Brasileiro cria novo design radical de computador quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica 

Guilherme Tosi e Andrea Morello junto ao equipamento usado para resfriar os chips quânticos até próximo do zero absoluto. [Imagem: Quentin Jones/UNSW]

Design brilhante

Um pesquisador brasileiro, atualmente trabalhando na Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, inventou uma nova arquitetura radical para a computação quântica.

A inovação permite a fabricação de processadores quânticos em larga escala de forma muito mais barata - e mais fácil - do que se pensava ser possível.

O brasileiro Guilherme Tosi e seus colegas explicam que a nova arquitetura permite que um processador quântico de silício seja fabricado sem a complicada e tediosa colocação precisa dos átomos que funcionam como bits quânticos, como acontece nas abordagens tentadas até agora.

Em vez disso, os qubits podem ser colocados a centenas de nanômetros de distância uns dos outros e, ainda assim, permanecerem acoplados uns aos outros pelo fenômeno quântico do entrelaçamento (ou emaranhamento). Isso não apenas é mais fácil em termos de engenharia de produção, como também deixa o espaço necessário para a colocação dos eletrodos e dos demais componentes sem interferir com o frágil estado dos qubits.

"É um design brilhante, e como muitos desses avanços conceituais, é incrível que ninguém tenha pensado nisso antes. O que Guilherme e a equipe inventaram é uma nova maneira de definir um qubit de spin, que usa tanto o elétron quanto o núcleo do átomo. Fundamentalmente, este novo qubit pode ser controlado usando sinais elétricos, em vez de magnéticos. Os sinais elétricos são significativamente mais fáceis de distribuir e localizar dentro de um chip eletrônico," disse o professor Andrea Morello, coordenador da equipe.

A grande vantagem da nova arquitetura é que os bits podem ficar distantes uns dos outros e ainda manter o entrelaçamento. [Imagem: Tony Melov/UNSW]

Melhor que qubits do Google e IBM

O novo conceito de processador quântico evita um problema que todos os qubits de silício baseados no spin - uma propriedade magnética das partículas subatômicas - se deparam quando se tenta construir matrizes com um número significativo de qubits: a necessidade de espaçá-los a uma distância correspondente ao diâmetro de apenas 50 átomos - algo entre 10 a 20 nanômetros.

"Se eles ficam muito próximos ou muito distantes, o 'emaranhamento' entre os bits quânticos - que torna os computadores quânticos tão especiais - não ocorre," explicou Tosi, que se formou em física na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), em Belo Horizonte.

Ele então foi trabalhar na equipe do professor Morello, cuja equipe vinha trabalhando há tempos na construção de qubits de silício, incluindo um leitor de elétrons individuais, para ler os dados, e um bit quântico revestido, capaz de guardar os dados 10 vezes melhor do que seus antecessores.

"Mas se quisermos fazer uma série de milhares ou milhões de qubits tão próximos, isso significa que todas as linhas de controle e os dispositivos de leitura também devem ser fabricados nessa escala nanométrica e com essa densidade de eletrodos. Este novo conceito sugere um outro caminho," detalha Tosi.

No outro extremo do espectro estão os circuitos quânticos supercondutores, adotados, por exemplo, pela IBM e pelo Google. Esses sistemas são grandes e fáceis de fabricar, e atualmente lideram a corrida da computação quântica em termos do número de qubits que podem ser manipulados - quanto mais qubits, maior o poder de processamento do computador. No entanto, devido justamente às suas dimensões maiores, a longo prazo essa abordagem fatalmente terá problemas ao tentar reunir e operar milhões de qubits, necessários para rodar os algoritmos quânticos mais importantes.

A nova abordagem baseada em silício criada por Tosi fica bem no ponto ideal entre a dificuldade de colocar qubits na distância precisa e o risco de começar com circuitos grandes demais.

"Ela é mais fácil de fabricar do que dispositivos de escala atômica, mas ainda nos permite colocar um milhão de qubits em um milímetro quadrado," disse o professor Morello.

Cada qubit é manipulado magneticamente pelos eletrodos colocados na parte de cima do chip. [Imagem: Tony Melov/UNSW]

Qubit flip-flop

No qubit de átomo único usado pela equipe de Morello e ao qual o novo design de Tosi se aplica, um chip de silício é coberto com uma camada de óxido de silício isolante, em cima do qual repousa um padrão de eletrodos metálicos que operam em temperaturas próximas do zero absoluto e na presença de um campo magnético muito forte.

O núcleo do qubit é um átomo de fósforo, que detém o recorde mundial de tempo de coerência - o tempo que a memória quântica consegue guardar o dado.

A descoberta conceitual de Tosi envolve a criação de um tipo completamente novo de qubit usando o núcleo e o elétron do átomo de fósforo. O estado '0' é definido como o spin do elétron estando para baixo e o spin do núcleo para cima, enquanto o estado '1' é definido como o spin do elétron estando para cima e o spin nuclear para baixo.

"Nós o chamamos qubit flip-flop," disse Tosi. "Para operar este qubit, você precisa afastar um pouco o elétron do núcleo, usando os eletrodos na parte superior. Ao fazer isto, você também cria um dipolo elétrico." - flip-flop, ou multivibrador biestável, é o nome de um circuito lógico que oscila constantemente entre um estado estável e um estado não-estável, permitindo seu uso como uma memória.

