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  • 03 de setembro, 2020

    Serragem com nanotecnologia melhora as fibras de carbono

     

    Redação do Site Inovação Tecnológica – 25/08/2020

    Serragem com nanotecnologia melhora as fibras de carbono

    Imagem de microscopia eletrônica dos nanocristais de celulose sobre as fibras de carbono.

     

     

    Nanotubos com nanomadeira

     

     

    As fibras de carbono estão entre os melhores produtos sintéticos atualmente no mercado quando o assunto é leveza e resistência.

     

    Os nanotubos de carbono são ainda mais excepcionais, mas ninguém conseguiu até agora fabricá-los em dimensões úteis na escala humana.

     

    Mas Shadi Shariatnia, da Universidade do Texas, nos EUA, conseguiu algo que parecia natural: usar os minúsculos nanotubos de carbono para reforçar as muito maiores fibras de carbono.

     

    É claro que muita gente tem tentado fazer isso, mas Shariatnia encontrou o ingrediente que faltava na receita: cristais de celulose do tamanho dos nanotubos – por isso o material também é conhecido como nanocelulose.

     

    E, para produzir a nanocelulose, o pesquisador nem precisou triturar madeira: Ele usou madeira já triturada, um rejeito da indústria madeireira e de móveis, também conhecida como serragem.

     

    O resultado é um material composto – um compósito – que justifica a expressão recorrentemente utilizada pelos pesquisadores da área: “Leve como uma pena e forte como aço”.

     

     

    Serragem com nanotecnologia melhora as fibras de carbono

    A manipulação do material em nanoescala amplia suas possibilidades de uso em macroescala.
    [Imagem: Amir Asadi Lab/Texas A&M]

     

     

    Compósitos poliméricos

     

     

    Os compósitos são tipicamente construídos em camadas. Por exemplo, compósitos de polímero são feitos de camadas de fibras, como fibras de carbono ou Kevlar, e uma matriz de polímero. Ocorre que essa estrutura em camadas é também o calcanhar de Aquiles dos compósitos: Qualquer dano às camadas causa fraturas, um processo conhecido tecnicamente como delaminação.

     

    No casamento dos nanotubos com as fibras de carbono há um problema adicional: Os nanotubos têm a tendência de se aglomerar, não formando camadas uniformes.

     

    O que Shariatnia fez foi tirar proveito do fato de que os nanocristais de celulose têm segmentos em suas moléculas que atraem a água e segmentos que repelem a água. A parte hidrofóbica da nanocelulose se liga às fibras de carbono e as ancora na matriz polimérica. Por outro lado, as porções hidrofílicas – que atraem a água – ajudam a dispersar os nanotubos carbono uniformemente, evitando que se aglomerem.

     

    Quando tudo seca, resta um compósito com uma resistência à flexão 33% maior e uma resistência interlaminar 40% mais elevada.

     

    “Este método nos permitiu ter mais controle sobre as propriedades dos compósitos poliméricos que emergem em macroescala. Acreditamos que nossa técnica é um caminho a seguir na ampliação do processamento de compósitos híbridos, que serão úteis para uma variedade de indústrias, incluindo a fabricação de aeronaves e automóveis,” disse o professor Amir Asadi.

     

     

    Bibliografia:

     

    Artigo: Hybrid Cellulose Nanocrystal-Bonded Carbon Nanotubes/Carbon Fiber Polymer Composites for Structural Applications
    Autores: Shadi Shariatnia, Annuatha V. Kumar, Ozge Kaynan, Amir Asadi
    Revista: Applied Nano Materials
    DOI: 10.1021/acsanm.0c00785

  • 24 de junho, 2020

    Construída primeira bateria quântica

    Bateria spintrônica

     

    Primeira bateria quânticaA primeira bateria de fase quântica prática é constituída por um nanofio de arseneto de índio (InAs) em contato com supercondutores de alumínio. [Imagem: Andrea Iorio]

    As baterias estão por toda a parte, dos aparelhos eletrônicos às ferramentas e carros.

     

    Essas baterias clássicas, ou pilhas de Volta, convertem energia química em uma tensão elétrica, que “empurra” os elétrons na forma de uma corrente, usada então para alimentar os aparelhos.

     

    Em muitas tecnologias quânticas, os componentes e circuitos são baseados em materiais supercondutores, nos quais as correntes elétricas podem fluir sem a necessidade de aplicar uma tensão; portanto, não há necessidade de uma bateria clássica nesses sistemas.

