Girassóis artificiais podem substituir células solares

Com informações da New Scientist

Este é o primeiro material artificial a apresentar fototropismo.
[Imagem: Xiaoshi Qian et al. - 10.1038/s41565-019-0562-3]

Fototropismo artificial

Painéis solares poderão trocar as tradicionais células solares por fileiras de pequenos girassóis artificiais, que se inclinam automaticamente em direção à luz.

Como eles se movimentam autonomamente, a equipe da Universidade da Califórnia de Los Angeles batizou seu girassol artificial de SunBOT, uma contração de sol e robô.

Cada SunBOT consiste em um "caule" feito de um material que reage à luz, que se movimenta por fototropismo, e uma "flor" de captação de energia na parte superior, feita a partir de um material absorvedor de luz comumente usado em células solares.

Cada SunBOT tem menos de 1 milímetro de largura.

Quando o caule é exposto à luz, a parte que é iluminada aquece e encolhe, fazendo o SunBOT se dobrar e apontar a flor artificial em direção à luz. A haste pára de dobrar quando o SunBOT está alinhado com a luz porque a curvatura cria uma sombra que permite que o material esfrie e pare de encolher.

Outras equipes já haviam criado substâncias artificiais que acompanham a luz, mas essas substâncias tipicamente se movem e param. Já os SunBOTs se autorregulam, movendo-se continuamente para a posição ideal para absorver a luz solar. Isto permitiu à equipe afirmar que seus caules de girassol artificiais são os primeiros materiais artificiais a apresentar fototropismo.

A equipe fabricou painéis solares com e sem o material flexível, o que revelou que os SunBOTs foram capazes de captar até 400% mais energia solar do que as "flores" sem cabo.

Bibliografia:

Artigo: Artificial phototropism for omnidirectional tracking and harvesting of light
Autores: Xiaoshi Qian, Yusen Zhao, Yousif Alsaid, Xu Wang, Mutian Hua, Tiphaine Galy, Hamsini Gopalakrishna, Yunyun Yang, Jinsong Cui, Ning Liu, Michal Marszewski, Laurent Pilon, Hanqing Jiang, Ximin He
Revista: Nature Nanotechnology
Vol.: 14, pages 1048-1055
DOI: 10.1038/s41565-019-0562-3

Vasos sanguíneos impressos em 3D integram-se em cobaias vivas

Redação do Site Inovação Tecnológica

Os vasos sanguíneos impressos integraram-se ao tecido vivo das cobaias.
[Imagem: Gao et al. - 10.1063/1.5099306]

Vasos sanguíneos impressos em 3D

Desde os primeiros passos da fabricação aditiva, os pesquisadores se deram conta do potencial da impressão 3D para fabricar tecidos biomiméticos, incluindo vasos sanguíneos.

Agora os resultados já são muito melhores, com uma bioimpressora 3D conseguindo fabricar um vaso sanguíneo totalmente funcional e capaz de se integrar a um tecido vivo.

As biotintas usadas na impressão foram formuladas a partir de células musculares lisas de uma aorta humana e células endoteliais de uma veia umbilical.

Isso permitiu criar uma arquitetura de camada dupla que superou qualquer tecido biomimético projetado até agora, aproximando os vasos sanguíneos impressos em 3D de várias etapas fundamentais para seu uso clínico.

Os vasos sanguíneos fabricados artificialmente foram enxertados como aortas abdominais em seis ratos. Nas semanas seguintes, os cientistas observaram uma transformação na qual os fibroblastos dos animais formaram uma camada de tecido conjuntivo na superfície do implante, integrando o vaso enxertado como parte do tecido vivo existente.

"O vaso sanguíneo artificial é uma ferramenta essencial para salvar pacientes que sofrem de doenças cardiovasculares. Existem produtos em uso clínico feitos de polímeros, mas eles não têm células vivas e funções vasculares. Queríamos sintetizar um enxerto de vasos sanguíneos vivo e funcional," disse Ge Gao, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul.

