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  • 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
  • 03 de junho, 2019

    Criada liga metálica mais resistente do mundo

    Liga metálica mais resistente ao desgaste do mundo

    Os pesquisadores usaram simulações em computador para calcular a melhor receita para a liga metálica mais resistente do mundo, antes de fabricá-la em um equipamento de última geração.[Imagem: Randy Montoya/Sandia]

     
    Resistência ao desgaste
     

     Engenheiros do Laboratório Nacional Sandia, nos EUA, fabricaram uma liga metálica que eles acreditam ser o metal mais resistente ao desgaste do mundo – e isto apesar de ser feita de dois metais considerados “macios”.

     A liga é 100 vezes mais durável do que o aço de alta resistência, tornando-se a primeira liga metálica – ou combinação de metais – na mesma classe do diamante e da safira, os materiais mais resistentes ao desgaste da natureza.

     John Curry, criador da liga, fez um cálculo interessante para demonstrar essa resistência ao desgaste. Segundo ele, se você tiver o azar de ter um carro com pneus de metal, a nova liga é a opção: Você poderia derrapar – não rodar, derrapar – ao redor do equador da Terra 500 vezes antes de desgastar o pneu.

     Isto se você achar que vale a pena pagar por isso: a nova liga é feita de platina e ouro.

     Mas não se preocupe com o preço porque a liga superresistente já tem uso garantido e um mercado gigantesco: o de contatos metálicos em equipamentos eletrônicos, hoje tipicamente revestidos com ouro. Ocorre que esses revestimentos são caros e, eventualmente, também se desgastam, conforme as conexões são pressionadas ou deslizam umas sobre as outras dia após dia, ano após ano, às vezes milhões, até bilhões de vezes.

     Segundo Curry, um contato feito com a nova liga – ou o hipotético pneu metálico – precisa ser arrastado no asfalto por 1.600 metros para perder apenas uma única camada de átomos.

     
    Uma nova teoria para uma liga melhor
     

     Você pode estar se perguntando como os metalurgistas não se depararam com essa possibilidade depois de milhares de anos fazendo ligas metálicas?

     De fato, a combinação de 90% de platina com 10% de ouro não é nada nova – mas a engenharia de preparação dos dois metais é.

     Os livros-texto de metalurgia dizem que a capacidade de um metal para resistir ao atrito é baseada em sua dureza. Curry propôs uma nova teoria que diz que o desgaste está relacionado ao modo como os metais reagem ao calor, não à sua dureza. Ele então selecionou os metais, calculou as proporções e desenvolveu um processo de fabricação para testar sua teoria.

     Deu muito certo.

     ”Muitas ligas tradicionais foram desenvolvidas para aumentar a resistência de um material reduzindo o tamanho dos grânulos,” explicou Curry. “Mesmo assim, na presença de tensões e temperaturas extremas, muitas ligas ficam grosseiras ou amolecem, especialmente sob fadiga. Vimos que, com a nossa liga de platina-ouro, a estabilidade mecânica e térmica é excelente, e não vimos muita mudança na microestrutura durante períodos imensamente longos de estresse cíclico durante o deslizamento.”

     A nova liga se parece com a platina comum, branco-prateada, e um pouco mais pesada do que ouro puro. Curiosamente, ela não é muito mais dura do que outras ligas de platina e ouro, mas resiste muito melhor ao calor e é 100 vezes mais resistente ao desgaste.

     

    Bibliografia:
     
    Achieving Ultralow Wear with Stable Nanocrystalline Metals
    John F. Curry, Tomas F. Babuska, Timothy A. Furnish, Ping Lu, David P. Adams, Andrew B. Kustas, Brendan L. Nation, Michael T. Dugger, Michael Chandross, Blythe G. Clark, Brad L. Boyce, Christopher A. Schuh, Nicolas Argibay
    Advanced Materials
    Vol.: 30 (32): 1802026
    DOI: 10.1002/adma.201802026
  • 02 de maio, 2019

    Madrepérola artificial é ideal para construir casas na Lua

    Madrepérola artificial é ideal para construir casas na Lua

    Cada camada de madrepérola artificial tem cinco micrômetros de espessura. [Imagem: J. Adam Fenster/Rochester]

    Conchas na Lua

     Os primeiros astronautas a explorar a Lua de forma mais duradoura talvez não precisem morar em conchas, mas o material produzido por moluscos seria a opção ideal para construir as primeiras vilas lunares e marcianas.

