio mais alto é o objetivo de longo prazo de conectar grandes computadores quânticos nos quais aplicações quânticas arbitrárias podem ser executadas.

Além de fornecer um guia para o desenvolvimento posterior, o trabalho estabelece desafios para os esforços de engenharia e para o desenvolvimento de aplicativos. "Por um lado, gostaríamos de construir estágios cada vez mais avançados na rede", diz Stephanie Wehner, principal autora do trabalho. "Por outro lado, os desenvolvedores de software quântico são desafiados a reduzir os requisitos dos protocolos de aplicação." eles podem ser realizados já com as capacidades tecnológicas mais modestas de um estágio inferior ". O co-autor Ronald Hanson acrescenta: "Este trabalho estabelece uma linguagem comum muito necessária entre o campo altamente interdisciplinar de redes quânticas que abrangem a física, ciência da computação e engenharia."

Espera-se que as primeiras verdadeiras redes quânticas, permitindo a transmissão ponta-a-ponta de bits quânticos, sejam realizadas nos próximos anos, anunciando o surgimento de uma Internet quântica de grande escala.

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Sistema monitora mudanças no céu noturno

Sistema monitora mudanças no céu noturno

Menos de um ano em sua missão, uma câmera de pesquisa do céu no sul da Califórnia mostra o quão cheio o céu é. O Zwicky Transient Facility, baseado no Observatório Palomar no Condado de San Diego, identificou mais de mil novos objetos e fenômenos no céu noturno, incluindo mais de 1.100 novas supernovas e 50 asteróides próximos da Terra, bem como sistemas estelares binários e negros furos. Operada pela Caltech, a ZTF é uma parceria público-privada entre a National Science Foundation e um consórcio de nove outras instituições ao redor do mundo, incluindo a Universidade de Washington. Os seis trabalhos mais recentes da colaboração da ZTF, que descrevem essas descobertas, bem como os sistemas de mineração de dados, classificação e alerta da ZTF,.

Eric Bellm, pesquisador da ZTF e professor assistente de pesquisa de astronomia na UW, é o autor principal de um artigo descrevendo os sistemas técnicos da ZTF e as principais descobertas desde o início da pesquisa, em 20 de março de 2018. Maria Patterson, cientista de dados anteriormente O Instituto DIRAC do Departamento de Astronomia da UW, é o autor principal em outro artigo descrevendo o sistema de alerta da ZTF para notificar equipes científicas de possíveis novos objetos no céu ou mudanças significativas em objetos existentes.

"A missão da ZTF é identificar mudanças no céu noturno e alertar o campo astronômico dessas descobertas o mais rápido possível", disse Bellm, que também é membro do Instituto DIRAC. "Os resultados e especificações relatados nestes seis trabalhos demonstram que a ZTF possui um pipeline para identificar novos objetos, bem como analisar e disseminar informações sobre eles rapidamente para a comunidade astronômica".

As equipes científicas precisam de alertas rápidos para que possam, se necessário, organizar observações de acompanhamento de objetos individuais por outros observatórios, acrescentou Bellm.

A ZTF realiza seus objetivos de pesquisa por meio de uma câmera digital, composta por 16 dispositivos de carga acoplada, montados no telescópio Samuel Oschin de abertura de 48 polegadas no Palomar. Uma única imagem da câmera cobre uma área de cerca de 240 vezes o tamanho da lua; em apenas uma noite, a ZTF conseguiu visualizar todo o céu noturno visível do Hemisfério Norte. Até agora, a câmera ZTF já conseguiu mais de 1 bilhão de estrelas em nossa galáxia. Ao comparar novas imagens com as antigas, a ZTF pode identificar objetos novos, como uma supernova se acendendo pela primeira vez, ou alterações em objetos existentes, como uma estrela iluminando a luminosidade.

A ZTF realiza pesquisas para órgãos públicos, como a National Science Foundation, bem como entidades privadas. O grande volume de dados gerados pelo ZTF exigiu uma nova abordagem para análise de dados e alertas, de acordo com Bellm.

"Toda imagem que a ZTF leva contribui para pelo menos uma pesquisa", disse Bellm. "Precisávamos criar um sistema de alerta automatizado que informasse as equipes de pesquisa relevantes - em tempo quase real - de todas as possíveis mudanças ou novos objetos que a ZTF descobriria, o que poderia ser mais de um milhão em um único noite." Patterson, Bellm e outros cientistas da UW - incluindo Mario Juric, professor associado de astronomia e membro sênior de dados do Instituto eScience - lideraram o esforço dentro da ZTF para criar o sistema de alerta automatizado. Eles utilizaram duas tecnologias de código aberto: o Kafka, uma plataforma de streaming de dados em tempo real, e o Avro, uma estrutura para serializar dados para transmissão e armazenamento. O sistema de alerta completo, que foi implantado pela primeira vez em junho de 2018, gerou e distribuiu com êxito até 1.

"Através destes sistemas de alerta, a ZTF está compartilhando cada mudança que encontra com nossos parceiros de pesquisa", disse Bellm. "Eles estão recebendo todos os dados".

Os parceiros de pesquisa, por sua vez, estão experimentando sistemas de classificação de aprendizado de máquina e outras ferramentas de análise para classificar os alertas. O sistema de alerta da ZTF é um campo de testes para futuras missões de "astronomia automatizada no domínio do tempo", como o Telescópio de Levantamento Sinóptico Grande, disse Bellm. O LSST, que deve iniciar suas pesquisas no céu em 2022, deve gerar cerca de 10 milhões de alertas por noite, o que representa cerca de 10 vezes o volume máximo de alerta da ZTF. Mas o sistema de alerta da ZTF poderia formar a base de um pipeline de alerta para o LSST, de acordo com Bellm.

"Estamos muito satisfeitos com as oportunidades que a missão da ZTF nos proporcionou", disse Bellm. "É reconfortante saber que temos hoje as ferramentas que são úteis não apenas para pesquisas contínuas na ZTF, mas também futuras missões como o LSST."

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Criptografia quântica

Criptografia  quântica

Pesquisadores da Universidade de York mostraram que um novo procedimento baseado em quantum para distribuir informações seguras ao longo das linhas de comunicação pode ser bem-sucedido na prevenção de violações graves de segurança.

A proteção de informações altamente confidenciais, como registros hospitalares e dados bancários, é um grande desafio enfrentado por empresas e organizações em todo o mundo.

Os sistemas de comunicação padrão são vulneráveis ​​a hacks, onde informações criptografadas podem ser interceptadas e copiadas. Atualmente, é possível aos hackers fazerem uma cópia das informações transmitidas, mas não seria possível lê-las sem um método de quebrar a criptografia que a protege.

Isso significa que as informações podem ficar seguras por um período de tempo, mas não há garantia de que elas ficariam seguras para sempre, já que os supercomputadores em desenvolvimento poderiam decifrar criptografias específicas no futuro.

Pesquisadores em York investigaram um protótipo, baseado nos princípios da mecânica quântica, que tem o potencial de eliminar as vulnerabilidades das comunicações atuais, mas também permitir que as informações fiquem seguras no futuro.

O Dr. Cosmo Lupo, do Departamento de Ciência da Computação da Universidade de York, disse: "A mecânica quântica já percorreu um longo caminho, mas ainda estamos diante de problemas significativos que precisam ser superados com novas experimentações.