     

    Essas correntes elétricas são chamadas supercorrentes porque não apresentam perdas de energia. Elas são induzidas não a partir de uma tensão, mas a partir de uma diferença de fase da função de onda do circuito quântico, o que está diretamente relacionada à natureza de onda da matéria – dos elétrons, mas especificamente.

     

    Assim, por analogia, um dispositivo capaz de fornecer uma diferença de fase persistente pode ser chamado de “bateria de fase quântica”, já que ela induz supercorrentes em um circuito quântico.

     

    E foi justamente essa bateria quântica que Elia Strambini e seus colegas da Espanha e da Itália acabam de construir, depois de terem demonstrado os princípios teóricos que fundamentam seu funcionamento.

     

    Bateria de fase quântica

     

    A bateria de fase quântica – ou bateria de fase Josephson – consiste em uma combinação de materiais supercondutores e magnéticos que, juntos, apresentam um efeito relativístico intrínseco, chamado acoplamento spin-órbita.

     

    Essa conexão entre eletricidade e magnetismo só foi descoberta muito recentemente, mas já está na base de tecnologias emergentes, como a spintrônica.

     

    Strambini identificou agora uma combinação de materiais adequada para explorar esse efeito, o que permitiu que ele e seus colegas fabricassem a primeira bateria de fase quântica.

     

    Ela consiste em um nanofio de arseneto de índio (InAs), um semicondutor composto de índio e arsênico. Quando dopado com cargas negativas, esse semicondutor se transforma no núcleo da bateria – a pilha -, enquanto cabos supercondutores de alumínio conectados a ele se tornem os pólos da bateria.

     

    Outra diferença em relação às baterias clássicas é que a bateria quântica é carregada aplicando-lhe um campo magnético, e não um campo elétrico – e a bateria quântica recarrega-se quase instantaneamente.

     

    Primeira bateria quânticaEsquema da bateria de Josephson e foto do primeiro protótipo.
    [Imagem: Elia Strambini et al. – 10.1038/s41565-020-0712-7]

     

    Tecnologias quânticas

     

    A importância da construção da bateria quântica pode ser facilmente compreendida pela analogia com as tecnologias clássicas, com as baterias e capacitores – que também são armazenadores de cargas elétricas – presentes desde os primeiros passos da indústria eletrônica.

     

    A expectativa é que esta inovação contribua para virtualmente todas as tecnologias quânticas, das técnicas de computação e detecção, até a medicina e as telecomunicações. O esforço agora será otimizar o funcionamento da bateria de fase quântica.

     

    Bibliografia:

    Artigo: A Josephson phase battery
    Autores: Elia Strambini, Andrea Iorio, Ofelia Durante, Roberta Citro, Cristina Sanz-Fernández, Claudio Guarcello, Ilya V. Tokatly, Alessandro Braggio, Mirko Rocci, Nadia Ligato, Valentina Zannier, Lucia Sorba, F. Sebastián Bergeret, Francesco Giazotto
    Revista: Nature
    DOI: 10.1038/s41565-020-0712-7

  • 26 de maio, 2020

    Elásticos de diamante armazenam mais energia que baterias

    Elásticos de diamante armazenam mais energia que baterias
    Estrutura dos nanofios de diamante e diversas configurações de seu enrolamento, para formar os músculos artificiais.
    [Imagem: Zhan et al. – 10.1038/s41467-020-15807-7]

     

    Nanofios de diamante

     

    O professor Haifei Zhan, da Universidade de Tecnologia de Queensland, na Austrália, teve uma ideia no mínimo inusitada: armazenar energia em “elásticos” de diamante.

    Você certamente já brincou com pequenos aviões e helicópteros que têm um elástico estendido a partir de sua hélice: você dá corda nele girando a hélice, que faz com que o elástico vá se enrolando e armazenando energia – assim que você solta a hélice, o elástico libera sua energia, fazendo a hélice girar e o brinquedo voar.

    O princípio é o mesmo, com a diferença que, em vez de um elástico de borracha, Zhan projetou fitas de carbono com uma estrutura cristalina similar à do diamante: ele as chama de nanofibras de diamante.

    “De forma semelhante a uma mola comprimida ou a um brinquedo de corda para crianças, a energia pode ser liberada à medida que o aglomerado torcido de fios se desenrola. Se você puder criar um sistema para controlar a energia fornecida pelo pacote de nanofios, isto seria uma solução de armazenamento de energia mais segura e mais estável para muitas aplicações, disse Zhan.

    Elásticos de diamante armazenam mais energia que baterias

    [Imagem: 10.1038/s41467-020-15807-7

     

    Músculo de diamante

     

    Os aglomerados de nanofios de diamante apresentaram uma densidade de energia – quanta energia o material armazena em relação à sua massa – de 1,76 MJ por quilograma, o que é de 4 a 5 vezes mais do que uma mola de aço convencional

    e até 3 vezes mais do que uma bateria de íons de lítio.