     É o que propõe uma equipe internacional trabalhando em conjunto na Universidade de Rochester, nos EUA.

     A madrepérola, ou nácar, é um material duro e excepcionalmente resistente, produzido por alguns moluscos e que serve como a camada de revestimento interno das suas conchas – a camada externa das pérolas, com seu brilho intenso, também consiste de madrepérola.

     O problema é que fabricar madrepérola artificialmente, em grandes quantidades, é ainda um desafio a vencer.

     Ewa Spiesz e seus colegas encontraram um caminho para vencer esse desafio: Já que estavam se inspirando na natureza para fabricar um material ultraforte, ficaram na natureza mesmo, e encontraram bactérias que podem fazer o trabalho sozinhas usando apenas materiais biológicos.

     
    Madrepérola artificial

     A madrepérola artificial criada pela equipe consiste em uma sobreposição de camadas finas alternadas de carbonato de cálcio cristalizado e um polímero grudendo.

     Para fabricar o cimento de cálcio, Spiesz colocou uma base de vidro ou plástico em um recipiente contendo uma fonte de cálcio, a bactéria Sporosarcina pasteuriie ureia, uma mistura que induziu a cristalização do carbonato de cálcio. Para fazer a camada de polímero, ela pegou a base com a primeira camada e a colocou em uma solução com a bactéria Bacillus licheniformis.

     A seguir, é só ir repetindo o procedimento. Nesta versão de laboratório, leva cerca de um dia para criar um revestimento sobre vidro ou plástico, que se mostrou extremamente resistente. A equipe agora está testando o processo com metal e também tentando eliminar a necessidade do substrato.

     ”Estamos testando novas técnicas para fazer materiais mais espessos e nácares de forma mais rápida e que possam ser o próprio material inteiro [sem depender de substratos],” disse a professora Anne Meyer.

    Madrepérola artificial é ideal para construir casas na Lua

    Vista ao microscópio, a madrepérola artificial tem uma incrível semelhança com o material produzido pelos moluscos. [Imagem: Spiesz et al. – 10.1002/smll.201805312]


    Casas na Lua

     O material biomimético e biologicamente produzido tem a dureza do nácar natural, ao mesmo tempo em que é resistente e, surpreendentemente, dobrável, abrindo caminho para uma ampla gama de utilizações.

     Uma das características mais benéficas da madrepérola artificial é que ela é biocompatível – feita de materiais que o corpo humano produz ou que os humanos podem comer – o que a torna adequada para aplicações médicas, como ossos e implantes artificiais.

     E, mais resistente e rígida do que a maioria dos plásticos, ela é muito leve, uma qualidade especialmente valiosa para uso em veículos de transporte como aviões, barcos ou foguetes. O revestimento de nácar também protege contra a degradação química e o intemperismo, o que o torna adequado para aplicações de engenharia civil.

     A madrepérola também pode ser um material ideal para construir casas na Lua e outros planetas: os únicos ingredientes necessários seriam um astronauta e um pequeno tubo de ensaio contendo as bactérias. “A Lua tem uma grande quantidade de cálcio no regolito, então o cálcio já está lá. O astronauta traz as bactérias e ele próprio produz a ureia [na urina], que é a única outra coisa que você precisa para começar a fazer camadas de carbonato de cálcio,” disse Meyer.

     

    Bibliografia:Bacterially Produced, Nacre?Inspired Composite Materials
    Ewa M. Spiesz, Dominik T. Schmieden, Antonio M. Grande, Kuang Liang, Jakob Schwiedrzik, Filipe Natalio, Johann Michler, Santiago J. Garcia, Marie-Eve Aubin-Tam, Anne S. Meyer
    Small
    DOI: 10.1002/smll.201805312

  • 15 de abril, 2019

    Plástico conduz calor no claro e retém o calor no escuro

    Sob condições ambientais ou luz visível (lado esquerdo), o polímero é cristalino e tem uma alta condutividade térmica. Uma vez exposto à luz ultravioleta (UV) (lado direito), elo se transforma em um líquido de baixa condutividade térmica – a fase cristalina aparece brilhante e a fase líquida aparece escura.[Imagem: University of Illinois Materials Research Lab]


    Controle do calor com luz

    Os plásticos capazes de conduzir calor são uma classe recente de novos materiais usados em aparelhos eletrônicos e que prometem carros mais leves.