"Este é o ponto crucial," acrescenta Morello. "Esses dipolos elétricos interagem uns com os outros em distâncias muito grandes, uma boa fração de um micrômetro, ou 1.000 nanômetros. Isso significa que agora podemos colocar os qubits atômicos muito mais separados do que se pensava que fosse possível. Portanto, temos espaço suficiente para intercalar os principais componentes clássicos, como interconexões, eletrodos de controle e dispositivos de leitura, mantendo a natureza precisa do bit quântico atômico".

Arquitetura do processador quântico multibits que a equipe pretende construir agora. [Imagem: Tony Melov/UNSW]

Processador quântico de 10 qubits

O professor Morello classificou o conceito criado por Guilherme Tosi tão significativo quanto o artigo seminal do físico Bruce Kane que, em 1998, publicou um artigo na revista Nature demonstrando uma nova arquitetura que possibilitaria construir um computador quântico baseado em silício, desencadeando a corrida mundial para a construção desses computadores futurísticos.

"Como o artigo de Kane, esta é uma teoria, uma proposta - o qubit ainda tem que ser construído," disse Morello. "Nós temos alguns dados experimentais preliminares que sugerem que é totalmente possível, então estamos trabalhando para demonstrar isso completamente. Mas acho que isso é tão visionário quanto o artigo original de Kane".

A equipe da universidade fechou um acordo de US$67 milhões com a empresa de telecomunicações Telstra, o Commonwealth Bank e os governos da Austrália e do estado de Nova Gales do Sul para desenvolver, até 2022, um protótipo de um circuito integrado quântico de silício de 10 qubits.

A construção de um computador quântico vem sendo chamada de corrida espacial do século 21 - um desafio difícil e ambicioso com o potencial de fornecer ferramentas revolucionárias para abordar cálculos antes impossíveis, com uma infinidade de aplicações úteis na saúde, finanças, química, desenvolvimento de materiais, depuração de software, indústria aeroespacial e transporte.

Bibliografia:

Silicon quantum processor with robust long-distance qubit couplings
Guilherme Tosi, Fahd A. Mohiyaddin, Vivien Schmitt, Stefanie Tenberg, Rajib Rahman, Gerhard Klimeck, Andrea Morello
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 450
DOI: 10.1038/s41467-017-00378-x

Absorvedor solar capta toda a energia do Sol e transforma em calor

Redação do Site Inovação Tecnológica 

O absorvedor solar seletivo (SSA) é preto e, portanto, absorve a luz solar (fotografia à esquerda). No entanto, para a radiação térmica, ele se comporta como um espelho metálico não emissor (refletindo o céu azul escuro, como mostrado no termógrafo à direita) e evita que a energia solar absorvida seja irradiada e perdida.[Imagem: Jyotirmoy Mandal/Yuan Yang/Columbia Engineering]

Tipos de energia solar

Quando se fala em energia solar, a primeira imagem que nos vem à mente é um painel solar azulado geralmente instalado nos telhados.

Esta é a energia solar fotovoltaica, que usa células solares para gerar eletricidade diretamente. Mas existem outras técnicas, como a fotossíntese artificial, que gera combustíveis líquidos, a energia termossolar, que produz vapor como as usinas nucleares e termoelétricas, só que sem os riscos e a poluição, e também as células fotoeletroquímicas, que podem produzir uma variedade de combustíveis, mas principalmente o hidrogênio.

Outra técnica bem menos conhecida, similar à termossolar, usa um tipo de material de alta eficiência conhecido como absorvedor solar seletivo (SSA: Selective Solar Absorber), que é capaz de absorver a energia do espectro solar inteiro - do calor propriamente dito, ou infravermelho, até a luz visível - e converter essa energia em calor com uma eficiência muito elevada.

O problema é que todos os SSAs conhecidos até agora são de difícil fabricação e, portanto, muito caros.

A solução para esse "inconveniente" veio agora pelas mãos de Jyotirmoy Mandal, da Universidade de Colúmbia, nos EUA, que desenvolveu um processo no qual o absorvedor solar seletivo é fabricado por imersão de uma chapa em uma solução de nanopartículas.

Além de ser rápido e barato, o método produz um material no qual a dispersão das nanopartículas garante a eficiência ao longo de todo o dia, independentemente do ângulo de incidência dos raios do Sol - ou seja, não será necessário construir mecanismos para ficar reposicionando os painéis ao longo do dia.

Absorvedores solares seletivos

Os absorvedores solares seletivos são ideais para a conversão termossolar porque apresentam propriedades ópticas contrastantes para a radiação óptica e para a radiação termal.

Fabricar o SSA é simples assim. [Imagem: Jyotirmoy Mandal/Yuan Yang/Columbia Engineering]

Eles são altamente absorvedores de todas as cores da luz solar (do UV, passando pelo visível, até o infravermelho próximo), o que significa que absorvem quase toda a radiação e ficam muito quentes. No entanto, ao contrário das superfícies pretas comuns, eles são metálicos, ou seja, não emissivos, quando se trata da radiação térmica. O calor, portanto, não é perdido por irradiação e pode ser usado, por exemplo, para aquecer água e gerar vapor para uma usina termoelétrica.

Os SSAs já existentes são fabricados usando processos sofisticados, com grande consumo de energia e usando agentes químicos perigosos.

Isso torna o processo de imersão e secagem uma opção atrativa e muito barata, consistindo em se mergulhar chapas recobertas com zinco em uma solução contendo íons de cobre. As nanopartículas de cobre, absorvedoras da luz solar, depositam-se facilmente sobre a superfície de zinco por uma reação de deslocamento galvânico.

"A beleza deste processo é que ele pode ser feito de forma muito simples," afirmou Mandal. "Nós só precisamos de tiras de metais, tesouras para cortar as tiras, uma solução de sal em um béquer e um cronômetro para monitorar o processo de imersão".