    “Feixes de nanofios de carbono podem ser transformados em músculos artificiais baseados em fios de torção que respondem a excitações elétricas, químicas ou fotônicas. Ao contrário do armazenamento químico, como as baterias de íons de lítio, que usam reações eletroquímicas para armazenar e liberar energia, um sistema de energia mecânica por si só apresentaria comparativamente riscos muito menores,” disse Zhan.

    Isto torna a nova estrutura de carbono uma fonte de alimentação em potencial em microescala para qualquer coisa, desde sistemas biomédicos implantados para monitorar funções cardíacas e cerebrais, até pequenos robôs e eletrônicos, afirma o pesquisador.

    “Os aglomerados de nanofios podem ser usados em linhas de transmissão de energia de última geração, eletrônica aeroespacial, baterias, têxteis inteligentes e compósitos estruturais, como materiais de construção,” finalizou Zhan.

     

    Bibliografia:

     

    Artigo: High density mechanical energy storage with carbon nanothread bundle
    Autores: Haifei Zhan, Gang Zhang, John M. Bell, Vincent B. C. Tan, Yuantong Gu
    Revista: Nature Communications
    Vol.: 11, Article number: 1905
    DOI: 10.1038/s41467-020-15807-7

  • 22 de abril, 2020

    Cubo de carbono é mais forte que diamante, mas muito mais leve

    Cubo de carbono é mais forte que o diamante, mas muito mais leveA nanoestrutura, formada por paredes com 160 nanômetros de espessura, tinha sido teorizada há tempos, mas ninguém havia conseguido fabricá-la até agora. [Imagem: Cameron Crook and Jens Bauer / UCI]

    Nanoestrutura superforte

     

    No ano passado, depois de usar simulações computacionais, pesquisadores anunciaram que novas formas de carbono seriam ser mais duras que o diamante quando pudessem ser sintetizadas.

     

    Cameron Crook e colegas de universidades norte-americanas e alemãs – incluindo duas químicas brasileiras – decidiram trabalhar por outras vias e já estão com uma estrutura mais forte que o diamante em cima da mesa.

     

    Crook sintetizou uma nanoestrutura formada por células fechadas, em vez das treliças cilíndricas comumente usadas nas últimas décadas na construção dessas nanoestruturas. Embora seja bem menos densa – ela é repleta de espaços vazios – a nanoestrutura de carbono pirolítico é mais forte que o diamante em termos de uma razão entre força e densidade

     

    O projeto melhorou o desempenho médio das arquiteturas cilíndricas baseadas em vigas em até 639% em resistência e 522% em rigidez, diz a equipe, que tem base de comparação porque havia construído uma estrutura assim há alguns anos, uma nanotorre de Babel quase tão forte quanto diamante.

     

    “Cientistas previram que as nanotreliças dispostas em um design baseado em placas seriam incrivelmente fortes,” disse Crook. “Mas a dificuldade de fabricar estruturas dessa maneira significava que a teoria nunca havia sido comprovada, até que conseguimos fabricá-las.”

     

    Cubo de carbono é mais forte que o diamante, mas muito mais leveEm vez de peças tubulares, a nanoestrutura é formada por células fechadas.
    [Imagem: Cameron Crook et al. – 10.1038/s41467-020-15434-2]

     

    Força e baixa densidade

     

    A técnica de fabricação usa um complexo processo de impressão a laser 3D chamado litografia direta a laser de dois fótons. À medida que uma resina sensível à luz ultravioleta é adicionada camada por camada, o material se torna um polímero sólido nos pontos em que dois fótons se encontram. A técnica é capaz de processar células repetidas, que se tornam placas com faces tão finas quanto 160 nanômetros.

     

    Uma das inovações do grupo foi a inclusão de pequenos orifícios nas placas, que são usados para remover o excesso de resina do material acabado. Como passo final, as treliças passam por pirólise, na qual são elas aquecidas a 900 ºC no vácuo por uma hora. O resultado final é uma treliça em forma de cubo de carbono vítreo que possui a maior força que os cientistas já pensaram ser possível para um material tão poroso.

     

    “Quando você pega qualquer pedaço de material e diminui drasticamente seu tamanho, para a casa dos 100 nanômetros, ele se aproxima de um cristal teórico, sem poros ou rachaduras. Reduzir essas falhas aumenta a força geral do sistema,” disse Bauer.