    O mais novo membro dessa família é um plástico que tem sua condutividade termal controlada pela luz: A luz pode funcionar como um interruptor óptico, ligando e desligando a capacidade do plástico de conduzir o calor.

    Isso significa que esse polímero permitirá rotear o calor sob demanda, levando-o para onde ele é necessário ou retirando-o de onde ele é prejudicial.

    “Até onde sabemos, esta é a primeira observação de uma transição cristal-líquido reversível acionada por luz em qualquer material polimérico. A descoberta particularmente notável neste estudo é a mudança rápida e reversível de três vezes na condutividade térmica associada à transição de fase,” disse Jungwoo Shin, da Universidade de Illinois, nos EUA.

    Essa possibilidade de controle óptico das propriedades termofísicas do polímero deve-se ao efeito fotorresponsivo da molécula de azobenzeno, que pode ser opticamente energizada por luz visível ou por luz ultravioleta.

    “Sintetizamos um polímero complexo funcionalizado com grupos azobenzeno responsivos à luz. Iluminando-o com luz UV e visível, podemos mudar a forma do grupo azobenzeno, modulando a força de ligação entre as cadeias e produzindo uma transição reversível entre cristal e líquido,” disse Jaeuk Sung, membro da equipe.

    O próximo passo será estudar a resiliência do polímero sob diversas condições de operação, para definir qual serão suas possíveis utilizações.
     
    Bibliografia:

    Light-triggered thermal conductivity switching in azobenzene polymers
    Jungwoo Shin, Jaeuk Sung, Minjee Kang, Xu Xie, Byeongdu Lee, Kyung Min Lee, Timothy J. White, Cecilia Leal, Nancy R. Sottos, Paul V. Braun, David G. Cahill
    Proceedings of the National Academy of Sciences
    DOI: 10.1073/pnas.1817082116

  • 11 de março, 2019

    Metassuperfície quebra lei da reflexão e dirige ondas à vontade

    Átomos artificiais para criar materiais artificiais

     Pesquisadores da Universidade de Aalto, na Finlândia, desenvolveram metassuperfícies que manipulam ondas sonoras de forma controlada, essencialmente quebrando a lei clássica da reflexão, fazendo as ondas se refletirem da maneira que se desejar.

     Metassuperfícies são estruturas artificiais, compostas de arranjos periódicos de meta-átomos em várias escalas, tipicamente menores do que a onda que se deseja manipular. Os meta-átomos, que funcionam como antenas ao interagir com as ondas sonoras ou eletromagnéticas, são feitos de materiais comuns. Contudo, quando dispostos de maneira periódica, a superfície que esses meta-átomos formam apresenta efeitos incomuns que não podem ser obtidos com os materiais naturais.

    Quebrando a Lei da Reflexão

     Quando uma onda incide sobre uma superfície refletora com um determinado ângulo e sua energia é refletida de volta, o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. Esta lei de reflexão clássica é válida para qualquer superfície homogênea.

     A nova metassuperfície muda isto, permitindo a manipulação arbitrária das ondas refletidas, essencialmente quebrando a lei da reflexão – o ângulo de reflexão será determinado pelo posicionamento dos meta-átomos.

     ”As soluções existentes para controlar a reflexão das ondas têm baixa eficiência ou são de difícil implementação,” explicou a pesquisadora Ana Díaz-Rubio. “Nós resolvemos ambos os problemas. Não apenas descobrimos uma maneira de projetar metassuperfícies altamente eficientes, como também podemos adaptar o design para diferentes funcionalidades. Essas metassuperfícies são uma plataforma versátil para o controle arbitrário da reflexão.”