Os SSAs produzidos mostraram uma absorção solar significativamente maior do que os atuais em todos os ângulos, de 97% de absorção com o Sol ao meio-dia, até 80% quando ele está próximo ao horizonte.

Bibliografia:

Scalable, "Dip-and-Dry" Fabrication of a Wide-Angle Plasmonic Selective Absorber for High-Efficiency Solar-Thermal Energy Conversion
Jyotirmoy Mandal, Derek Wang, Adam C. Overvig, Norman N. Shi, Daniel Paley, Amirali Zangiabadi, Qian Cheng, Katayun Barmak, Nanfang Yu, Yuan Yang
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201702156

Robô humanoide comandado do espaço faz consertos na Terra

Redação do Site Inovação Tecnológica 

As rodas de Justin ainda não são adequadas para o espaço, mas seus braços contorcionistas lhe dão uma agilidade sem comparação. [Imagem: DLR]

Astronautas e robôs trabalhando juntos

A telerrobótica mostrou ser uma terceira via viável para a exploração espacial.

Em lugar de mandar robôs espaciais que precisam esperar comandos a cada movimento, e evitando os custos e riscos do pouso de astronautas, o caminho pode ser enviar ao espaço robôs comandados em tempo real a partir de laboratórios virtuais que reproduzem o ambiente que o robô está explorando na Lua, em Marte ou em algum asteroide.

Foi o que demonstrou o primeiro teste para valer do controle de um robô na Terra por um astronauta a bordo da Estação Espacial Internacional.

O astronauta foi o italiano Paolo Nespoli, da ESA, que está a bordo da ISS. De lá, ele controlou Justin, um robô que vem sendo aprimorado há vários anos pela agência espacial alemã (DLR) - há uma outra versão dele, chamada Toro.

O objetivo foi simular uma missão na qual astronautas podem ficar em órbita de um corpo celeste e comandar os robôs que descem à superfície para fazer a exploração e coletar amostras.

Colega de trabalho robótico

Durante o experimento, Nespoli usou um tablet para enviar instruções para o robô, comandando as suas ações do espaço.

Mas Justin não é totalmente burro: uma vez recebida uma instrução para, por exemplo, consertar um painel solar, ele executava a tarefa por seus próprios meios, usando programas de inteligência artificial para decidir quais tarefas precisavam ser completadas, e em que sequência, para obedecer à instrução recebida. O astronauta enviou o comando e brincou: "É com você, Justin."

"No experimento com o Justin, estamos lançando as bases para a cooperação entre astronautas e robôs inteligentes e humanoides na colonização de planetas e luas distantes," disse Alin Albu-Schaffer, diretor do Instituto de Robótica e Mecatrônica da DLR. "Os robôs estão equipados com inteligência local de alto desempenho, então o astronauta só precisa de um tablet para instruir o robô na execução de atividades complexas."

O robô consegue manipular ferramentas e peças com destreza. [Imagem: DLR]

Consertando usina solar

No primeiro experimento nessa rodada inicial de testes, Nespoli pediu que o robô consertasse uma fazenda solar no laboratório em terra, verificando a condição de vários painéis solares e reparando quaisquer falhas - uma tarefa que quase certamente terá que ser feita em condições reais de exploração e colonização espacial no futuro.

A equipe agora vai analisar os resultados para planejar a próxima rodada de testes, de forma a incorporar na tecnologia as dificuldades oriundas da movimentação da nave espacial em órbita, o que causa retardos e perdas eventuais de comunicação. Os novos testes não deverão demorar, para aproveitar o treinamento que Nespoli fez com a equipe do Justin em terra antes de subir ao espaço.

"Pretendemos usar este projeto para atravessar novas fronteiras e transformar os robôs em verdadeiros colegas de trabalho para uma variedade de tarefas no setor aeroespacial. No longo prazo, isso deverá aliviar a pressão sobre os astronautas na área de exploração planetária," disse Neal Lii, coordenador do projeto.

Impressão 3D mostra sua nova face: Objetos autoatuantes

Redação do Site Inovação Tecnológica

A técnica usada é a impressão é 3D, embora o primeiro o objeto seja plano - depois ele transforma-se sozinho no objeto final desejado.[Imagem: Ruslan Guseinov et al. - 10.1145/3072959.3073709]

Objetos autoatuantes

Embora só há pouco tempo tenham alcançado uma maior eficiência e menor custo, as impressoras 3-D surgiram na década de 1980.

Ainda assim, os engenheiros são unânimes em afirmar que ainda estamos longe de maximizar o potencial da fabricação aditiva.

Um dos maiores esforços em busca dessa otimização está nos chamados objetos "autoatuantes" que, curiosamente, são materiais planos, mas que se transformam no objeto 3-D desejado depois de impressos.

Agora, uma equipe do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria tornou possível fabricar objetos autoatuantes lisos, sem cantos, com curvaturas suaves e de formato livre.

Eles afirmam já ter havido várias demonstrações desse tipo, mas as possibilidades vinham sendo limitadas a objetos com bordas afiadas e sem curvatura, e os métodos de transformação final baseavam-se principalmente em dobras ou processos que não podem ser controlados de forma muito precisa - por exemplo, reações químicas ou inflação.

É o caso dos materiais programáveis feitos com técnicas de origami, embora alguns esforços já viessem apontando para metais metamórficos e diversos tipos de materiais multifuncionais.