A equipe planeja continuar desenvolvendo o processo para aumentar a força dos vasos sanguíneos, para deixá-los a par com a resistência das artérias coronárias humanas. Eles também planejam realizar uma avaliação a longo prazo dos enxertos vasculares, observando o que acontece à medida que as veias artificiais continuam se desenvolvendo no local e se transformando em tecido real no ambiente implantado.

Bibliografia:

Artigo: Tissue-engineering of vascular grafts containing endothelium and smooth-muscle using triple-coaxial cell printing
Autores: Ge Gao, Hyeok Kim, Byoung Soo Kim, Jeong Sik Kong, Jae Yeon Lee, Bong Woo Park, Suhun Chae, Jisoo Kim, Kiwon Ban, Jinah Jang, Hun-Jun Park, Dong-Woo Cho
Revista: Applied Physics Reviews
Vol.: 6, 041402
DOI: 10.1063/1.5099306

Mudanças climáticas colocam pontes de aço em sério risco

Com informações da New Scientist

Novas tecnologias podem permitir consertar pontes e viadutos em dias, em vez de meses e anos, mas talvez seja mais prudente construir pontes que imitam a natureza, o que pode torná-las virtualmente indestrutíveis.
[Imagem: Palu/Mahmoud (2019)]

Pontes em risco

No ano passado, uma grande parte de uma ponte construída na Itália nos nos 1960 veio abaixo, matando 40 pessoas.

Acontece que, conforme as pontes envelhecem no mundo todo, casos como esse só farão aumentar, alertam Susan Palu e Hussam Mahmoud, da Universidade do Estado do Colorado, nos EUA.

Com base nas causas do acidente ocorrido na Itália, a dupla decidiu modelar os efeitos do aumento da temperatura que marca as atuais mudanças climáticas e os efeitos que isso terá nas pontes com estruturas de aço. Eles analisaram todas as pontes dos EUA, mas os efeitos não devem ser muito diferentes em outros países.

Foram analisados dados sobre a condição de cerca de 90.000 pontes e, a seguir, desenvolvidos modelos para aferir como essas pontes seriam afetadas pelas temperaturas previstas para os próximos 80 anos.

Juntas de expansão

Um dos problemas mais comuns envolve as juntas de expansão. Essas juntas permitem que seções de uma ponte inchem e encolham ante as variações de temperatura sem enfraquecer a estrutura. Mas elas causam grandes problemas estruturais se apresentarem mau funcionamento.

Em particular, a dupla de engenheiros se concentrou no que aconteceria quando as juntas entupidas de sujeira e detritos fossem expostas a um calor crescente - o entupimento é um problema comum, especialmente em pontes mais velhas, mas é caro de resolver.

Esse entupimento impede que as seções expandam com segurança, sobrecarregando partes da ponte que não foram projetadas para suportar a carga resultante do problema.

Os dados mostraram que uma em cada quatro pontes (25%) corre o risco de falha de ao menos uma seção nos próximos 21 anos, estimativa que subiu para 28% em 2060 e 49% em 2080. Quase todas estão sujeitas a falhas estruturais até 2100 se as previsões de aumento da temperatura se concretizarem e nenhuma manutenção nas juntas de expansão for feita.

Mais problemas

As pontes são projetadas para permitir que a carga seja distribuída se uma parte dela falhar. No entanto, este estudo se concentrou em falhas na carga principal que carrega parte da estrutura, o que significa que a seção entraria em colapso total ou exigiria um grande trabalho para consertar.

Além dos problemas de calor, as mudanças climáticas também poderiam tornar essas pontes em deterioração ainda mais vulneráveis por causa dos ventos mais fortes, maior precipitação e os efeitos do dióxido de carbono corrosivo na atmosfera.

Bibliografia:

Artigo: Impact of climate change on the integrity of the superstructure of deteriorated U.S. bridges
Autores: Susan Palu, Hussam Mahmoud
Revista: PLoS ONE
Vol.: 14(10): e0223307
DOI: 10.1371/journal.pone.0223307

Revestimento vai esfriar edifícios e casas sem gastar energia

Redação do Site Inovação Tecnológica

Além de simples e barato, o revestimento poderá ser facilmente instalado em casas e edifícios.
[Imagem: KAUST]

Ar-condicionado que não gasta energia

A refrigeração passiva cada vez mais mostra que essa técnica, que causou estranheza e ceticismo a princípio, não veio para brincadeiras.