     

    Nanoestruturas como esta são altamente promissoras para engenharia estrutural, principalmente no setor aeroespacial, com sua combinação de força e baixa densidade de massa podendo melhorar significativamente o desempenho de aviões e espaçonaves.

     

     

    Bibliografia:

     

    Artigo: Plate-nanolattices at the theoretical limit of stiffness and strength

    Autores: Cameron Crook, Jens Bauer, Anna Guell Izard, Cristine Santos de Oliveira, Juliana Martins de Souza e Silva, Jonathan B. Berger, Lorenzo Valdevit

    Revista: Nature Communications

    Vol.: 11, Article number: 1579

    DOI: 10.1038/s41467-020-15434-2

  • 11 de março, 2020

    Tecnologia verde captura eletricidade diretamente do ar

    Tecnologia verde gera eletricidade diretamente do arNanofios produzidos por uma bactéria geram eletricidade quando entram em contato com a umidade naturalmente presente no ar.
    [Imagem: UMass Amherst/Jun Yao/Lovley labs]

     

    Eletricidade retirada do ar

     

    A ideia de coletar eletricidade diretamente do ar tem várias vertentes, desde o trabalho seminal do professor Fernando Galembeck, da Unicamp, que usou nanopartículas semicondutoras, até a coleta de ondas eletromagnéticas do ambiente, quaisquer que sejam suas origens.

     

    Xiaomeng Liu e seus colegas da Universidade de Massachusetts, nos EUA, apresentaram agora uma nova abordagem.

     

    Nanofios recobertos por proteínas eletricamente condutoras, produzidas pela bactéria Geobacter sulfurreducens , em contato com a umidade naturalmente presente no ar, geram eletricidade diretamente, no que a equipe chama de Air-gen, ou “gerador de eletricidade do ar”.

     

    O nanogerador requer apenas uma fina película de nanofios recobertos de proteínas, com menos de 10 micrômetros de espessura. A parte inferior do filme é depositada sobre um eletrodo, enquanto um eletrodo menor, que cobre apenas uma parte do filme de nanofios, fica no topo.

     

    O filme adsorve o vapor de água da atmosfera, e uma combinação de condutividade elétrica e química superficial dos nanofios de proteínas, acopladas por meio dos minúsculos poros entre os nanofios dentro do filme, estabelecem as condições que geram uma corrente elétrica entre os dois eletrodos.

     

    Isso torna a tecnologia “verde”, dispensando quaisquer compostos químicos ou metálicos tipicamente presentes nas baterias.

     

    Micrografia dos nanofios bacterianos e esquema do nanogerador.
    [Imagem: Xiaomeng Liu et al. – 10.1038/s41586-020-2010-9]

     

    Gerador de eletricidade do ar

     

    A eletricidade gerada alcança 0,7 V, com uma densidade de corrente de cerca de 17 microamperes por centímetro quadrado de um filme de 7 micrômetros de espessura. Com a grande vantagem de que, ao contrário dos geradores triboelétricos, o suprimento de energia é constante.

     

    Isso torna o dispositivo capaz de alimentar sensores e pequenos circuitos eletrônicos, como os da internet das coisas, o que coloca o Air-gen na categoria dos nanogeradores.

     

    E a equipe já está pensando em transformar o protótipo de demonstração em um produto comercial. Para isso, eles planejam transformá-lo em um adesivo que possa ser usado para suprir energia para monitores de saúde e relógios inteligentes, eliminando a necessidade de baterias.

     

    “O objetivo final é criar sistemas em larga escala. Por exemplo, a tecnologia pode ser incorporada à tinta de parede para ajudar a alimentar sua casa. Ou podemos desenvolver geradores a ar autônomos que forneçam eletricidade sem conexão à rede. Quando atingirmos a produção dos fios em escala industrial, eu realmente espero que possamos fazer grandes sistemas que darão uma grande contribuição à produção sustentável de energia,” disse o professor Jun Yao.

     

    Bibliografia:

     

    Redação do Site Inovação Tecnológica – 21/02/2020

     

    Artigo: Power generation from ambient humidity using protein nanowires
    Autores: Xiaomeng Liu, Hongyan Gao, Joy E. Ward, Xiaorong Liu, Bing Yin, Tianda Fu, Jianhan Chen, Derek R. Lovley, Jun Yao
    Revista: Nature
    DOI: 10.1038/s41586-020-2010-9

  • 11 de março, 2020

    Células solares de pontos quânticos batem recorde de eficiência

    Células solares de pontos quânticos batem recorde de eficiência

    Estrutura da célula solar recordista: os pontos quânticos são ilustrados como cubos vermelhos.
    [Imagem: Mengmeng Hao et al. – 10.1038/s41560-019-0535-7]

     

    De píxel a célula solar

    Os pontos quânticos tornaram-se píxeis nas telas mais modernas porque essas partículas semicondutoras recebem a eletricidade e a transformam em luz com grande eficiência.