Exemplos de objetos autoatuantes criados com o novo processo. [Imagem: Ruslan Guseinov et al. - 10.1145/3072959.3073709]

Fabricação plana vira fabricação 3D

Ruslan Guseinov e seus colegas desenvolveram agora um novo material e um novo método de autotransformação para criar objetos 3D a partir de peças planas - eles chamam o conjunto de "CurveUps".

O programa parte de um modelo 3D fornecido pelo usuário e cria automaticamente um modelo 2D achatado que, após a impressão, transforma-se na versão 3D original.

O objeto é composto de minúsculos "tijolos" intercalados entre camadas de látex pré-esticadas. Durante o processo de transformação, a tensão no látex puxa os tijolos, juntando-os para estruturar uma forma contínua. Durante o processo de cálculo, o programa define a orientação, a localização e a forma de cada tijolo e dos "pinos" de látex de conexão.

"Nossa pesquisa é um passo rumo ao desenvolvimento de novas tecnologias de fabricação. Tem havido muitos avanços na fabricação plana, por exemplo na eletrônica, anteriormente limitada a formas 2D," comentou Guseinov. "Com o CurveUps, tornamos possível a produção de objetos 3D com capacidades plenas usando essas mesmas tecnologias, empurrando os limites da fabricação digital muito além do estado atual."

Bibliografia:

CurveUps: shaping objects from flat plates with tension-actuated curvature
Ruslan Guseinov, Eder Miguel, Bernd Bickel
ACM Transactions on Graphics
Vol.: 36 Issue 4, Article No. 64
DOI: 10.1145/3072959.3073709

Biocélula usa suor da pele para gerar energia

Redação do Site Inovação Tecnológica 

Esta pequena seção de biocélula consegue gerar energia suficiente para alimentar pequenos dispositivos portáteis. [Imagem: UCSD]

Energia do suor

Este pequeno adesivo, projetado para ser colado sobre a pele, é uma célula a combustível capaz de gerar energia usando como combustível o suor humano.

A biocélula gera 10 vezes mais energia por área superficial do que qualquer dispositivo desse tipo já demonstrado.

Isso já é energia suficiente para alimentar uma série de equipamentos eletrônicos de vestir, como monitores de saúde, rádios bluetooth ou pequenas lanternas de LED, para sinalização de ciclistas e corredores à noite, por exemplo.

As células de biocombustível são equipadas com uma enzima que oxida o ácido lático presente no suor humano para gerar eletricidade. O anodo e catodo são feitos de nanotubos de carbono dispostos em uma matriz 3D.

Para que a estrutura se torne compatível com a elasticidade da pele humana, esses eletrodos são dispostos em uma matriz de polímero seguindo uma estrutura "ilha e ponte", em que seções mais densas do material são conectadas a outras por seções mais finas em formato de mola. Metade dos pontos mais densos formam o anodo e a outra metade forma o catodo.

Estrutura da célula alimentada por biocombustível humano. [Imagem: UCSD]

Célula a biocombustível

Para aumentar a densidade de energia da biocélula, Amay Bandodkar e seus colegas da Universidade da Califórnia em San Diego tiveram que encontrar a combinação exata de materiais nos pontos e nas pontes.

Além disso, recobrir a estrutura com uma camada de nanotubos de carbono permitiu carregar cada ponto anódico com mais enzima que reage com o ácido lático e mais óxido de prata nos pontos catódicos e ainda otimizou a taxa de transferência de elétrons.

Como a energia gerada flutua com a quantidade de suor produzida pelo usuário, a biocélula foi conectada a um conversor DC/DC, que equaliza a saída, disponibilizando energia com potência e tensão constantes.

O resultado foi ótimo, mas ainda há desafios a vencer para se chegar a dispositivo prático. Por exemplo, o óxido de prata usado no catodo é sensível à luz, degradando-se com o tempo. Além disso, o ácido lático no suor se dilui ao longo do tempo, o que significa que a biocélula gera uma quantidade decrescente de energia.

Bibliografia:

Soft, stretchable, high power density electronic skin-based biofuel cells for scavenging energy from human sweat
Amay J. Bandodkar, Jung-Min You, Nam-Heon Kim, Yue Gu, Rajan Kumar, A. M. Vinu Mohan, Jonas Kurniawan, Somayeh Imani, Tatsuo Nakagawa, Brianna Parish, Mukunth Parthasarathy, Patrick P. Mercier, Sheng Xu, Joseph Wang
Energy & Environmental Science
Vol.: 10 (7): 1581
DOI: 10.1039/c7ee00865a

Fotossíntese artificial chocante produz combustíveis líquidos

Redação do Site Inovação Tecnológica

A fotossíntese artificial é um processo pelo qual a luz solar, o CO2 e a água são convertidos em combustíveis úteis.[Imagem: JCAP]

Combustíveis multicarbono

Químicos descobriram uma maneira nova e mais eficiente de criar combustíveis à base de carbono - como os derivados do petróleo - a partir do dióxido de carbono (CO2).

A equipe do Instituto de Tecnologia da Califórnia identificou um novo aditivo que ajuda a converter o CO2 seletivamente em combustíveis contendo múltiplos átomos de carbono, um passo importante rumo à produção de combustíveis líquidos renováveis - que não são derivados do carvão, petróleo ou gás natural.

"Os resultados foram simplesmente chocantes," disse o professor Jonas Peters. "Normalmente, nestes tipos de reações com CO2, você vê muitos subprodutos como o metano e o hidrogênio. Neste caso, a reação foi altamente seletiva para os combustíveis mais desejáveis, que contêm múltiplos carbonos - como etileno, etanol e propanol. Vimos uma conversão de 80% para esses combustíveis multicarbonos, com apenas 20% ou mais de hidrogênio e metano."