Um novo revestimento simples e potencialmente barato promete resfriar edifícios e casas sem gastar energia.

Também conhecida como refrigeração radiativa, a técnica envia o calor para o espaço irradiando luz infravermelha numa faixa para a qual a atmosfera terrestre é transparente.

Agora, Lyu Zhou e colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia Rei Abdullah, na Arábia Saudita, desenvolveram um emissor radiativo na forma de um filme polimérico adequado para revestir edifícios e casas, eliminando ou diminuindo muito a energia elétrica gasta em sistemas de ar-condicionado.

Já existem vários protótipos que usam o resfriamento radiativo para controlar a temperatura de edifícios, incluindo filmes fotônicos planares multicamadas, metamateriais híbridos e aerogéis. O objetivo maior agora é simplificar o projeto reduzir o custo desses sistemas de ar-condicionado que não gastam energia.

Por isso, Zhou usou uma estrutura bicamada feita de alumínio e polidimetilsiloxano (PDMS), um elastômero transparente amplamente utilizado em robótica mole.

Um princípio similar já foi usado para criar uma célula noturna, que tira eletricidade da fria escuridão da noite.
[Imagem: Aaswath Raman]

"O PDMS apresenta uma absorção muito alta na faixa da 'janela atmosférica' da Terra e baixa absorção na faixa de comprimento de onda visível solar. Essas propriedades o tornam um material ideal para o resfriamento radiativo", explicou Jianwei Liang, membro da equipe.

Revestimento para esfriar prédios

Para fabricar o filme, os pesquisadores usaram um processo de revestimento laminar para primeiro revestir a superfície de uma folha de alumínio com uma camada de PDMS, e depois uma lâmina dosadora para controlar sua espessura. A estrutura foi aquecida em um forno a cerca de 60 graus Celsius por duas horas para concluir o processo.

Como o material mostrou-se eficiente, mas fortemente afetado pelo ambiente em que era instalado, a equipe desenvolveu um abrigo especial, que direciona a radiação térmica para o céu.

Isso permitiu alcançar uma redução de temperatura diurna de 6,5 graus Celsius no ambiente externo.

"Nós estamos trabalhando agora na estrutura óptica do filme, para aprimorar seu resfriamento radiativo, bem como sua aplicação em condensação de vapor e resfriamento de água," disse Jianwei.

Bibliografia:

Artigo: A polydimethylsiloxane-coated metal structure for all-day radiative cooling
Autores: Lyu Zhou, Haomin Song, Jianwei Liang, Matthew Singer, Ming Zhou, Edgars Stegenburgs, Nan Zhang, Chen Xu, Tien Ng, Zongfu Yu, Boon Ooi, Qiaoqiang Gan
Revista: Nature Sustainability
Vol.: 2, pages 718-724
DOI: 10.1038/s41893-019-0348-5

Bateria de lítio para carros elétricos recarrega em 10 minutos

Redação do Site Inovação Tecnológica

Em apenas 10 minutos a bateria se recarrega inteiramente, podendo adicionar até 320 km de autonomia a um carro elétrico.
[Imagem: Chao-Yang Wang Group]

Enchendo a bateria

Enquanto todos tentavam baixar a temperatura das baterias de íons de lítio - para que elas não explodissem, entre outras vantagens - uma equipe da Universidade do Estado da Pensilvânia, nos EUA, descobriu que o melhor é fazer justamente o oposto.

Xiao-Guang Yang e seus colegas desenvolveram uma bateria de íons de lítio que carrega velozmente a uma temperatura elevada, mas mantém a célula fria durante o uso da energia.

Em apenas 10 minutos a bateria se recarrega inteiramente, podendo adicionar até 320 km de autonomia a um carro elétrico.

Chapeamento

Tem havido uma pressão para o desenvolvimento de baterias de veículos elétricos capazes de carregar de forma extremamente rápida - alguns falam em reduzir a recarga ao mesmo tempo necessário para encher um tanque de um carro a combustão.