     

    Mas essas nanoestruturas também podem funcionar invertidas, pegando a luz e transformando-a em eletricidade, o que tem levado a um grande interesse em usá-las como células solares.

     

    E parece que essa nova tecnologia poderá se tornar um produto comercial no campo da energia solar antes do que se esperava.

     

    Mengmeng Hao e colegas da Universidade de Queensland, na Austrália, estabeleceram um novo recorde de eficiência para as células solares de pontos quânticos, alcançando uma eficiência de 16,4% – muito próximo dos 20% tipicamente obtidos pelas células solares tradicionais de silício.

     

    “A melhoria de quase 25% em eficiência que alcançamos em relação ao recorde mundial anterior é importante. É efetivamente a diferença entre a tecnologia de células solares de pontos quânticos ser uma ‘perspectiva entusiasmante’ e ser comercialmente viável,” disse o professor Lianzhou Wang.

     

    Células solares de pontos quânticos batem recorde de eficiência

    Outra grande vantagem da tecnologia é que os painéis solares de pontos quânticos poderão ser fabricados pela mesma técnica usada para imprimir jornais e revistas.
    [Imagem: Mengmeng Hao et al. – 10.1038/s41560-019-0535-7]

     

    Painéis solares flexíveis

     

    A otimização das células solares de pontos quânticos foi alcançada com o desenvolvimento de uma estratégia envolvendo a engenharia de superfície.

     

    A superfície dos pontos quânticos tende a ser áspera e instável, o que os torna menos eficientes na conversão de energia solar em corrente elétrica. A equipe solucionou isto com uma química de troca de cátions baseada no ácido oleico.

     

    É importante lembrar que os pontos quânticos, embora sejam nanopartículas sólidas, são contidos em soluções líquidas, o que permite sua aplicação na forma de tintas.

     

    Para o campo da energia solar isso é particularmente interessante porque permite fabricar painéis solares por um sistema de impressão – de alto rendimento e baixo custo – e ainda sobre substratos flexíveis – que podem ser aplicados sobre superfícies irregulares, e não apenas na forma de grandes placas colocadas sobre os telhados.

     

    “Isso abre uma enorme variedade de aplicações em potencial, incluindo a possibilidade de usá-los como uma capa transparente para alimentar carros, aviões, residências e tecnologia de vestir. Eventualmente, poderia ter um papel importante no cumprimento da meta das Nações Unidas de aumentar a participação de energia renovável no mix global de energia,” disse o professor Wang.

     

     

    Bibliografia:

    Redação do Site Inovação Tecnológica – 05/03/2020

     

    Artigo: Ligand-assisted cation-exchange engineering for high-efficiency colloidal Cs1?xFAxPbI3 quantum dot solar cells with reduced phase segregation

    Autores: Mengmeng Hao, Yang Bai, Stefan Zeiske, Long Ren, Junxian Liu, Yongbo Yuan, Nasim Zarrabi, Ningyan Cheng, Mehri Ghasemi, Peng Chen, Miaoqiang Lyu, Dongxu He, Jung-Ho Yun, Yi Du, Yun Wang, Shanshan Ding, Ardalan Armin, Paul Meredith, Gang Liu, Hui-Ming Cheng, Lianzhou Wang
    Revista: Nature Energy
    Vol.: 5, pages 79-88
    DOI: 10.1038/s41560-019-0535-7

  • 10 de março, 2020

    Substituir petróleo por madeira pode ser lucrativo econômica e ambientalmente

    Redação do Site Inovação Tecnológica – 04/03/2020

    Substituir petróleo por madeira pode ser lucrativo econômica e ambientalmente
    Reator químico desenvolvido pela equipe para dividir a madeira em polpa de madeira e óleo de lignina.


    [Imagem: KU Leuven]

     

    Madeira como matéria-prima química

     

    Uma equipe interdisciplinar de bioengenheiros e economistas da Universidade de Leuven, na Bélgica, traçou um roteiro mostrando como a madeira poderia substituir o petróleo na indústria química.

     

    Eles analisaram não apenas os requisitos tecnológicos, mas também se esse cenário seria financeiramente viável e como ele impactaria o meio ambiente.