Combustíveis com múltiplos átomos de carbono são mais desejáveis porque tendem a ser líquidos - e os combustíveis líquidos armazenam mais energia por volume do que os gasosos. Por exemplo, o propanol, que é líquido e contém três átomos de carbono, armazena mais energia do que o metano, que é um gás e possui apenas um átomo de carbono.

O objetivo dos químicos é criar artificialmente combustíveis líquidos multicarbonos, para uso em transportes e geração termoelétrica, usando como ingredientes o CO2, que fornece o carbono, e a água - idealmente, tudo movido a energia solar.

Combustíveis pela via rápida

Para sintetizar os combustíveis multicarbono, a equipe usou uma solução aquosa e um eletrodo de cobre, que serviu de catalisador. O experimento em laboratório ainda não foi alimentado por energia solar.

O CO2 foi adicionado à solução, bem como uma classe de moléculas orgânicas conhecidas como arilpiridinios N-substituídos, que formaram um depósito muito fino no eletrodo. Este filme, por razões ainda não compreendidas pelos cientistas - por isso eles chamaram o resultado de "chocante" -, melhorou drasticamente a reação, produzindo seletivamente etanol, etileno e propanol.

"É fácil fazer hidrogênio nessas condições, de forma que geralmente vemos um bocado desse gás," disse Theodor Agapie, coordenador da equipe. "Mas queremos desestimular a produção de hidrogênio e favorecer a produção de combustíveis líquidos de alta densidade de energia com ligações carbono-carbono, que é exatamente o que obtivemos em nossos experimentos".

O próximo passo será descobrir como os aditivos estão otimizando a reação. Os pesquisadores também planejam testar aditivos similares para ver se eles podem melhorar ainda mais a seletividade para os combustíveis líquidos. Em última análise, esta informação poderá ajudar a viabilizar a produção de combustíveis alternativos de forma eficiente sem depender dos combustíveis fósseis.

"A natureza armazenou a energia solar sob a forma de óleo durante um longo período da história da Terra através de um processo que leva milhões de anos. Os químicos gostariam de descobrir como fazer isso muito mais rapidamente," finalizou Peters.

Bibliografia:

CO2 Reduction Selective for C2 Products on Polycrystalline Copper with N-substituted Pyridinium Additives
Zhiji Han, Ruud Kortlever, Hsiang-Yun Chen, Jonas C. Peters, Theodor Agapie
ACS Central Science
DOI: 10.1021/acscentsci.7b00180

Moléculas individuais funcionam como transistores a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica 

O aglomerado molecular é maior do que uma molécula individual, mas é estável o suficiente para operar a temperatura ambiente. [Imagem: Bonnie Choi/Columbia University]

Eletrônica molecular

Um dos principais objetivos da eletrônica molecular, que pretende usar moléculas individuais como componentes eletrônicos, é criar um dispositivo onde um fluxo de carga elétrica definido e controlável possa ser alcançado a temperatura ambiente.

Um passo importante nesse sentido acaba de ser dado por uma equipe da Universidade de Colúmbia, nos EUA, que demonstrou que moléculas podem funcionar como elementos lógicos, como transistores ou diodos, funcionando a temperatura ambiente e de forma precisa, previsível e reprodutível.

Este é o primeiro experimento a demonstrar de forma reprodutível a capacidade de alternar um componente molecular do estado isolante para o estado condutor, onde a carga adicionada e removida consiste em um único elétron, abrindo caminho para a miniaturização sem precedentes que se espera obter com a eletrônica molecular.

Aglomerado molecular

Em vez de trabalhar com moléculas individuais, sensíveis demais, a equipe usou aglomerados moleculares, que se mostraram mais estáveis.

"Descobrimos que esses aglomerados podem funcionar muito bem como diodos nanométricos a temperatura ambiente, cuja resposta elétrica podemos ajustar alterando sua composição química," explicou a professora Latha Venkataraman. "Teoricamente, um único átomo é o limite último, mas os componentes de átomos únicos não podem ser fabricados e estabilizados a temperatura ambiente. Com esses aglomerados moleculares, temos controle completo sobre sua estrutura, com precisão atômica, e podemos alterar a composição elementar e a estrutura de uma maneira controlável para gerar determinadas respostas elétricas."

A equipe criou um conjunto de átomos geometricamente ordenados com um núcleo inorgânico feito de apenas 14 átomos, resultando em um diâmetro de cerca de 0,5 nanômetro. Esse aglomerado foi então conectado a dois eletrodos de ouro, que permitiram caracterizar a resposta elétrica do aglomerado à medida que a tensão de polarização era variada.

Segundo os pesquisadores, sua técnica lhes permite fabricar e medir milhares de junções com características de transporte reprodutíveis.

Circuitos lógicos moleculares

Vários experimentos anteriores usaram pontos quânticos para produzir efeitos semelhantes, mas como os pontos quânticos são muito maiores e não são uniformes em tamanho, devido à natureza de seu processo de fabricação, os resultados não são reprodutíveis - nem todos os dispositivos feitos com pontos quânticos se comportam do mesmo modo.

Já os grupos moleculares inorgânicos são menores e idênticos em forma e tamanho, permitindo calcular exatamente o comportamento elétrico que será obtido deles até a escala atômica.

O próximo passo será usar os aglomerados inorgânicos para compor os primeiros circuitos lógicos moleculares.