     

    Metassuperfície quebra lei da reflexão e dirige ondas à vontade

    Representação do efeito obtido com a metassuperfície projetada para ondas sonoras – ela pode funcionar com qualquer tipo de onda. [Imagem: Aalto University]

    Aplicações das metassuperfícies

     Neste experimento, Ana e seus colegas trabalharam com ondas sonoras, mas o princípio pode ser aplicado a campos eletromagnéticos e até ondas do mar, criando metafluidos ou equipamentos para concentrar as ondas do mar para gerar mais energia, por exemplo.

     Para ver o quanto essas superfícies artificiais são interessantes, basta lembrar que essas estruturas artificiais – versões bidimensionais dos mais conhecidos metamateriais – estão sendo usadas para substituir a eletricidade por luz dentro dos processadores, revolucionar instrumentos científicos e construir um olho eletrônico, apenas para citar alguns exemplos.

     Esta mesma equipe apresentou recentemente um espelho cujo reflexo depende do ângulo que você olha.

     

    Bibliografia:

    Power flow-conformal metamirrors for engineering wave reflections

     Ana Díaz-Rubio, Junfei Li, Chen Shen, Steven A. Cummer, Sergei A. Tretyakov

     Science Advances

     Vol.: 5, no. 2, eaau7288

     DOI: 10.1126/sciadv.aau7288

  • 25 de fevereiro, 2019

    Super-Aerogel é um dos melhores isolantes térmicos já fabricados

    Super-Aerogel é um dos melhores isolantes térmicos já construídos

    Este é o melhor aerogel – também conhecido como “fumaça sólida” (esquerda) – já construído em termos de leveza, resistência e isolamento térmico (gráfico à direita). [Imagem: Xiang Xu et al. – 10.1126/science.aav7304]

    Aerogel de cerâmica

     Um novo material quase sem peso, composto principalmente de ar, mostrou-se capaz de suportar e proteger contra algumas das temperaturas mais extremas experimentadas em ambientes industriais e aeroespaciais.

     Ele suportou ser aquecido a 900° C e depois rapidamente resfriado a -198° C em vários ciclos, virtualmente sem degradação, afirmam Xiang Xu e seus colegas da Universidade da Califórnia em Los Angeles.

     Este novo aerogel de cerâmica alcançou esse desempenho ao ser fabricado com propriedades exóticas, como um “duplo índice negativo” – aerogéis são materiais compostos principalmente de ar contido dentro de uma rede porosa de um meio sólido, como cerâmica, metal ou carbono.

    • Aerogel flexível: “fumaça sólida” suporta peso de um carro

    Leve, forte e isolante térmico

     Há grande expectativa em usar os aerogéis em aplicações extremas, como os protetores térmicos dos veículos espaciais durante a entrada em uma atmosfera ou o nariz de veículos hipersônicos.

     Para isso, eles devem ser ultraleves, mecanicamente resistentes e excelentes isolantes térmicos – o que, diga-se de passagem, é uma combinação difícil de obter.

     Por exemplo, os aerogéis de materiais cerâmicos típicos, como sílica, alumina e carbureto de silício, são quebradiços e frágeis, especialmente em altas temperaturas ou sob um choque térmico abrupto. Estratégias para lidar com a fragilidade desses aerogéis cerâmicos frequentemente têm resultado na degradação de outras propriedades, como uma perda na capacidade de isolamento térmico.

     Xu e seus colegas lidaram com essas deficiências usando folhas atomicamente finas de nitreto de boro hexagonal (h-BN). Ao projetar cuidadosamente a microestrutura do aerogel cerâmico – uma arquitetura 3D feita a partir de um material 2D -, eles conseguiram obter tanto um coeficiente negativo de Poisson (uma medida da tendência de um material de se projetar para fora quando comprimido) quanto um coeficiente de expansão térmica negativo.

    • Aerogel de diamante: fumaça mais cara ou diamante mais leve do mundo?
    Super-Aerogel é um dos melhores isolantes térmicos já construídos

    O aerogel protegeu a flor do calor da chama por vários minutos. [Imagem: Xiang Xu et al. – 10.1126/science.aav7304]


    Estresse termal

     Para avaliar as capacidades mecânicas e térmicas do material, os pesquisadores realizaram uma série de testes, incluindo o aquecimento do aerogel a 900° C e, em seguida, rapidamente resfriando-o a -198° C, repetidamente e a uma taxa de 275° C por segundo. O material suportou incólume.