No entanto, uma taxa de carregamento assim exigiria que a bateria captasse rapidamente 400 quilowatts de energia em muito pouco tempo, um feito que as baterias atuais não conseguem realizar porque correm o risco do chamado chapeamento do lítio - a deposição de lítio metálico ao redor do anodo - o que diminui drasticamente a vida útil da bateria.

Enquanto as baterias de lítio atuais são carregadas e descarregadas à mesma temperatura, os pesquisadores descobriram que podem contornar o problema do chapeamento de lítio carregando a bateria a uma temperatura mais elevada, de 60º C, por alguns minutos e depois usar sua carga nas temperaturas mais baixas tradicionais.

"Além do carregamento rápido, esse design nos permite limitar o tempo de exposição da bateria à temperatura de carga elevada, gerando uma vida útil muito longa. A chave é fazer um aquecimento rápido; caso contrário, a bateria permanecerá em temperaturas elevadas por muito tempo, causando grave degradação," explicou o professor Chao-Yang Wang.

O chapeamento de lítio (Li metal plating) reduz drasticamente a vida útil das baterias de lítio atuais se sua temperatura subir muito.
[Imagem: Albert H. Zimmerman/Michael V. Quinzio (2010)]

Bateria recarrega em 10 minutos

Para reduzir o tempo de aquecimento e aquecer toda a bateria a uma temperatura uniforme, a equipe inseriu na bateria de lítio uma estrutura de níquel com autoaquecimento automático, capaz atingir a temperatura desejada em menos de trinta segundos.

Para testar seu modelo, Yang carregou três células projetadas para veículos elétricos híbridos a 40, 49 e 60 graus Celsius, bem como um controle a 20 graus Celsius, usando várias estratégias de resfriamento para manter temperaturas de carga constantes.

As baterias preaquecidas a 60º C sustentaram o processo de carregamento extremamente rápido por 1.700 ciclos, enquanto a célula de controle só conseguiu acompanhar o ritmo por 60 ciclos.

Para confirmar que a deposição de lítio metálico não ocorreu, eles posteriormente descarregaram completamente as células e as abriram para análise. Não foi observado qualquer chapeamento de lítio nas temperaturas médias de carga entre 49 e 60 graus Celsius.

"No passado, acreditava-se universalmente que as baterias de íons de lítio deveriam evitar operar em altas temperaturas devido à preocupação de reações colaterais aceleradas," comentou Wang. "Este estudo sugere que os benefícios da mitigação do chapeamento de lítio sob temperatura elevada, com tempo de exposição limitado, superam em muito o impacto negativo associado a reações colaterais exacerbadas."

Rumo aos 5 minutos

A folha de níquel aumenta o custo de cada célula em 0,47%, mas, como o projeto elimina a necessidade dos aquecedores externos usados nos modelos atuais, na verdade o projeto reduz o custo de produção de cada bateria.

E a equipe não está satisfeita com 10 minutos para recarregar as baterias dos carros elétricos.

"Estamos trabalhando para carregar uma bateria de veículo elétrico de alta densidade em cinco minutos sem danificá-la," disse Wang. "Isso exigirá eletrólitos e materiais ativos altamente estáveis, além da estrutura de autoaquecimento que inventamos".

Bibliografia:

Artigo: Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries
Autores: Xiao-Guang Yang, Teng Liu, Yue Gao, Shanhai Ge, Yongjun Leng, Donghai Wang, Chao-Yang Wang
Revista: Joule
DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.021

Crise cosmológica: Não sabemos se o Universo é plano ou esférico

Redação do Site Inovação Tecnológica

As lentes gravitacionais também estão envolvidas em outro enigma para as teorias atuais.
[Imagem: Chris Fassnacht/UC Davis]

Teoria do Universo Plano

Se lhe parece difícil de acreditar que ainda existam pessoas que afirmam que a Terra é plana, talvez também possa lhe causar algum espanto o fato de que toda a teoria científica atual, expressa no famoso modelo do Big Bang, propõe que o Universo é plano.