Bibliografia:

Room-temperature current blockade in atomically defined single-cluster junctions
Giacomo Lovat, Bonnie Choi, Daniel W. Paley, Michael L. Steigerwald, Latha Venkataraman, Xavier Roy
Nature Nanotechnology
DOI: 10.1038/nnano.2017.156

Mais de 600 mil árvores são plantadas em resposta a Trump

Pelo site Ciclovivo


Incomodados com medidas tomadas pelo presidente dos EUA, trio partiu para ação.

A posição de Donald Trump, presidente dos Estados Unidos, sobre as questões ambientais é de completo ceticismo. Em sua conta do Twitter, ele já chegou a afirmar que o aquecimento global é uma “farsa inventada pelos chineses”. Suas ideias, logicamente, têm desagradado a muitos, gerando diversas críticas. Mas um trio resolveu fazer mais do que questionar e partiu para a ação, criando o Trump Forest.

O britânico Dan Price, o norte-americano Jeff Willis e o francês neozelandês Adrien Taylor são responsáveis pelo projeto que é dedicado ao plantio de árvores ao redor do mundo. A ideia da iniciativa é dar uma resposta efetiva a duas medidas tomadas por Trump: A reformulação do Plano de Energia Limpa, feito pela Agência de Proteção Ambiental, e a retirada do Acordo de Paris.

Em cinco meses, já foram plantadas 618.055 árvores, mas a meta vai muito além disso. Segundo os cálculos do grupo, serão necessárias mais 10 bilhões de árvores ao redor do mundo para compensar as emissões de CO2 lançadas pelos Estados Unidos, caso seja extinto o Plano de Energia Limpa.

Mais de duas mil pessoas se sensibilizaram com a causa e estão apoiando o projeto. Já foram investidos quase 80 mil dólares no Trump Forest.

Cientistas criam um sistema de IA que rouba códigos para escrever seus próprios programas

Pelo site Engenharia é

Um projeto chamado DeepCoder, criado pela Microsoft e Universidade de Cambridge, é capaz de pegar pedaços de código de outros sistemas para resolver problemas básicos de programação.

A ideia da equipe é facilitar o trabalho dos programadores humanos e ajudar as pessoas a desenvolverem ideias sem qualquer conhecimento de codificação.

O projeto utiliza técnicas de aprendizagem profunda (deeplearning) para imitar a rede neural de um cérebro, onde grandes quantidades de dados são processadas e avaliadas para tomadas de decisões. Logo, esse tipo de sistema de IA é capaz de “pensar” por si mesmo, sem que suas escolhas estejam sendo manipuladas por código.

“As pessoas poderiam se tornar mais produtivas”, disse Armando Solar-Lezama do MIT, que não esteve envolvido no estudo, em entrevista à New Scientist. “Eles poderiam construir sistemas que antes eram impossíveis”. Como possui uma série de entradas e saídas, o DeepCoder pode descobrir quais pedaços do código trarão o resultado desejado. Os desenvolvedores acreditam que o sistema, no futuro, teria o potencial de permitir a uma pessoa apenas descrever uma ideia de programa e a IA o criaria.

Para os programadores, que já estão familiarizados com o assunto de codificação, o projeto facilitaria o trabalho, uma vez que pode pesquisar e “pensar” muito mais rápido que os sistemas de IA anteriores. Ainda, ele seria capaz de combinar códigos de maneira que os humanos sequer sonhariam.

Ao invés de executar cada bit de código por meio de um processo de tentativa e erro, como as versões anteriores, o DeepCoder pode prever quais fragmentos serão úteis. O sistema também é capaz de ficar cada vez mais inteligente, conforme vai aprendendo com suas escolhas. Contudo, a tecnologia ainda precisa ser testada por pesquisadores independentes, uma vez que ainda não foi publicada ou revisada por pares. Além disso, os desenvolvedores permanecem conservadores sobre as atuais aplicações.

Por enquanto, o sistema pode apenas resolver problemas simples de programação que exijam cerca de cinco linhas de código. No entanto, a esperança dos pesquisadores é que essa capacidade seja ampliada para ser mais aproveitada no futuro.

E o futuro, o que ainda pode nos reservar?

Pelo site Engenharia é

Engenharia, conforme é definida, é a arte de transformar recursos naturais em produtos, sistemas, etc., adequados ao atendimento das necessidades humanas. E, ao longo dos tempos, a engenharia tem provado que tem cumprido muito bem este papel – e quanto progresso, quantas transformações, a engenharia trouxe ao mundo!

Mas o futuro, o que pode nos reservar? É bom refletir sobre isto, até para melhor pudermos orientar nossos trabalhos e carreiras.

Um bom trabalho sobre este tema é o de Harari (1). Em síntese, o autor, depois de uma primorosa visão da história, nos coloca algumas visões de futuro: depois das trevas da idade média, com grande centralização de poder na Igreja e na nobreza, e que foi pautada pela fome, guerras e peste, veio o iluminismo, provocado principalmente pelo compartilhamento de informações (imprensa), maior circulação de pessoas, etc. Com ele veio o humanismo (o ser humano como centro), que abriu as portas para a modernidade atual. Nos nossos tempos, a fome, a guerra e a peste estão, de certo modo, limitadas a bolsões específicos, e então poderíamos considerá-las como muito reduzidas, ou mesmo praticamente abolidas. Logo, a humanidade, em seu natural evoluir, deverá caminhar em busca de alcançar outros objetivos, que são alcançar a imortalidade, a felicidade, e a divindade (no sentido da onisciência e onipotência).