"Um desses problemas é que um hacker pode atacar os dispositivos eletrônicos usados ​​para transmissão de informações, bloqueando os detectores usados ​​para coletar e medir os fótons que transportam informações.

"Tal ataque é poderoso porque supomos que um determinado dispositivo funciona de acordo com suas especificações técnicas e, portanto, executará seu trabalho. Se um hacker for capaz de atacar um detector e mudar sua maneira de funcionar, a segurança será inevitavelmente comprometida."

"Os princípios da mecânica quântica, no entanto, permitem a segurança da comunicação mesmo sem fazer suposições sobre como os dispositivos eletrônicos funcionarão. Ao remover essas hipóteses, pagamos o preço de reduzir a taxa de comunicação, mas ganhamos melhorando o padrão de segurança."

Em vez de depender de componentes eletrônicos possivelmente comprometidos no ponto em que as informações precisam ser detectadas e lidas, os pesquisadores descobriram que, se os detectores não confiáveis ​​existissem em um ponto separado nas comunicações - em algum lugar entre o emissor e o receptor - a comunicação era muito mais seguro.

O detector receberia uma combinação de dois sinais, um do remetente e outro do receptor. O detector só conseguiria ler o resultado desse sinal combinado, mas não suas partes componentes.

O Dr. Lupo disse: "Em nosso trabalho, não apenas fornecemos uma primeira prova matemática rigorosa de que esse design" independente de detectores "funciona, mas também consideramos um esquema que é compatível com as redes de comunicação de fibra óptica existentes.

"Em princípio, nossa proposta pode permitir a troca de códigos inquebráveis ​​pela Internet sem grandes mudanças na infraestrutura real.

"Ainda estamos no estágio de protótipo, mas ao encontrar maneiras de reduzir o custo desses sistemas, estamos muito mais perto de tornar as comunicações quânticas uma realidade."

A pesquisa é financiada pelo hub EPSRC Quantum Communications e pelo Quantum Innovation Center Qubiz, e publicada na revista Physical Review Letters .

Artigo:

Cosmo Lupo, Carlo Ottaviani, Panagiotis Papanastasiou, Stefano Pirandola. Parameter Estimation with Almost No Public Communication for Continuous-Variable Quantum Key Distribution. Physical Review Letters, 2018; 120 (22) DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.220505

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Base para a eletrônica de grafeno está pronta

Base para a eletrônica de grafeno está pronta

Por 15 anos, os cientistas tentaram explorar o grafeno "material milagroso" para produzir eletrônica em nanoescala. No papel, o grafeno deve ser ótimo para isso: ele é ultrafino - com apenas um átomo de espessura e, portanto, bidimensional, é excelente para a condução de corrente elétrica e deve ser ideal para futuras formas de eletrônica que são mais rápidas e mais energia eficiente. Além disso, o grafeno consiste em átomos de carbono - dos quais temos um suprimento ilimitado.

Em teoria, o grafeno pode ser alterado para realizar muitas tarefas diferentes, por exemplo, eletrônica, fotônica ou sensores, simplesmente desenhando minúsculos padrões nele, pois isso altera fundamentalmente suas propriedades quânticas. Uma tarefa "simples", que se revelou surpreendentemente difícil, é induzir um bandgap - que é crucial para a fabricação de transistores e dispositivos optoeletrônicos. No entanto, desde que o grafeno é apenas um átomo de espessura todos os átomos são importantes e até mesmo pequenas irregularidades no padrão podem destruir suas propriedades.

"O grafeno é um material fantástico, que eu acho que vai desempenhar um papel crucial na fabricação de novos eletrônicos em nanoescala. O problema é que é extremamente difícil projetar as propriedades elétricas", diz Peter Bøggild, professor da DTU Physics.

O Centro de Grafeno Nanoestruturado da DTU e Universidade de Aalborg foi criado em 2012 especificamente para estudar como as propriedades do grafeno podem ser projetadas, por exemplo, fazendo um padrão muito fino de furos. Isso deve alterar sutilmente a natureza quântica dos elétrons no material e permitir que as propriedades do grafeno sejam adaptadas. No entanto, a equipe de pesquisadores da DTU e Aalborg experimentou o mesmo que muitos outros pesquisadores em todo o mundo: não funcionou.

"Quando você faz padrões em um material como grafeno, você faz isso para mudar suas propriedades de maneira controlada - para combinar com seu design. No entanto, o que temos visto ao longo dos anos é que podemos fazer os furos, mas não sem introduzir tanta desordem e contaminação que não mais se comporta como o grafeno, é um pouco semelhante a fazer um cano de água, com uma baixa taxa de vazão por causa da fabricação grosseira.Para fora, ele pode parecer bem. obviamente desastroso ", diz Peter Bøggild.

Agora, a equipe de cientistas resolveu o problema. Dois pós-docs da DTU Physics, Bjarke Jessen e Lene Gammelgaard, primeiro grafeno encapsulado dentro de outro material bidimensional - nitreto de boro hexagonal, um material não-condutor que é frequentemente usado para proteger as propriedades do grafeno.

Em seguida, eles usaram uma técnica chamada litografia de feixe de elétrons para padronizar cuidadosamente a camada protetora de nitreto de boro e grafeno abaixo com uma série densa de pequenos orifícios. Os furos têm um diâmetro de aprox. 20 nanômetros, com apenas 12 nanômetros entre eles - no entanto, a rugosidade na borda dos furos é menor que 1 nanômetro ou um bilionésimo de metro. Isso permite que o fluxo de corrente elétrica seja 1000 vezes maior do que o relatado em estruturas de grafeno tão pequenas.

"Nós mostramos que podemos controlar a estrutura da banda de grafeno e projetar como ela deve se comportar. Quando controlamos a estrutura da banda, temos acesso a todas as propriedades do grafeno - e descobrimos que alguns dos mais sutis efeitos eletrônicos quânticos sobreviver ao padrão denso - que é extremamente encorajador.Nosso trabalho sugere que podemos sentar em frente ao computador e projetar componentes e dispositivos - ou sonhar algo inteiramente novo - e então ir ao laboratório e realizá-los na prática, "diz Peter Bøggild. Ele continua:

"Muitos cientistas abandonaram há muito tempo a tentativa de nanolitografia em grafeno nessa escala, e é uma pena, já que a nanoestruturação é uma ferramenta crucial para explorar os recursos mais interessantes da eletrônica e da fotônica do grafeno. Agora, descobrimos como isso pode ser feito; Pode-se dizer que a maldição foi levantada. Existem outros desafios, mas o fato de podermos adaptar as propriedades eletrônicas do grafeno é um grande passo para a criação de novos eletrônicos com dimensões extremamente pequenas ", diz Peter Bøggild.

Artigo:

Bjarke S. Jessen, Lene Gammelgaard, Morten R. Thomsen, David M. A. Mackenzie, Joachim D. Thomsen, José M. Caridad, Emil Duegaard, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Timothy J. Booth, Thomas G. Pedersen, Antti-Pekka Jauho, Peter Bøggild. Lithographic band structure engineering of graphene. Nature Nanotechnology, 2019; DOI: 10.1038/s41565-019-0376-3

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Criada pele artificial para interação entre homem e máquina

A pele humana contém células nervosas sensíveis que detectam pressão, temperatura e outras sensações que permitem interações táteis com o meio ambiente. Para ajudar os robôs e dispositivos protéticos a atingir essas habilidades, os cientistas estão tentando desenvolver peles eletrônicas. Agora os pesquisadores relatam um novo método na ACS Applied Materials & Interfaces que cria uma pele eletrônica ultrafina e elástica, que pode ser usada para uma variedade de interações homem-máquina.