     

    Atualmente, o petróleo é mais barato do que a madeira. Assim, nossos plásticos, agentes de limpeza e materiais de construção são tipicamente feitos de componentes químicos derivados do petróleo.

     

    Mas não há entraves técnicos para usar a madeira para produzir matérias-primas químicas necessárias para uma infinidade de produtos. De fato, Yuhe Liao e seus colegas fizeram os cálculos mostrando que pode ser financeiramente viável construir e manter uma biorrefinaria que converte madeira em blocos de construção químicos.

     

    “O que há de tão especial neste estudo é que calculamos a viabilidade econômica de uma troca do petróleo pela madeira,” reforçou o professor Bert Sels, coordenador da equipe.

     

    Com um manejo florestal adequado, a madeira pode ser extraída de forma sustentável. “Além disso, como resultado do encolhimento da indústria de papel, atualmente existe um excedente de madeira na Europa,” acrescentou Sels.

     

    Também o custo ambiental do uso de madeira seria menor do que o uso de petróleo na indústria química, uma vez que os compostos feitos de madeira geram menos emissões de CO2. Além disso, produtos feitos com derivados de madeira podem armazenar CO2, assim como as árvores. “Como resultado, seria possível armazenar carbono do CO2 em plásticos – de preferência recicláveis,” disse Sels.

     

    Madeira funcionalizada promete substituir plásticos

    Substituir petróleo por madeira pode ser lucrativo econômica e ambientalmente
    Esquema do processo de uso da madeira para fabricação de compostos químicos básicos para várias indústrias.

    [Imagem: Yuhe Liao et al. – 10.1126/science.aau1567]
    Indústria química baseada na madeira

     

    Para extrair compostos químicos da madeira, a equipe construiu um biorreator no qual ela é primeiro dividida em uma pasta sólida de papel e um óleo líquido de lignina. A polpa pode ser usada para produzir biocombustíveis de segunda geração ou isolantes naturais, enquanto o óleo de lignina, assim como o petróleo, pode ser processado ainda mais para fabricar compostos químicos básicos, como fenol, propileno e componentes para criar tintas.

     

    A lignina também pode ser usada para fazer compostos alternativos para plásticos. Os compostos químicos à base de lignina são menos prejudiciais aos seres humanos, em comparação com os feitos de petróleo.

     

    “Na indústria de papel, a lignina é vista como um produto residual e geralmente é queimada. É uma pena porque, assim como o petróleo, ela pode ter muitos usos de alta qualidade se puder ser adequadamente separada da madeira e usada para extrair os blocos químicos adequados,” disse Sels.

    Para criar um cenário realista, os pesquisadores uniram forças com uma empresa de tinta belgo-japonesa porque vários compostos de lignina podem ser usados para fabricar tintas. Os cálculos indicam que uma planta química que utilize madeira como matéria-prima pode ser rentável em poucos anos.

     

    Para demonstrar ainda mais a aplicação prática de suas pesquisas, a equipe agora está ampliando o processo de produção dos seus biorreatores. A primeira fase de testes já começou, mas o objetivo é instalar uma biorrefinaria de madeira na Bélgica. Enquanto isso, os pesquisadores estão conversando com vários parceiros de negócios que podem processar a polpa de celulose e o óleo de lignina em uma variedade de produtos.

     

    Madeira gera eletricidade a partir do calor – sem queimar
    Bibliografia:

     

    Artigo: A sustainable wood biorefinery for low-carbon footprint chemicals production
    Autores: Yuhe Liao, Steven-Friso Koelewijn, Gil Van den Bossche, Joost Van Aelst, Sander Van den Bosch, Tom Renders, Kranti Navare, Thomas Nicolaï, Korneel Van Aelst, Maarten Maesen, Hironori Matsushima, Johan Thevelein, Karel Van Acker, Bert Lagrain, Danny Verboekend, Bert F. Sels
    Revista: Science
    Vol.: eaau1567
    DOI: 10.1126/science.aau1567

  • 20 de setembro, 2019

    Novas formas de carbono podem ser mais duras que diamante

    Novas formas de carbono podem ser mais duras que diamante

    Dentre as 43 estruturas de carbono superduras previstas, estas são algumas das mais promissoras. As gaiolas coloridas em azul estão estruturalmente relacionadas ao diamante, e as gaiolas coloridas em amarelo e verde estão estruturalmente relacionadas à lonsdaleíta. [Imagem: Patrick Avery et al. – 10.1038/s41524-019-0226-8]

     

    Mais duro que diamante
     

    O carbono, o elemento no qual se baseia toda a vida na Terra, parece ter mais segredos do que se imaginava.