Aí ele introduz o conceito de dataísmo, que, conforme as palavras do autor, “faz ruir a barreira entre animais e máquinas, com a expectativa de, eventualmente, os algoritmos eletrônicos decifrem e mesmo superem os algoritmos bioquímicos.” Aliás, esta é uma premissa do livro: desde Darwin, as ciências biológicas passaram a entender os organismos vivos como algoritmos bioquímicos, que foram aperfeiçoando-se por milhões de anos. No entanto, com o crescimento exponencial da velocidade de processamento dos dados, de capacidade da memória computacional, da inteligência artificial, das técnicas computacionais em geral, e do enorme compartilhamento de informações, vai haver um instante no qual os algoritmos eletrônicos passarão a se comparar, ou mesmo prevalecer, sobre os bioquímicos, podendo então decidir por nós, ou seja, poderemos passar para eles grande parte de nossas funções, trabalho, decisões, etc.

Que coisa, não? Mas se olharmos com lentes várias coisas que já estão acontecendo, veremos que já começa a se entremostrar a realidade destas tendências: os diversos sistemas “big data”, que analisam profundamente tudo o que postamos (e mesmo nossa personalidade e gostos…), a boneca interativa (que foi proibida na Alemanha…), as intensas “conversas” pelas redes sociais, Cortana e Siri, etc.

E agora, como ficamos como engenheiros, neste possível futuro? Vamos pensar um pouco nisto?

Referência:

• HARARI, Y.N.; Homo Deus – uma breve história do amanhã. São Paulo: Cia das Letras, 2016. 443 p.

Pesquisadores criam tecnologia para transformar esgoto em petróleo

Pelo site Engenharia é

Pode soar como ficção científica, mas as estações de tratamento de águas residuais nos Estados Unidos podem transformar um dia o esgoto comum em óleo biocrude, graças a novas pesquisas no Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste do Departamento de Energia.

A tecnologia, chamada liquefação hidrotérmica(HTL, na sigla em inglês), imita as condições geológicas que a Terra usa para criar petróleo bruto, usando alta pressão e temperatura para conseguir em minutos algo que a Mãe Natureza leva milhões de anos. O material resultante é semelhante ao petróleo bombeado para fora do solo, com uma pequena quantidade de água e oxigênio misturado. Este biocrude pode então ser refinado usando operações convencionais de refinação de petróleo.

As estações de tratamento de águas residuais nos EUA tratam aproximadamente 34 bilhões de litros de esgoto todos os dias. Esse montante poderia produzir o equivalente a cerca de 30 milhões de barris de petróleo por ano. A PNNL estima que uma única pessoa poderia gerar de dois a três litros de biocrude por ano.

A tecnologia também pode ser utilizada para produzir combustível a partir de outros tipos de matérias-primas orgânicas húmidas, tais como resíduos agrícolas.

Usando a liquefação hidrotérmica, a matéria orgânica, como resíduos humanos, pode ser dividida em compostos químicos mais simples. O material é pressurizado a 3.000 libras por polegada quadrada – quase cem vezes que de um pneu de carro. A lama pressurizada entra em um sistema de reator operando a cerca de 660 graus Fahrenheit. O calor e a pressão fazem com que as células do material residual se dividam em diferentes frações – biocrude e uma fase líquida aquosa.

“Há uma abundância de carbono em lodo de águas residuais municipais e, curiosamente, também há gorduras”, disse Corinne Drennan, que é responsável pela pesquisa de tecnologias de bioenergia no PNNL. “As gorduras ou lipídios parecem facilitar a conversão de outros materiais nas águas residuais como o papel higiênico, manter a lama movendo-se através do reator e produzir uma biocridade de alta qualidade que, quando refinada, produz combustíveis como gasolina e diesel”.

Além de produzir combustível útil, o HTL poderia dar aos governos locais significativas melhoria na economia de custos ao eliminar a necessidade de tratamento, transporte e descarte de resíduos de esgoto.

Simples e eficiente

“A melhor coisa sobre este processo é como é simples”, disse Drennan. “O reator é literalmente um tubo quente e pressurizado. Nós realmente aceleramos a tecnologia de conversão hidrotérmica nos últimos seis anos para criar um processo contínuo e escalável que permite o uso de lixo úmido como lodo de esgoto”.

Preço e futuro da tecnologia

A tecnologia foi licenciada para a empresa Genifuel Corporation, que agora trabalha com a empresa Metro Vancouver, em parceria com autoridades da terceira maior cidade do Canadá, a Colúmbia Britânica, para construir uma planta piloto, a um custo estimado de US$8 a US$ 9 milhões de dólares canadenses.

Uma vez que o financiamento está no lugar, Metro Vancouver planeja passar para a fase de projeto em 2017, seguido pela fabricação de equipamentos.

“Se esta tecnologia emergente for um sucesso, uma futura unidade de produção poderia abrir caminho para a operação de águas residuais da Metro Vancouver atender a seus objetivos de sustentabilidade de zero energia líquida, zero odores e zero resíduos”, acrescentou Mussatto.

Nada deixado para trás

Além do biocrude, a fase líquida pode ser tratada com um catalisador para criar outros combustíveis e produtos químicos. Também é gerada uma pequena quantidade de material sólido, que contém nutrientes importantes. Por exemplo, os esforços iniciais demonstraram a capacidade de recuperar o fósforo, que pode substituir o minério de fósforo utilizado na produção de fertilizantes.