     A equipe também avaliou o efeito do estresse de temperatura a longo prazo, expondo o material a temperaturas próximas de 1.500° C no vácuo. De acordo com os resultados, o aerogel permaneceu praticamente inalterado, com perda de menos de 1% de sua resistência após todos os testes.

     Finalmente, o material pode ser comprimido a apenas 5% de seu volume e retornar totalmente às dimensões originais.

    • Identificado material com ponto de fusão recorde
     
    Bibliografia:
     

    Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation
    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
    Science
    Vol.: 363 Issue 6428 723-727
    DOI: 10.1126/science.aav7304

    Hyperbolic 3D architectures with 2D ceramics
    Manish Chhowalla, Deep Jariwala
    Science
    Vol.: 363 Issue 6428 694-695
    DOI: 10.1126/science.aaw5670

  • 18 de fevereiro, 2019

    Fibras de carbono 2.0 também armazenam energia

    Fibras de carbono 2.0 também armazenam energia

    O avanço do novo método – PAN-b-PMMA – foi criar nanoporos nas fibras de carbono que podem ser usados funcionalmente, sem que a fibra perca resistência. [Imagem: Zhengping Zhou et al. – 10.1126/sciadv.aau6852]

     

    Bateria estrutural
     

     As tão afamadas fibras de carbono, virtualmente sinônimas de “alta tecnologia” no campo dos materiais mais avançados, ficaram ainda melhores.

     

     Além de mecânica e quimicamente ultrarresistentes, eletricamente condutoras, retardantes de fogo e muito leves, agora as fibras de carbono poderão armazenar eletricidade em sua própria estrutura.

     

     A ideia de armazenar eletricidade na lataria dos carros não é nova, e tem tido avanços importantes nos últimos anos. Contudo, se a energia puder ser incorporada na própria fibra estrutural, o resultado pode ser melhor do que tudo o que já foi obtido até agora.

     

     Para isso, Zhengping Zhou e seus colegas da Universidade de Tecnologia da Virgínia, nos EUA, desenvolveram uma técnica para fabricar fibras de carbono não apenas porosas, mas com poros com dimensões e espaçamentos controlados.

     

     Esses microfuros, que transformam as fibras de carbono em uma espécie de esponja, podem então ser usados para armazenar íons, transformando a peça fabricada com o material em uma bateria estrutural.

     

    Fibras de carbono 2.0 também armazenam energia

    Comparação da técnica atual (em cima), da tentativa de usar os dois polímeros (centro) e da nova técnica criada agora (embaixo). [Imagem: Zhengping Zhou et al. – 10.1126/sciadv.aau6852]
     


    Fibras de carbono porosas
     

     Zhou desenvolveu um processo químico de várias etapas usando dois polímeros – cadeias de moléculas longas e repetidas – chamados poliacrilonitrila (PAN) e poli(acrilonitrila-bloco-metacrilato de metila) (PMMA).

     

     O PAN é bem conhecido no campo da química de polímeros como um composto precursor das fibras de carbono, e o PMMA atua como um material que funciona como suporte e depois é removido para criar poros.

     

     O truque foi usar os dois materiais, não separados, como muitas outras equipes já haviam tentado, mas juntos, criando o que se conhece como um copolímero de bloco, com o PAN e o PMMA interconectados por ligações covalentes.

     

     Melhorar um material de engenharia já de alto desempenho já seria muito bom, mas talvez o maior avanço deste trabalho seja a capacidade de usar copolímeros de bloco para criar estruturas porosas uniformes para o armazenamento de energia.

     

     ”Isso amplia o modo como pensamos sobre projetar materiais para armazenamento de energia. Agora também podemos começar a pensar em funcionalidade. Não usamos [as fibras de carbono] apenas como material estrutural, mas também como um material funcional,” disse o professor Guoliang Liu.

     

     E, se funcionou com fibras de carbono, pode funcionar também com outros materiais mais baratos.