Vídeo com demonstração da pele para interação homem-máquina

A pele eletrônica pode ser usada para muitas aplicações, incluindo dispositivos protéticos, monitores de saúde vestíveis, robótica e realidade virtual. Um grande desafio é transferir circuitos elétricos ultrafinos para superfícies 3D complexas e, em seguida, ter a eletrônica flexível e esticável o suficiente para permitir o movimento. Alguns cientistas desenvolveram "tatuagens eletrônicas" flexíveis para essa finalidade, mas sua produção é tipicamente lenta, cara e requer métodos de fabricação em sala limpa, como a fotolitografia. Mahmoud Tavakoli, Carmel Majidi e colegas queriam desenvolver um método rápido, simples e barato para produzir circuitos de filmes finos com microeletrônica integrada.

Na nova abordagem, os pesquisadores modelaram um modelo de circuito em uma folha de papel de tatuagem de transferência com uma impressora a laser de mesa comum. Eles então revestiram o modelo com pasta de prata, que aderiu apenas à tinta de toner impresso. No topo da pasta de prata, a equipe depositou uma liga metálica líquida de gálio-índio que aumentou a condutividade elétrica e a flexibilidade do circuito. Finalmente, eles adicionaram componentes eletrônicos externos, como microchips, com uma "cola" condutora feita de partículas magnéticas alinhadas verticalmente embebidas em um gel de álcool polivinílico. Os pesquisadores transferiram a tatuagem eletrônica para vários objetos e demonstraram várias aplicações do novo método, como controlar um braço protético robótico, monitorar a atividade muscular esquelética humana e incorporar sensores de proximidade em um modelo 3D de uma mão.

Artigo:

Pedro Alhais Lopes, Hugo Paisana, Anibal T. De Almeida, Carmel Majidi, Mahmoud Tavakoli. Hydroprinted Electronics: Ultrathin Stretchable Ag–In–Ga E-Skin for Bioelectronics and Human–Machine Interaction. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018; 10 (45): 38760 DOI: 10.1021/acsami.8b13257

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Primeiro simulador quântico já está em funcionamento

Primeiro simulador quântico já está em funcionamento

Imagine estar preso dentro de um labirinto e querendo encontrar o caminho para sair. Como você procede? A resposta é tentativa e erro. É assim que os computadores tradicionais com algoritmos clássicos operam para encontrar a solução para um problema complexo. Agora, considere isto: E se, por mágica, você fosse capaz de se clonar em múltiplas versões, de modo que fosse capaz de percorrer todos os vários caminhos ao mesmo tempo? Você encontraria a saída quase instantaneamente.

Acontece que não estamos falando de mágica - estamos falando de partículas atômicas e subatômicas. Um elétron, por exemplo, pode estar em vários lugares ao mesmo tempo. Este é um princípio fundamental da natureza conhecido na mecânica quântica como o princípio da superposição.

Agora, imagine se aproveitarmos esse princípio e o aplicarmos a nossos simuladores e computadores clássicos. Imagine quão drasticamente mais eficiente seríamos no processamento de informações!

Este é o princípio por trás dos computadores quânticos e dos simuladores quânticos. Em essência, os computadores quânticos usam a capacidade das partículas subatômicas de existir em mais de um lugar ao mesmo tempo.

Os simuladores quânticos não são apenas bons para eficiência nos tempos de processamento, mas são a opção "natural" para simular sistemas simples e complexos na natureza. Essa é uma conseqüência direta do fato de que a natureza é, em última instância, governada pelas leis da mecânica quântica.

Os simuladores quânticos nos proporcionam uma excelente oportunidade para simular aspectos fundamentais da natureza e compreender suas dinâmicas ocultas sem sequer olhar para as complexidades decorrentes das várias partículas e suas interações. Este é precisamente o motivo por trás da pesquisa do professor Ebrahim Karimi e sua equipe.

A equipe de Karimi simula estruturas periódicas e fechadas na natureza, como moléculas em forma de anel e redes cristalinas, invocando as propriedades da mecânica quântica da luz. Os resultados podem nos ajudar a entender a dinâmica envolvida em tais sistemas, bem como abrir a possibilidade de desenvolver computadores quânticos eficientes baseados em fotônica.

A equipe de Karimi construiu e operou com sucesso o primeiro simulador quântico projetado especificamente para simular sistemas cíclicos (em forma de anel). Um simulador quântico simula um sistema quântico. A equipe usou o quantum de luz (fóton) para simular o movimento quântico de elétrons dentro de anéis feitos de diferentes números de átomos. Os resultados do experimento revelaram que a física dos sistemas em forma de anel é fundamentalmente diferente dos sistemas em forma de linha.

Ao fazer isso, a equipe estabeleceu uma poderosa técnica experimental para simular uma ampla classe de sistemas atômicos e abriu uma nova janela para explorar muitas oportunidades resultantes de seu trabalho.

"Prevemos que, dentro de um curto período de tempo, nossa pesquisa terá um impacto muito grande em várias disciplinas, desde a medicina até a ciência da computação, da química orgânica e biologia à ciência dos materiais e física fundamental", diz o Dr. Farshad Nejadsattari. um dos bolsistas de pós-doutorado de Karimi, que fazia parte do projeto.

Num simulador quântico, uma partícula quântica que pode ser facilmente controlada e é fisicamente bem compreendida (no nosso caso, uma partícula de luz, um foton) é deixado para propagar dentro de um sistema destinado a ser semelhante ao que está a ser simulado.

Algumas descobertas interessantes deste experimento incluem encontrar formas específicas de distribuir a partícula no anel de forma que a distribuição nunca se altere à medida que a partícula se propaga, e também encontrar casos em que a partícula se espalha primeiro no anel e ressurge no local onde foi inicialmente colocado. Isso nunca foi visto experimentalmente em qualquer simulador quântico.

Com as técnicas de simulação quântica se tornando mais maduras e complexas, a sintetização de novos materiais, produtos químicos e desenvolvimento de medicamentos será bastante simplificada. O simulador quântico ajudará a fornecer todas as informações necessárias em um piscar de olhos.

Artigo:

Farshad Nejadsattari, Yingwen Zhang, Frédéric Bouchard, Hugo Larocque, Alicia Sit, Eliahu Cohen, Robert Fickler, Ebrahim Karimi. Experimental realization of wave-packet dynamics in cyclic quantum walks. Optica, 2019; 6 (2): 174 DOI: 10.1364/OPTICA.6.000174

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Material é ultraleve e tolerante a altas temperaturas

Material é ultraleve e tolerante a altas temperaturas

Pesquisadores e colaboradores da UCLA em oito outras instituições de pesquisa criaram um aerogel cerâmico extremamente leve e muito durável. O material pode ser usado para aplicações como espaçonaves isolantes, pois ele pode suportar o calor intenso e as mudanças severas de temperatura que as missões espaciais sofrem.