Veja o vídeo do processo, abaixo:

https://youtu.be/ER4C6EapZQ4

A nova telha solar da Tesla é mais barata do que uma telha convencional

Pelo site Engenharia é

Boas notícias para quem pretende construir e pretendem usar o novo telhado solar da Tesla – a empresa acabou de anunciar preços para os seus painéis fotovoltaicos e eles chegaram em apenas US$ 21,85 por metro quadrado. Isso é quase 20% mais barato do que um telhado normal, uma vez que você terá o fator na economia de energia e créditos fiscais.

Elas são feitas de vidro em camadas sobre um substrato fotovoltaico, e servem como um substituto para materiais de cobertura tradicionais. Isso garante que eles se parecem com um telhado convencional, visto do chão – mesmo que eles realizam muito mais do que um telhado padrão.

Até agora, Tesla tem dois estilos de telhas disponíveis para pré-encomenda: uma telha de vidro preto texturizado e uma telha cinza lisa. As telhas estarão disponíveis para instalação no início de 2018. De acordo com a empresa, a instalação do Solar Roof leva entre cinco e sete dias – e a Tesla gerencia todo o processo em si.

Outro benefício, é que o telhado solar da Tesla é promovido para ser mais forte do que um telhado tradicional. Nas áreas onde as tempestades e os ventos são fortes, um telhado mais resistente faz toda a diferença.

Os consumidores que comprarem o Solar Roof também receberão o próximo Powerwall 2.0, um dispositivo de armazenamento de bateria com um inversor embutido que se conecta ao sistema elétrico da sua casa.

Hidricidade: Usar hidrogênio para armazenar energia do Sol

Redação do Site Inovação Tecnológica 

As usinas termossolares já são bem conhecidas - a novidade está em sua integração com o hidrogênio.[Imagem: University of Colorado]

Armazenar o sol no hidrogênio

Em busca de fontes limpas de energia e de abrir caminho para uma economia sustentável, pesquisadores estão propondo um novo conceito que eles batizaram de "hidricidade".

A ideia é juntar a geração de eletricidade a partir da energia solar com a produção de hidrogênio a partir de água superaquecida, obtendo uma produção de energia 24 horas por dia, sete dias por semana.

Trata-se de uma versão voltada para a energia solar comparável às diversas opções conhecidas como "armazenar o vento", estas voltadas para a energia eólica.

"O conceito de hidricidade que propomos representa uma potencial solução inovadora de geração contínua e eficiente de energia," disse o professor Rakesh Agrawal, da Universidade Purdue, nos EUA, coordenador do projeto. "O conceito proporciona uma excelente oportunidade para vislumbrar e criar uma economia sustentável para atender a todas as necessidades humanas, incluindo alimentos, químicos, transporte, aquecimento e eletricidade."

A produção de hidrogênio com energia solar é uma das grandes esperanças para mudar a matriz energética mundial, embora a tão difundida Economia do Hidrogênio encontrou mais entraves do que se esperava. [Imagem: Peter Allen]

Eficiência e comparações

"A eficiência global sol-para-eletricidade do processo hidricidade, na média de um ciclo de 24 horas, chega próximo dos 35%, o que é quase a eficiência alcançada usando as melhores células fotovoltaicas juntamente com baterias," disse Emre Gençer, principal idealizador do conceito de hidricidade.

"Em comparação, o nosso processo armazena energia termoquimicamente de forma mais eficiente do que os sistemas de armazenamento de energia convencionais, o hidrogênio coproduzido tem usos alternativos nas indústrias petroquímicas, químicas, transporte e, ao contrário das baterias, a energia armazenada não descarrega com o tempo e o meio de armazenamento não degrada com usos repetidos," acrescentou Gençer.

Hidricidade

A hidricidade usa concentradores solares para focalizar a luz solar, gerar altas temperaturas e sobreaquecer a água, produzindo vapor para alimentar uma série de turbinas para geração de eletricidade, além de reatores para a separação da água em hidrogênio e oxigênio.

Os concentradores solares já são largamente usados, mas é a primeira vez que eles são pensados em conjunto com a produção de hidrogênio. [Imagem: Rehnu]

Os concentradores já são largamente usados em usinas termossolares, que aproveitam o calor do Sol, e não a luz, como fazem os painéis fotovoltaicos - há também concentradores para células solares, mas trata-se de uma tecnologia diferente.

Já o sobreaquecimento envolve aquecer a água muito além do seu ponto de ebulição - no caso proposto, entre 1.000 e 1.300 graus Celsius - gerando um vapor de alta temperatura adequado tanto para rodar turbinas com alta eficiência, como também para operar reatores solares para dividir a água em hidrogênio e oxigênio.

O hidrogênio seria armazenado para utilização durante a noite, sendo queimado para sobreaquecer a água e manter toda a usina funcionando. O excedente também pode ser utilizado para qualquer outra aplicação, já que ele não gera emissões de gases de efeito estufa, podendo ser usado sobretudo em células a combustível.

"Tradicionalmente, a geração de eletricidade e a produção de hidrogênio foram estudadas isoladamente, e o que fizemos foi integrar sinergicamente estes processos e, ao mesmo tempo, melhorá-los," disse Agrawal.

O sistema foi simulado utilizando modelos computadorizados, e agora os pesquisadores esperam obter apoio para adicionar um componente experimental para a pesquisa, com a construção de protótipos e, a seguir, plantas-piloto de hidricidade.

Bibliografia:

Round-the-clock power supply and a sustainable economy via synergistic integration of solar thermal power and hydrogen processes
Emre Gençer, Dharik S. Mallapragada, François Maréchal, Mohit Tawarmalani, Rakesh Agrawal
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: Early Edition
DOI: 10.1073/pnas.1513488112