    É certo que os cientistas têm descoberto uma série de “novas formas de carbono” nos anos recentes, mas agora foram reveladas nada menos do que 43 estruturas de carbono até então desconhecidas.

    Usando técnicas computacionais, Patrick Avery e seus colegas da Universidade de Buffalo, nos EUA, estavam procurando por materiais superduros, adequados para uso em revestimentos antirrisco, brocas de perfuração e abrasivos.

    “Os diamantes são atualmente o material mais duro disponível comercialmente, mas eles são muito caros. Nós queríamos encontrar algo mais duro do que um diamante. Se você encontrar outros materiais duros, potencialmente poderá torná-los mais baratos. Eles também podem ter propriedades úteis que os diamantes não possuem. Talvez eles interajam de maneira diferente com calor ou eletricidade, por exemplo,” disse a professora Eva Zurek, coordenadora da equipe.

     
    Carbono superduro
     

    Os 43 tipos de carbono revelados pela análise – são 43 formas novas de organização dos átomos de carbono em estruturas cristalinas – dão a pinta de serem superduros e, mais importante, de serem estáveis em condições ambiente.

    Uma substância é tipicamente catalogada como superdura quando apresenta um valor de dureza superior a 40 gigapascais, medido através de um experimento chamado teste de dureza Vickers.

    As previsões são de que todas as 43 novas estruturas de carbono atinjam esse limite. Estima-se que três excedam ligeiramente a dureza Vickers dos diamantes, embora isso tenha que ser confirmado nos experimentos porque os cálculos têm uma margem de erro.

    As três estruturas mais duras que o diamante contêm fragmentos de diamante e de lonsdaleíta, também chamada de diamante hexagonal, em suas estruturas cristalinas.

    Com a estrutura cristalina prevista, os cientistas dos materiais poderão agora se dedicar a sintetizar cada uma delas, para confirmar suas propriedades.

     
    Bibliografia:

    Artigo: Predicting superhard materials via a machine learning informed evolutionary structure search
    Autores: Patrick Avery, Xiaoyu Wang, Corey Oses, Eric Gossett, Davide M. Proserpio, Cormac Toher, Stefano Curtarolo, Eva Zurek
    Revista: Npj Computational Materials
    Vol.: 5, Article number: 89
    DOI: 10.1038/s41524-019-0226-8

  • 29 de julho, 2019

    Criados primeiros ímãs líquidos permanentes

    Criados ímãs líquidos permanentes

    Demonstração das gotículas de ímã líquido sendo controladas por um campo magnético externo.  [Imagem: Xubo Liu et al. – 10.1126/science.aaw8719]

     
    Magnetos líquidos
     

    Os ímãs convencionais são duros e rígidos, mas isso não impediu que eles dessem enormes contribuições à sociedade e à indústria moderna – seria até sem sentido tentar fazer uma lista de exemplos de suas aplicações.

    Imagine então se os ímãs pudessem ser macios, fluidos como líquidos e maleáveis, permitindo que se adequem a um espaço limitado?

    Não precisa imaginar muito, porque Xubo Liu, da Universidade de Tecnologia Química de Pequim, juntamente com colegas dos EUA, acabam de “liquefazer” os ímãs.

    Liu desenvolveu um novo tipo de ímã extremamente maleável, que gruda como seu equivalente sólido, mas flui como um líquido, incluindo formar gotas e se dispersar em soluções. Além disso, é possível controlar externamente as propriedades e configurações desses novos materiais ferromagnéticos líquidos.

    A equipe já conseguiu imaginar uma série de aplicações para os magnetos líquidos, como células artificiais para terapias específicas para o câncer, robôs flexíveis que podem mudar de forma para se adaptar ao ambiente, equipamentos acionados magneticamente à distância, recipientes de líquido para fornecer matéria ativa e tecnologias da informação com padrões de gotículas de líquido programáveis.

     
    Tipos de ímãs
     

    Em geral, existem dois tipos de materiais magnéticos. Ímãs ferromagnéticos, como aqueles na porta da geladeira, são permanentemente magnéticos. Outros são paramagnéticos, tornando-se magnéticos na presença de campos magnéticos externos, mas incapazes de reter sua capacidade magnética.

    O paradigma teórico da área estabelece que as interações atômicas que permitem a magnetização exigem que os átomos estejam muito próximos uns dos outros, razão pela qual a maioria dos materiais magnéticos é feita de materiais duros, densos e sólidos – e com uma forma fixa.

    Embora os ferrofluidos, suspensões de nanopartículas magnéticas em fluidos transportadores, exibam uma combinação única de propriedades líquidas e paramagnéticas, sua incapacidade de reter a magnetização limita sua aplicação geral.