Aerogéis cerâmicos têm sido usados ​​para isolar equipamentos industriais desde a década de 1990, e eles têm sido usados ​​para isolar equipamentos científicos em missões de rover da NASA em Marte. Mas a nova versão é muito mais durável após a exposição ao calor extremo e repetidos picos de temperatura, e muito mais leve. Sua composição atômica exclusiva e estrutura microscópica também a tornam extraordinariamente elástica.

Quando aquecido, o material se contrai, em vez de se expandir como as outras cerâmicas. Também se contrai perpendicularmente à direção que está comprimida - imagine pressionar uma bola de tênis em uma mesa e fazer com que o centro da bola se mova para dentro ao invés de se expandir - o oposto de como a maioria dos materiais reage quando comprimida. Como resultado, o material é muito mais flexível e menos frágil do que os atuais aerogéis cerâmicos de última geração: ele pode ser comprimido até 5% de seu volume original e se recuperar totalmente, enquanto outros aerogéis existentes podem ser comprimidos para apenas cerca de 20 por cento e, em seguida, recuperar totalmente.

A pesquisa, publicada hoje na Science , foi liderada por Xiangfeng Duan, professor de química e bioquímica da UCLA; Yu Huang, professor de ciência e engenharia de materiais da UCLA; e Hui Li, do Instituto de Tecnologia de Harbin, na China. Os primeiros autores do estudo são Xiang Xu, um colega de pós-doutorado em química na UCLA do Instituto de Tecnologia de Harbin; Qiangqiang Zhang da Universidade de Lanzhou; e Menglong Hao da UC Berkeley e da Southeast University.

Outros membros da equipe de pesquisa eram da UC Berkeley; Universidade de Purdue; Lawrence Berkeley National Laboratory; Universidade de Hunan, China; Universidade de Lanzhou, China; e a Universidade Rei Saud, na Arábia Saudita.

Apesar do fato de que mais de 99% de seu volume é o ar, os aerogéis são sólidos e estruturalmente muito fortes para o seu peso. Eles podem ser feitos de vários tipos de materiais, incluindo cerâmicas, óxidos de carbono ou de metal. Comparado com outros isoladores, os aerogéis baseados em cerâmica são superiores em bloquear temperaturas extremas, e possuem densidade ultrabaixa e são altamente resistentes ao fogo e à corrosão - todas qualidades que se prestam bem a espaçonaves reutilizáveis.

Mas os aerogéis cerâmicos atuais são altamente frágeis e tendem a fraturar após exposição repetida a calor extremo e a variações dramáticas de temperatura, ambos comuns em viagens espaciais.

O novo material é feito de finas camadas de nitreto de boro, uma cerâmica, com átomos que estão conectados em padrões hexagonais, como o fio de galinha.

Na pesquisa conduzida pela UCLA, ela resistiu a condições que normalmente fraturariam outros aerogéis. Ele resistiu a centenas de exposições a picos súbitos e extremos de temperatura quando os engenheiros aumentaram e reduziram a temperatura em um contêiner de testes entre 198 graus Celsius negativos e 900 graus acima de zero em apenas alguns segundos. Em outro teste, ele perdeu menos de 1% de sua resistência mecânica depois de ser armazenado por uma semana a 1.400 graus Celsius.

"A chave para a durabilidade do nosso novo aerogel cerâmico é a sua arquitetura única", disse Duan. "Sua flexibilidade inata ajuda a eliminar o impacto de choques extremos de calor e temperatura que causariam a falha de outros aerogéis de cerâmica."

Materiais cerâmicos comuns geralmente se expandem quando aquecidos e se contraem quando são resfriados. Com o tempo, essas repetidas mudanças de temperatura podem levar esses materiais a fraturar e, finalmente, falhar. O novo aerogel foi projetado para ser mais durável, fazendo exatamente o oposto - ele se contrai, em vez de se expandir quando aquecido.

Além disso, a capacidade do aerogel de se contrair perpendicularmente à direção que está sendo comprimida - como o exemplo da bola de tênis - ajuda a sobreviver a mudanças de temperatura repetidas e rápidas. (Essa propriedade é conhecida como uma razão negativa de Poisson.) Ela também tem "paredes" internas que são reforçadas com uma estrutura de painel duplo, que reduz o peso do material e aumenta suas habilidades de isolamento.

Duan disse que o processo desenvolvido pelos pesquisadores para tornar o novo aerogel também pode ser adaptado para produzir outros materiais ultra-leves.

"Esses materiais podem ser úteis para o isolamento térmico em veículos espaciais, automóveis ou outros equipamentos especializados", disse ele. "Eles também podem ser úteis para armazenamento de energia térmica, catálise ou filtração".


Artigo:

Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao, Yuan Hu, Zhaoyang Lin, Lele Peng, Tao Wang, Xuexin Ren, Chen Wang, Zipeng Zhao, Chengzhang Wan, Huilong Fei, Lei Wang, Jian Zhu, Hongtao Sun, Wenli Chen, Tao Du, Biwei Deng, Gary J. Cheng, Imran Shakir, Chris Dames, Timothy S. Fisher, Xiang Zhang, Hui Li, Yu Huang, Xiangfeng Duan. Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation. Science, 2019 DOI: 10.1126/science.aav7304

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Programa de IA aprende a jogar vídeo game mais rápido e melhor

Programa de IA aprende a jogar vídeo game mais rápido e melhor

   Uma nova geração de algoritmos dominou os videogames Atari 10 vezes mais rápido que a IA de última geração, com uma abordagem inovadora para a resolução de problemas.

  Projetar IA que possa negociar problemas de planejamento, especialmente aqueles em que as recompensas não são imediatamente óbvias, é um dos desafios de pesquisa mais importantes no avanço do campo.

   Um famoso estudo de 2015 mostrou que o Google DeepMind AI aprendeu a jogar videogames Atari como o Video Pinball ao nível humano, mas notoriamente não conseguiu aprender o caminho para a primeira chave do videogame dos anos 1980, Montezuma's Revenge, devido à complexidade do jogo.

   No novo método desenvolvido na RMIT University em Melbourne, na Austrália, computadores montados para jogar autonomamente a vingança de Montezuma aprenderam com os erros e identificaram sub-objetivos 10 vezes mais rápidos que o Google DeepMind para finalizar o jogo.

   O professor associado Fabio Zambetta, da RMIT University, revela a nova abordagem nesta sexta-feira, na 33ª Conferência sobre Inteligência Artificial da AAAI, nos Estados Unidos.

   O método, desenvolvido em colaboração com o professor da RMIT, John Thangarajah e Michael Dann, combina aprendizado de reforço com uma abordagem de motivação intrínseca que recompensa a IA por ser curiosa e explorar seu ambiente.

  "AI verdadeiramente inteligente precisa ser capaz de aprender a completar tarefas de forma autônoma em ambientes ambíguos", diz Zambetta.

   "Mostramos que o tipo certo de algoritmo pode melhorar os resultados usando uma abordagem mais inteligente do que puramente bruta forçando um problema de ponta a ponta em computadores muito poderosos.

   "Nossos resultados mostram o quanto estamos mais perto de chegar à IA autônoma e pode ser uma linha chave de investigação se quisermos continuar a fazer progressos substanciais neste campo."

   O método de Zambetta recompensa o sistema por explorar autonomamente sub-objetivos úteis, tais como 'subir aquela escada' ou 'pular sobre aquele buraco', o que pode não ser óbvio para um computador, dentro do contexto de completar uma missão maior.