     

     Redação do Site Inovação Tecnológica –  14/02/2019
     

    Bibliografia:

    Block copolymer-based porous carbon fibers
    Zhengping Zhou, Tianyu Liu, Assad U Khan, Guoliang Liu
    Science Advances
    Vol.: eaau6852
    DOI: 10.1126/sciadv.aau6852

  • 11 de fevereiro, 2019

    Rectena transforma sinais de Wi-Fi em eletricidade

    Rectena transforma sinais de Wi-Fi em eletricidade

    Esquema da rectena, um híbrido de antena e retificador, que converte os sinais AC do Wi-Fi em sinais DC para os aparelhos eletrônicos. [Imagem: Xianjing Zhou/MIT]

     
    Rectena
     

     Alimentar aparelhos com eletricidade transmitida à distância já é uma realidade, como nas etiquetas RFID usadas pelas lojas de departamento e nos primeiros sensores da internet das coisas.

     Mas Xu Zhang e seus colegas do MIT estão interessados em ampliar essa tecnologia para que ela possa alimentar aparelhos maiores, como implantes médicos e monitores de saúde, sensores, relógios eletrônicos e futuros telefones celulares de baixo consumo.

     Para isso eles focaram na “colheita de energia” das ondas Wi-Fi, que estão por toda parte.

     Em lugar das antenas usadas pelos aparelhos que usam as redes Wi-Fi da maneira trivial, Zhang construiu uma “rectena“, um componente que é uma mistura de retificador (rectifier) e antena, o que o torna capaz de converter as ondas eletromagnéticas de corrente alternada que vêm pelo ar em corrente contínua, o tipo de eletricidade usada pelos aparelhos eletrônicos.

     
    Molibdenita
     

     A parte da rectena que captura as ondas eletromagnéticas é conectada a uma pastilha de um material semicondutor bidimensional, a molibdenita (MoS2), que vem desbancando o silício e o grafeno na eletrônica. É essa camada monoatômica que faz a conversão de corrente alternada em corrente contínua, que fica então disponível para o aparelho que se deseja alimentar.

     A grande vantagem – em relação às rectenas tradicionais, tipicamente feitas de silício ou arseneto de gálio – é que um material monoatômico permite fabricar coletores de energia flexíveis, lembrando que uma das promessas da colheita de energia é revestir casas, prédios e outras construções com painéis que possam coletar a energia disponível no ambiente.

     O protótipo produziu cerca de 40 microwatts de energia quando exposto aos níveis típicos de energia dos sinais Wi-Fi (cerca de 150 microwatts). Isso seria suficiente para alimentar um mostrador LCD simples ou um chip de silício.

    Rectena transforma sinais de Wi-Fi em eletricidade

    Fotos dos protótipos de rectena flexível feitos com molibdenita. [Imagem: Xu Zhang et al. – 10.1038/s41586-019-0892-1]


     
    Capacitância parasitária
     

     ”Ao usar a MoS2 em uma junção de fase semimetálica semicondutora, construímos um diodo Schottky atomicamente fino e ultrarrápido que minimiza simultaneamente a resistência em série e a capacitância parasitária,” disse Zhang.

     A capacitância parasitária é uma situação virtualmente inevitável na eletrônica, quando os materiais armazenam um pouco de carga elétrica, o que deixa o circuito mais lento. Uma capacitância mais baixa, portanto, significa maiores velocidades do retificador e frequências operacionais mais altas. A capacitância parasitária do diodo Schottky de molibdenita é uma ordem de grandeza menor do que os atuais retificadores flexíveis de última geração, por isso ele é mais rápido na conversão dos sinais e permite capturar e converter até 10 gigahertz de sinais de rádio.

     A eficiência máxima de saída do protótipo é de 40%, dependendo da potência de entrada do sinal Wi-Fi. No nível de energia Wi-Fi típico, a eficiência do retificador de MoS2 é de cerca de 30% – para comparação, as melhores rectenas de silício e arseneto de gálio já fabricadas atingem cerca de 50 a 60% de eficiência, lembrando que elas são rígidas.

     
    Fonte: Redação do Site Inovação Tecnológica –  29/01/2019

    Bibliografia:

    Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting
    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, Tomás Palacios
    Nature
    DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1