    Criados ímãs líquidos permanentes

    O campo magnético externo magnetiza as gotículas de forma permanente – ou controla as que já foram magnetizadas. 
    [Imagem: Xubo Liu et al. – 10.1126/science.aaw8719]

     
    Ímã líquido
     

    Xubo Liu e seus colegas usaram justamente esses ferro fluidos para desenvolver uma nova abordagem que permitiu criar ímãs reconfiguráveis que retêm sua magnetização. Ao adicionar um surfactante às gotas de ferro fluido que se formam em solução aquosa, eles transformaram o líquido paramagnético em um líquido com propriedades ferromagnéticas.

    As interações de “puxa e empurra” entre as gotículas – até mesmo sua magnetização ferromagnética – podem ser facilmente manipuladas, permitindo mudanças controladas na forma, na rotação e no estado magnético das gotículas líquidas. Em resumo, eles mudaram o paradigma vigente de que ímãs permanentes só podem ser feitos de materiais duros.

    Através de medições de magnetometria, a equipe confirmou que, quando dirigiam um campo magnético para uma de suas gotículas, todos os pólos norte-sul das estimadas 70 bilhões de nanopartículas de óxido de ferro flutuando na gotícula, e até das estimadas 1 bilhão de nanopartículas na superfície da gota, respondem em uníssono, como um ímã sólido.

    Agora é esperar pelo desenvolvimento das aplicações tecnológicas dos ímãs líquidos.

     

    Bibliografia:

    Artigo: Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets
    Autores: Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang, Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi, Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell
    Revista: Science
    Vol.: 365 Issue 6450
    DOI: 10.1126/science.aaw8719

  • 26 de junho, 2019

    Metamaterial revoluciona ressonância magnética e imagens médicas

    Metamaterial para exames
     

     Os metamateriais, que começaram como uma curiosidade matemática e logo se revelaram ainda mais curiosos, ao viabilizar a criação de mantos de invisibilidade, já estão prontos para melhorar os exames médicos.

     Uma equipe da Universidade de Boston, nos EUA, criou um metamaterial magnético na forma de um pequeno cilindro que mostrou-se capaz de amplificar fortemente os sinais das máquinas de ressonância magnética.

     O resultado é um exame muito mais nítido, feito na metade do tempo dos exames atuais e ainda permitindo usar um campo magnético muito mais baixo, eventualmente abrindo caminho para a fabricação de equipamentos de mais baixo custo e com menor custo operacional.

     
    Metamaterial magnético
     

     O metamaterial magnético é constituído por uma série de unidades chamadas ressonadores helicoidais, estruturas de três centímetros de altura criadas a partir de plástico impresso em 3D e bobinas de cobre.

     Os pequenos dispositivos por si só não impressionam. Contudo, quando colocados em conjunto, os ressonadores helicoidais formam uma matriz flexível, maleável o suficiente para cobrir a rótula, o abdome, a cabeça ou qualquer parte do corpo que precise de imagens.

     Quando a matriz é colocada perto do corpo, os ressonadores interagem com o campo magnético da máquina, aumentando a relação sinal-ruído da ressonância magnética, “aumentando o volume da imagem”, como dizem os pesquisadores.

     ”Muitas pessoas ficaram surpresas com sua simplicidade. Não é um material mágico. A parte ‘mágica’ é o projeto e a ideia,” disse o pesquisador Guangwu Zhang.

    Metamaterial revoluciona ressonância magnética e imagens médicas

    Comparação dos exames de ressonância magnética de 1,5 T com e sem o metamaterial magnético. [Imagem: Duan et al. – 10.1038/s42005-019-0135-7]


    Ressonância magnética de próxima geração
     

     Para testar o conjunto magnético, a equipe examinou pernas de frango, tomates e uvas usando uma máquina de 1,5 Tesla. O metamaterial magnético produziu um aumento de 4,2 vezes na relação sinal-ruído, uma melhoria radical, o que significa que campos magnéticos mais baixos poderiam ser usados para tirar imagens mais nítidas do que é possível atualmente.

     Agora os pesquisadores esperam fazer parcerias com a indústria para que seu metamaterial magnético possa ser adaptado para aplicações clínicas do mundo real.

     

    Bibliografia:
     
    Boosting magnetic resonance imaging signal-to-noise ratio using magnetic metamaterials
    Guangwu Duan, Xiaoguang Zhao, Stephan William Anderson, Xin Zhang
    Communications Physics
    Vol.: 2, Article number: 35
    DOI: 10.1038/s42005-019-0135-7