   Outros sistemas de última geração exigiram a entrada humana para identificar esses sub-objetivos ou então decidiram o que fazer em seguida, aleatoriamente.

   "Nossos algoritmos não apenas identificaram autonomamente tarefas relevantes cerca de 10 vezes mais rápido do que o Google DeepMind enquanto jogavam a Vingança de Montezuma, mas também exibiam um comportamento relativamente humano ao fazê-lo", diz Zambetta.

   "Por exemplo, antes de chegar à segunda tela do jogo, você precisa identificar subtarefas, como subir escadas, pular sobre um inimigo e, finalmente, pegar uma chave, aproximadamente nessa ordem.

   "Isso acabaria acontecendo aleatoriamente depois de uma enorme quantidade de tempo, mas para acontecer tão naturalmente em nossos testes mostra algum tipo de intenção.

  "Isso faz com que o nosso primeiro agente totalmente autônomo voltado para objetivos seja verdadeiramente competitivo com agentes de ponta nesses jogos."

   Zambetta disse que o sistema funcionará fora dos videogames em uma ampla gama de tarefas, quando abastecido com entradas visuais cruas.

   "Criar um algoritmo que possa completar videogames pode parecer trivial, mas o fato de termos projetado um que possa lidar com a ambiguidade enquanto escolhe um número arbitrário de ações possíveis é um avanço crítico.

   "Isso significa que, com o tempo, essa tecnologia será valiosa para atingir objetivos no mundo real, seja em carros autônomos ou como assistentes robóticos úteis com reconhecimento de linguagem natural", diz ele.

   O trabalho "Derivando Sub-objetivos Autonomamente para Acelerar a Aprendizagem em Domínios de Recompensa Esparsos" (lido acima) será apresentado na 33ª Conferência de Inteligência Artificial da AAAI em Honolulu, Havaí, em 1º de fevereiro de 2019.

Artigo:

Materiais fornecidos pela RMIT University ao site Science Daily.


Fonte:

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Moléculas orgânicas detectadas na estrela V883 Orionis

Moléculas orgânicas detectadas na estrela V883 Orionis

   Astrônomos usando ALMA detectaram várias moléculas orgânicas complexas ao redor da jovem estrela V883 Ori. Uma explosão repentina desta estrela está liberando moléculas dos compostos gelados do planeta formando o disco. A composição química do disco é semelhante à dos cometas no moderno Sistema Solar. Observações sensíveis do ALMA permitem aos astrônomos reconstruir a evolução de moléculas orgânicas desde o nascimento do Sistema Solar até os objetos que vemos hoje.

  A equipe de pesquisa liderada por Jeong-Eun Lee (Universidade Kyung Hee, Coréia) usou o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) para detectar moléculas orgânicas complexas, incluindo metanol (CH3OH), acetona (CH3COCH3), acetaldeído (CH3CHO), formiato de metila (CH3OCHO) e acetonitrilo (CH3CN). Esta é a primeira vez que a acetona foi detectada sem ambigüidade em uma região formadora de planeta ou disco protoplanetário.

   Várias moléculas são congeladas no gelo ao redor de partículas de poeira de tamanho micrométrico em discos protoplanetários. O surto repentino da V883 Ori é aquecer o disco e sublimar o gelo, que libera as moléculas em gás. A região em um disco onde a temperatura atinge a temperatura de sublimação das moléculas é chamada de "linha de neve". Os raios das linhas de neve são cerca de algumas unidades astronômicas (au) ao redor de estrelas jovens normais, no entanto, elas são aumentadas quase 10 vezes em torno de estrelas em explosão.

   "É difícil imaginar um disco na escala de alguns au com os atuais telescópios", disse Lee. "No entanto, em torno de uma estrela de explosão, o gelo derrete em uma área mais ampla do disco e é mais fácil ver a distribuição de moléculas. Estamos interessados ​​na distribuição de moléculas orgânicas complexas como os blocos de construção da vida."

  O gelo, incluindo moléculas orgânicas congeladas, pode estar intimamente relacionado com a origem da vida nos planetas. Em nosso Sistema Solar, os cometas são o foco de atenção por causa de seus ricos compostos gelados. Por exemplo, a lendária exploradora de cometas Rosetta, da Agência Espacial Européia, encontrou uma rica química orgânica em torno do cometa Churyumov-Gerasimenko. Acredita-se que os cometas tenham sido formados na região externa mais fria do sistema proto-solar, onde as moléculas estavam contidas no gelo. Sondar a composição química do gelo em discos protoplanetários está diretamente relacionado à investigação da origem das moléculas orgânicas nos cometas e à origem dos elementos básicos da vida.

   Graças à visão aguçada do ALMA e à linha de neve aumentada devido ao surto da estrela, os astrônomos obtiveram a distribuição espacial de metanol e acetaldeído. A distribuição dessas moléculas tem uma estrutura semelhante a um anel com um raio de 60 au, que é o dobro do tamanho da órbita de Netuno. Os pesquisadores supõem que dentro deste anel as moléculas são invisíveis porque são obscurecidas por material espesso e empoeirado, e são invisíveis fora deste raio porque estão congeladas no gelo.

   "Como os planetas rochosos e gelados são feitos de material sólido, a composição química dos sólidos nos discos é de especial importância. Uma explosão é uma chance única de investigar os sublimados frescos e, portanto, a composição dos sólidos." diz Yuri Aikawa, da Universidade de Tóquio, membro da equipe de pesquisa.

   V883 Ori é uma jovem estrela localizada a 1300 anos-luz da Terra. Esta estrela está experimentando um chamado FU Orionis tipo explosão, um aumento súbito de luminosidade devido a uma torrente de material que flui do disco para a estrela. Essas explosões duram apenas na ordem de 100 anos, portanto a chance de observar uma explosão é bastante rara. No entanto, como as estrelas jovens com uma ampla faixa etária experimentam explosões de FU Ori, os astrônomos esperam poder traçar a composição química do gelo ao longo da evolução de estrelas jovens.

Artigo:

Jeong-Eun Lee, Seokho Lee, Giseon Baek, Yuri Aikawa, Lucas Cieza, Sung-Yong Yoon, Gregory Herczeg, Doug Johnstone, Simon Casassus. The ice composition in the disk around V883 Ori revealed by its stellar outburst. Nature Astronomy, 2019; DOI: 10.1038/s41550-018-0680-0

Fonte:

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Tensão mecânica modifica propriedades dos materiais

Tensão mecânica modifica propriedades dos materiais 

  Aplicar um pouco de tensão a um pedaço de semicondutor ou outro material cristalino pode deformar o arranjo ordenado de átomos em sua estrutura o suficiente para causar mudanças dramáticas em suas propriedades, como a condução de eletricidade, a transmissão de luz ou a condução de calor.

   Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT, da Rússia e Cingapura encontraram maneiras de usar inteligência artificial para ajudar a prever e controlar essas mudanças, potencialmente abrindo novos caminhos de pesquisa em materiais avançados para futuros dispositivos de alta tecnologia.