Não se trata de algo filosófico, mas da matemática hoje disponível para descrever o que aconteceu logo após a grande explosão que teria dado origem ao Universo - e, convenhamos, modelar o início do Universo inteiro não é tarefa pequena, de forma que a matemática usada é extremamente simplificada.

Mas também não é só teoria: Virtualmente todos os dados cosmológicos coletados até hoje se enquadram nessa ideia de que o Universo é plano, o que significa que ele não teria curvatura, semelhante a uma folha de papel.

É claro que existem os descontentes com a "Teoria do Universo Plano" - sem contar os proponentes do Universo Holográfico.

E um trio deles acaba de apresentar dados observacionais que mostram um Universo esférico, ou fechado. Em outras palavras, assim como no modelo cosmológico padrão, aceito pela comunidade científica, se você sair com uma nave espacial em qualquer direção irá viajar para sempre, no modelo do universo fechado sua viagem sempre lhe trará de volta ao seu ponto de partida.

Dados das lentes gravitacionais

Eleonora Di Valentino e seus colegas usaram dados do telescópio espacial Planck, que operou de 2009 a 2013 mapeando o fundo cósmico de micro-ondas, um mar de luz primordial que restou do Big Bang.

Um conjunto de observações mostra que há mais lentes gravitacionais - um alongamento da luz devido à forma do espaço-tempo, que pode ser distorcido pela matéria - do que o esperado. E esses dados podem ser explicados se a forma do Universo for diferente do que pensávamos.

O efeito extra de lente gravitacional implica a presença de mais matéria escura do que o proposto pelo modelo atual, o que levaria o Universo a uma esfera finita, em vez de uma folha plana infinita.

Segundo essas observações, o Universo tem 41 vezes mais chances de ser fechado do que plano. "Esses são os dados cosmológicos mais precisos e estão nos dando uma imagem diferente," disse Alessandro Melchiorri, da Sapienza Universidade de Roma.

Tem havido um número crescente de tentativas de descartar o Big Bang das nossas teorias cosmológicas. Há quem afirme até que o Big Bang é um dogma científico.
[Imagem: NASA]

Crise cosmológica

Se o Universo for realmente fechado, isso se torna um grande problema para a nossa compreensão do cosmos.

Por exemplo, outro enigma cosmológico é que nossas imediações cósmicas parecem estar se expandindo mais rápido do que deveriam, algo que é difícil de explicar com nosso modelo padrão de cosmologia, que inclui um universo plano, e a equipe calculou que isso fica ainda mais difícil com um universo esférico, juntamente com algumas outras incompatibilidades cósmicas que ainda carecem de explicação.

É tão ruim que o trio afirma que seus dados desencadearam uma "crise cosmológica".

"Em um universo fechado, essas anomalias são mais graves do que pensávamos," disse Melchiorri. "Se nada estiver de acordo, temos que pensar muito sobre o nosso modelo do universo e sua formação".

A explicação usual da formação do Universo inclui um período logo após o Big Bang, chamado inflação, quando o Universo se expandiu rapidamente. Nossos modelos atuais de inflação levam a um universo plano; portanto, se o nosso Universo for realmente fechado, esses modelos terão que ser mudados.

"Nós precisamos de um novo modelo e ainda não sabemos como ele é," disse Melchiorri. Ninguém encontrou uma maneira de conciliar essas observações do telescópio Planck com as muitas medidas cosmológicas discordantes, algumas das quais incluem até mesmo outras observações do próprio observatório Planck.

Existe a hipótese de que os novos dados sejam apenas uma flutuação estatística, mas os dados do observatório WMAP, que também mapeou a radiação cósmica de fundo, já foram igualmente interpretados de forma a mostrar um Universo esférico.

Assim, vamos ter que esperar por mais dados. O Observatório Simons, atualmente em construção no Chile, poderá medir as lentes gravitacionais de maneira ainda mais precisa do que o telescópio Planck, e deverá nos dizer se realmente existe uma crise de magnitude cósmica em nossas teorias cosmológicas.

Bibliografia:

Artigo: Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology
Autores: Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri, Joseph Silk
Revista: Nature Astronomy
DOI: 10.1038/s41550-019-0906-9