  Os resultados aparecem esta semana no Proceedings of National Academy of Sciences , em um artigo de autoria do MIT, professor de ciência e engenharia nuclear e da ciência e engenharia de materiais Ju Li, cientista principal do MIT Ming Dao, e Zhe Shi, estudante de pós-graduação do MIT com Evgeni Tsymbalov e Alexander Shapeev no Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia na Rússia, e Subra Suresh, o Professor Vannevar Bush emérito e ex-reitor de engenharia do MIT e atual presidente da Nanyang Technological University em Cingapura.

  Já com base em trabalhos anteriores no MIT, algum grau de tensão elástica foi incorporado em alguns chips de processadores de silício. Mesmo uma mudança de 1% na estrutura pode, em alguns casos, melhorar a velocidade do dispositivo em 50%, permitindo que os elétrons se movam pelo material mais rapidamente.

   Uma pesquisa recente de Suresh, Dao e Yang Lu, um ex-pós-doc do MIT, mostrou que até mesmo o diamante, o material mais forte e mais difícil encontrado na natureza, pode ser esticado elasticamente em até 9 por cento sem falha quando é na forma de agulhas de tamanho nanométrico. Li e Yang também demonstraram que fios de silício em nanoescala podem ser esticados de forma puramente elástica em mais de 15%. Essas descobertas abriram novos caminhos para explorar como os dispositivos podem ser fabricados com mudanças ainda mais dramáticas nas propriedades dos materiais.

Tensão feita por encomenda

   Ao contrário de outras maneiras de alterar as propriedades de um material, como o doping químico, que produz uma mudança permanente e estática, a engenharia de deformação permite que as propriedades sejam alteradas rapidamente. "Strain é algo que você pode ligar e desligar dinamicamente", diz Li.

  Mas o potencial dos materiais de engenharia de tensão tem sido dificultado pela assustadora gama de possibilidades. A cepa pode ser aplicada de seis maneiras diferentes (em três dimensões diferentes, cada uma das quais pode produzir tensão para dentro e para fora ou para os lados) e com gradações de grau quase infinitas, portanto, a gama completa de possibilidades é impraticável para explorar simplesmente por tentativa e erro. "Ele cresce rapidamente para 100 milhões de possibilidades, se quisermos mapear todo o espaço de tensão elástica", diz Li.

  É aí que a nova aplicação dessa equipe de métodos de aprendizado de máquina vem em seu socorro, fornecendo uma maneira sistemática de explorar as possibilidades e orientar-se na quantidade e direção apropriadas de tensão para alcançar um determinado conjunto de propriedades para uma finalidade específica. "Agora temos esse método de alta precisão" que reduz drasticamente a complexidade dos cálculos necessários, diz Li.

   "Este trabalho é uma ilustração de como avanços recentes em campos aparentemente distantes como física de materiais, inteligência artificial, computação e aprendizado de máquina podem ser reunidos para avançar o conhecimento científico que tem fortes implicações para a aplicação industrial", diz Suresh.

   O novo método, dizem os pesquisadores, poderia abrir possibilidades para a criação de materiais ajustados precisamente para dispositivos eletrônicos, optoeletrônicos e fotônicos que poderiam encontrar usos para aplicações de comunicações, processamento de informações e energia.

   A equipe estudou os efeitos da tensão sobre o bandgap, uma propriedade eletrônica chave dos semicondutores, tanto no silício quanto no diamante. Usando seu algoritmo de rede neural, eles foram capazes de prever com alta precisão como diferentes quantidades e orientações de tensão afetariam o bandgap.

   O "ajuste" de um bandgap pode ser uma ferramenta-chave para melhorar a eficiência de um dispositivo, como uma célula solar de silício, fazendo com que ele corresponda com mais precisão ao tipo de fonte de energia que é projetado para aproveitar. Ao ajustar o seu bandgap, por exemplo, pode ser possível fazer uma célula solar de silício que seja tão eficaz em captar a luz solar quanto suas contrapartes, mas tenha apenas um milésimo de espessura. Em teoria, o material "pode ​​até mudar de um semicondutor para um metal, e isso teria muitas aplicações, se isso for possível em um produto produzido em massa", diz Li.

   Embora seja possível, em alguns casos, induzir mudanças semelhantes por outros meios, como colocar o material em um campo elétrico forte ou alterá-lo quimicamente, essas alterações tendem a ter muitos efeitos colaterais no comportamento do material, enquanto a alteração da tensão tem menos esse lado efeitos. Por exemplo, explica Li, um campo eletrostático muitas vezes interfere com o funcionamento do dispositivo porque afeta a maneira como a eletricidade flui através dele. Alterar a tensão não produz tal interferência.

O potencial do diamante

  O diamante tem um grande potencial como material semicondutor, embora ainda esteja engatinhando em comparação com a tecnologia de silício. "É um material extremo, com alta mobilidade transportadora", diz Li, referindo-se à forma como os portadores negativos e positivos da corrente elétrica se movem livremente através do diamante. Por causa disso, o diamante pode ser ideal para alguns tipos de dispositivos eletrônicos de alta frequência e para eletrônica de potência.

   Por algumas medidas, diz Li, o diamante poderia potencialmente ser 100 mil vezes melhor que o silício. Mas tem outras limitações, incluindo o fato de que ninguém ainda descobriu uma maneira boa e escalonável de colocar camadas de diamante em um substrato grande. O material também é difícil de "drenar", ou introduzir outros átomos, uma parte fundamental da fabricação de semicondutores.

  Ao montar o material em uma armação que pode ser ajustada para alterar a quantidade e a orientação da deformação, Dao diz que "podemos ter considerável flexibilidade" ao alterar seu comportamento dopante.

   Considerando que este estudo focou especificamente nos efeitos da tensão na banda de materiais, "o método é generalizável" para outros aspectos, que afetam não apenas as propriedades eletrônicas, mas também outras propriedades, como o comportamento fotônico e magnético, diz Li. A partir da tensão de 1% que agora está sendo usada em chips comerciais, muitas novas aplicações se abrem agora que esta equipe mostrou que cepas de quase 10% são possíveis sem fraturar. "Quando você chega a mais de 7 por cento de tensão, você realmente muda muito no material", diz ele.

   "Este novo método poderia levar ao design de propriedades de material sem precedentes", diz Li.    "Mas muito mais trabalho será necessário para descobrir como impor a tensão e como escalar o processo para fazer isso em 100 milhões de transistores em um chip [e garantir que] nenhum deles possa falhar."

Artigo:

Zhe Shi, Evgenii Tsymbalov, Ming Dao, Subra Suresh, Alexander Shapeev, and Ju Li. Deep elastic strain engineering of bandgap through machine learning. PNAS, 2019 DOI: 10.1073/pnas.1818555116

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O nosso universo é uma bolha quadridimensional

O nosso universo é uma bolha quadridimensional

  Pesquisadores da Universidade de Uppsala criaram um novo modelo para o Universo - um que pode resolver o enigma da energia escura. Seu novo artigo, publicado na Physical Review Letters , propõe um novo conceito estrutural, incluindo a energia escura, universo que circula numa bolha em expansão em uma dimensão adicional.

  Nós sabemos há 20 anos que o Universo está se expandindo a um ritmo cada vez mais acelerado. A explicação é a "energia escura" que a permeia por toda parte, empurrando-a para se expandir. Entender a natureza dessa energia escura é um dos principais enigmas da física fundamental.

  Há muito tempo se espera que a teoria das cordas forneça a resposta. De acordo com a teoria das cordas, toda a matéria consiste de entidades minúsculas, vibrantes, semelhantes a cordas. A teoria também exige que haja mais dimensões espaciais do que as três que já fazem parte do conhecimento cotidiano. Por 15 anos, houve modelos na teoria das cordas que foram pensados ​​para dar origem à energia escura. No entanto, estes vêm sofrendo críticas cada vez mais duras, e vários pesquisadores agora afirmam que nenhum dos modelos propostos até hoje é viável.

 Em seu artigo, os cientistas propõem um novo modelo com energia escura e nosso Universo montando uma bolha expansiva em uma dimensão extra. Todo o Universo é acomodado no limite dessa bolha em expansão. Toda a matéria existente no Universo corresponde às extremidades das cordas que se estendem para a dimensão extra. Os pesquisadores também mostram que a expansão de bolhas deste tipo pode vir a existir no âmbito da teoria das cordas. É concebível que haja mais bolhas do que a nossa, correspondendo a outros universos.

 O modelo dos cientistas de Uppsala fornece uma nova imagem diferente da criação e futuro destino do Universo, enquanto também pode abrir o caminho para métodos de teste da teoria das cordas.

Artigo:

Souvik Banerjee, Ulf Danielsson, Giuseppe Dibitetto, Suvendu Giri, Marjorie Schillo. Emergent de Sitter Cosmology from Decaying Anti–de Sitter Space. Physical Review Letters, 2018; 121 (26) DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.261301


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Molusco produz biomaterial ultra resistente

Bloco de magnetita
Molusco produz biomaterial ultra resistente

  Um molusco com dentes que podem triturar rochas pode ser a chave para a fabricação de materiais resistentes à abrasão da próxima geração e materiais em nanoescala para produção de energia.

 O molusco, chamado gumboot chiton, raspa as algas das rochas oceânicas usando um conjunto especializado de dentes feitos de magnetita magnética. Os dentes têm a maior dureza e rigidez de qualquer biomineral conhecido. Embora a magnetita seja um mineral geológico comumente encontrado na crosta terrestre, apenas alguns animais são conhecidos por produzi-la, e pouco se sabe sobre como ela é produzida.

 Uma melhor compreensão do processo de biomineralização, combinada com uma compreensão completa da arquitetura e mecânica dos dentes do chiton, pode ajudar os cientistas a melhorar não apenas revestimentos e ferramentas resistentes ao desgaste, mas também ajudar a desenvolver materiais em nanoescala para aplicações baseadas em água e produção de energia.

 Agora, pela primeira vez, uma equipe liderada por Michiko Nemoto, professor assistente de agricultura na Universidade de Okayama e David Kisailus, professor de ciência dos materiais e engenharia química na Bourns College of Engineering da UC Riverside, descobriu uma peça do quebra-cabeça genético que permite ao chiton produzir nanomateriais de magnetita.

  Chitons têm várias dezenas de fileiras de dentes presas a uma estrutura semelhante a uma fita. Cada dente é composto de uma cúspide mineralizada, ou área pontiaguda, e base apoiando a cúspide mineralizada. A magnetita é depositada apenas na região da cúspide. À medida que os dentes se desgastam, eles são substituídos por novos dentes, de modo que dentes em vários estágios de formação estão sempre presentes.

 Em vez de procurar por genes específicos, os pesquisadores examinaram o transcriptoma, o conjunto de todas as moléculas de RNA nos dentes, para ver que substâncias os genes realmente expressavam. O DNA contém as plantas, mas o RNA é o que "transcreve" as plantas e ajuda a realizá-las.

 Eles descobriram que os 20 transcritos de RNA mais abundantes na região dos dentes em desenvolvimento contêm ferritina, uma proteína que armazena ferro e libera de forma controlada, enquanto aqueles na região de dentes mineralizados incluem proteínas de mitocôndrias que podem fornecer a energia necessária para transformar as matérias primas em magnetita. Na cúspide totalmente mineralizada, os pesquisadores também identificaram 22 proteínas que incluíam uma nova proteína que eles chamavam de "proteína matriz de dentes radulares". A nova proteína pode interagir com outras substâncias presentes nos dentes para produzir óxido de ferro.

  As descobertas podem ajudar os cientistas a resolver um problema urgente para a próxima geração de eletrônicos e fontes de energia em nanoescala para alimentá-los. Saber como controlar o crescimento da magnetita biológica, cujos campos magnéticos têm aplicações elétricas, poderia ajudar os cientistas a criar materiais energéticos em nanoescala.

Artigo:

Michiko Nemoto, Dongni Ren, Steven Herrera, Songqin Pan, Takashi Tamura, Kenji Inagaki, David Kisailus. Integrated transcriptomic and proteomic analyses of a molecular mechanism of radular teeth biomineralization in Cryptochiton stelleri. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-018-37839-2

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Primeiro robô-planta já é realidade

Vídeo mostrando a atuação do robô

   Pesquisadores do IIT-Istituto Italiano di Tecnologia obtiveram o primeiro robô leve imitando tendões de plantas: ele é capaz de enrolar e escalar, usando os mesmos princípios físicos que determinam o transporte de água nas plantas. A equipe de pesquisa é liderada por Barbara Mazzolai e os resultados foram publicados na Nature Communications . No futuro, esse robô leve semelhante a um tendão pode inspirar o desenvolvimento de dispositivos vestíveis, como braços, capazes de transformar ativamente sua forma.

 Os pesquisadores se inspiraram nas plantas e em seus movimentos. De fato, sendo incapazes de escapar (ao contrário dos animais), as plantas associaram seu movimento ao crescimento e, ao fazê-lo, adaptam continuamente sua morfologia ao ambiente externo. Mesmo os órgãos da planta expostos ao ar são capazes de realizar movimentos complexos como, por exemplo, o fechamento das folhas em plantas carnívoras ou o crescimento de tendões em plantas trepadeiras, que são capazes de enrolar em torno de suportes externos (e desenroscar, se os suportes não são adequados) para favorecer o crescimento da própria planta.

 Os pesquisadores estudaram os mecanismos naturais pelos quais as plantas exploram o transporte de água dentro de suas células, tecidos e órgãos para se moverem, e então o replicam em um tentáculo artificial. O princípio hidráulico é chamado de "osmose" e é baseado na presença de pequenas partículas no citosol, o fluido intracelular da planta.

 Partindo de um modelo matemático simples, os pesquisadores primeiro entenderam o quão grande um robô leve dirigido pelo princípio hidráulico mencionado deveria ser, a fim de evitar movimentos muito lentos. Então, dando ao robô a forma de um pequeno tentáculo, eles conseguiram a capacidade de executar movimentos reversíveis, como as plantas reais fazem.

  O robô leve é feito de um tubo PET flexível, contendo um líquido com partículas eletricamente carregadas (íons). Ao usar uma bateria de 1,3 volts, essas partículas são atraídas e imobilizadas na superfície de eletrodos flexíveis no fundo do tendão; seu movimento provoca o movimento do líquido, que move o robô. Para voltar, basta desconectar os fios elétricos da bateria e juntá-los.

 A possibilidade de explorar osmose para ativar movimentos reversíveis foi demonstrada pela primeira vez. O fato de ter conseguido usar uma bateria comum e tecidos flexíveis, além disso, sugere a possibilidade de criar robôs flexíveis facilmente adaptáveis ​​ao ambiente circundante, com potencial para interações aprimoradas e seguras com objetos ou seres vivos.

  As possíveis aplicações vão desde tecnologias vestíveis até o desenvolvimento de braços robóticos flexíveis para exploração. O desafio de imitar a capacidade das plantas de se mover em ambientes mutáveis ​​e não estruturados está apenas começando.

 Neste contexto, Mazzolai e sua equipe de pesquisa estão envolvidos como coordenadores em um novo projeto, chamado "GrowBot", que é financiado pela Comissão Europeia no âmbito do programa FET Proactive, e prevê o desenvolvimento de um robô que é capaz de gerenciar crescimento e adaptação ao ambiente circundante com a capacidade de reconhecer as superfícies a que se liga ou os suportes aos quais se ancora. Assim como as plantas trepadeiras reais fazem.

Artigo:

Indrek Must, Edoardo Sinibaldi, Barbara Mazzolai. A variable-stiffness tendril-like soft robot based on reversible osmotic actuation. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-08173-y

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Novo dispositivo converte sinal wi-fi em eletricidade

Novo dispositivo converte sinal wi-fi em eletricidade
Imagem ilustrativa da rectenna

   Imagine um mundo em que smartphones, laptops e outros produtos eletrônicos sejam alimentados sem baterias. Pesquisadores do MIT e de outros países deram um passo nessa direção, com o primeiro dispositivo totalmente flexível que pode converter a energia dos sinais Wi-Fi em eletricidade para alimentar eletrônicos em geral.

  Dispositivos que convertem ondas eletromagnéticas de corrente alternada em eletricidade de corrente contínua são conhecidos como "rectennas". Os pesquisadores demonstram um novo tipo de rectenna, descrito em um estudo publicado na Nature , que usa uma antena de radiofreqüência (RF) flexível que captura ondas eletromagnéticas - incluindo aquelas que transportam Wi-Fi - como formas de onda AC (corrente alternada).

   A antena é então conectada a um novo dispositivo feito de um semicondutor bidimensional com poucos átomos de espessura. O sinal AC viaja para o semicondutor, que o converte em uma tensão DC (corrente contínua) que pode ser usada para alimentar circuitos eletrônicos ou recarregar baterias.

  Dessa forma, o dispositivo sem bateria captura e transforma passivamente sinais Wi-Fi onipresentes em energia DC útil. Além disso, o dispositivo é flexível e pode ser fabricado em um processo roll-to-roll para cobrir áreas muito grandes.

   "E se pudéssemos desenvolver sistemas eletrônicos que envolvessem uma ponte ou cobrissem uma rodovia inteira ou as paredes de nosso escritório e traríamos inteligência eletrônica para tudo ao nosso redor? Como você fornece energia para esses aparelhos eletrônicos?" diz o co-autor do artigo, Tomás Palacios, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e diretor do Centro MIT / MTL de Dispositivos de Grafeno e Sistemas 2D nos Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas. "Criamos uma nova maneira de alimentar os sistemas eletrônicos do futuro - capturando a energia Wi-Fi de maneira que seja facilmente integrada em grandes áreas - para trazer inteligência a todos os objetos ao nosso redor".

   As aplicações iniciais promissoras para a rectenna proposta incluem o fornecimento de energia a aparelhos eletrônicos flexíveis e vestíveis, dispositivos médicos e sensores para a "internet das coisas". Smartphones flexíveis, por exemplo, são um novo mercado para grandes empresas de tecnologia. Em experimentos, o dispositivo dos pesquisadores pode produzir cerca de 40 microwatts de energia quando expostos aos níveis típicos de energia dos sinais Wi-Fi (cerca de 150 microwatts). Isso é mais do que energia suficiente para acender um simples monitor móvel ou chips de silício.

  Outra possível aplicação está alimentando a comunicação de dados de dispositivos médicos implantáveis, diz o co-autor Jesús Grajal, pesquisador da Universidade Técnica de Madri. Por exemplo, os pesquisadores estão começando a desenvolver pílulas que podem ser engolidas pelos pacientes e transmitir dados de saúde de volta a um computador para diagnósticos.

   "Idealmente, você não quer usar baterias para alimentar esses sistemas, porque se eles vazam lítio, o paciente pode morrer", diz Grajal. "É muito melhor colher a energia do ambiente para ligar esses pequenos laboratórios dentro do corpo e comunicar dados a computadores externos".

   Todas as rectennas dependem de um componente conhecido como "retificador", que converte o sinal de entrada AC em energia DC. Retennas tradicionais usam arseneto de silício ou gálio para o retificador. Esses materiais podem cobrir a banda Wi-Fi, mas são rígidos. E, embora o uso desses materiais para fabricar pequenos dispositivos seja relativamente barato, usá-los para cobrir vastas áreas, como as superfícies de edifícios e paredes, seria um custo proibitivo. Pesquisadores tentam contornar esses problemas há muito tempo. Mas as poucas rectennas flexíveis relatadas até agora operam em baixas freqüências e não podem capturar e converter sinais em freqüências de gigahertz, onde a maioria dos sinais de telefone celular e Wi-Fi são relevantes.

   Para construir seu retificador, os pesquisadores usaram um novo material chamado dissulfeto de molibdênio (MoS2), que em três átomos de espessura é um dos semicondutores mais finos do mundo. Ao fazer isso, a equipe aproveitou um comportamento singular do MoS2 : Quando expostos a certos produtos químicos, os átomos do material se reorganizam de uma maneira que age como um interruptor, forçando uma transição de fase de um semicondutor para um material metálico. Essa estrutura é conhecida como um diodo Schottky, que é a junção de um semicondutor com um metal.

   "Ao projetar MoS2 em uma junção de fase semicondutor-metálica, construímos um diodo Schottky atomicamente fino e ultrarápido que minimiza simultaneamente a resistência em série e a capacitância parasítica", diz o primeiro autor e pós-doutorado do EECS Xu Zhang, que em breve se juntará a Carnegie Mellon University como professor assistente.

  "Esse design permitiu um dispositivo totalmente flexível que é rápido o suficiente para cobrir a maioria das bandas de frequência de rádio usadas pelos nossos eletrônicos diários, incluindo Wi-Fi, Bluetooth, LTE celular e muitos outros", diz Zhang.

   O trabalho relatado fornece planos para outros dispositivos flexíveis de Wi-Fi para eletricidade com saída e eficiência substanciais. A eficiência máxima de saída do dispositivo atual é de 40%, dependendo da potência de entrada da entrada Wi-Fi. No nível de energia Wi-Fi típico, a eficiência de energia do retificador MoS2 é de cerca de 30%. Para referência, as melhores rectennas de silício e gálio de hoje feitas de arseneto de silício ou gálio, mais caras, atingem cerca de 50 a 60%.

   A equipe agora está planejando construir sistemas mais complexos e melhorar a eficiência. O trabalho foi possível, em parte, por uma colaboração com a Universidade Técnica de Madri através das Iniciativas de Ciência e Tecnologia do MIT (MISTI). Também foi parcialmente apoiado pelo Instituto de Nanotecnologia de Soldados, o Laboratório de Pesquisa do Exército, o Centro de Materiais Quânticos Integrados da Fundação Nacional de Ciência e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.

Artigo:

Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, Ahmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus and Tomás Palacios. Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1

Fonte:

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