Menor motor a combustão do mundo cabe em um chip

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/03/2014

Os pesquisadores suspeitam que o hidrogênio e o oxigênio entram em combustão, gerando água novamente, embora haja a possibilidade da existência de passos adicionais nesse processo. [Imagem: NSR]

 

Motor a hidrogênio ou motor elétrico?

As baterias resolvem bem os problemas dos aparelhos eletrônicos, mas a miniaturização de equipamentos mecânicos exige outros tipos de acionamento.

Para esses casos, uma equipe de pesquisadores da Rússia, Holanda e Alemanha criou um novo tipo de micromotor a combustão.

O projeto é tão inovador e surpreendente que os pesquisadores confessam que não sabem exatamente como ele funciona: no artigo científico, eles descrevem como eles "acreditam" que ele funciona.

O que eles sabem é que o combustível do micromotor são bolhas de oxigênio e hidrogênio, que parecem entrar em combustão dentro de uma pequena câmara que possui uma membrana flexível em uma de suas extremidades.

A câmara de combustão fica cheia de uma solução salina, que é suprida por dois canais laterais.

Dois fios injetam eletricidade na solução salina, o que faz o hidrogênio e o oxigênio da água se dissociarem por eletrólise.

As pequenas bolhas de gás geradas elevam a pressão dentro da câmara (3,6 bar), forçando a membrana ligeiramente para fora - ela se desloca cerca de 1,4 micrômetro.

Quando a corrente elétrica é desligada, a membrana volta à sua posição original.

E é aí que acontece a "mágica" do funcionamento do micromotor, que ainda precisa ser elucidada: a membrana volta rápido demais, muito mais rápido do que poderia ser explicado pela dissipação.

Os pesquisadores suspeitam que o hidrogênio e o oxigênio entram em combustão, gerando água novamente, embora haja a possibilidade da existência de passos adicionais nesse processo.

Outro ponto de vista é que, como o que é suprido para o motor é a eletricidade que gera a eletrólise, então ele seria um motor elétrico.

Mas o essencial é que ligar e desligar a corrente elétrica gera um movimento mecânico que pode ser explorado para alguma finalidade útil.

Motores a combustão microscópicos

O micromotor é minúsculo, medindo 100 x 100 x 5 micrômetros - essencialmente um motor em um chip, já que ele foi fabricado em uma pastilha de silício usando as mesmas técnicas da microeletrônica.

Segundo a equipe, o micromotor produz um torque muito elevado para o seu tamanho, o que permitirá seu uso como bomba de fluidos, em biochips ou até mesmo no interior do corpo humano.

Agora os pesquisadores querem descobrir o menor tamanho possível do micromotor, além de obter novas pistas sobre seu princípio de funcionamento.

"Este atuador é o primeiro passo para motores a combustão verdadeiramente microscópicos," afirmam eles.

GASEIFICAÇÃO DA MADEIRA TRATADA COM CCA EM LEITO FLUIDIZADO

Camila Michele Baldin (BIC/UCS), Caroline Casagrande Broetto, Marcelo Godinho, Perci Odilon
Bonetti Homrich, Luis Antonio Rezende Muniz (Orientador(a))

A madeira é utilizada em cercas, na construção civil, em postes telefônicos e de luz, e por ser de
origem orgânica é facilmente degradada por organismos vivos (insetos e fungos) ou pela exposição
à água. Devido ao amplo emprego da madeira houve a necessidade de desenvolver formas de
preservá-la, sendo uma delas a preservação química. A preservação química tem por base a
aplicação de produtos químicos na madeira por um processo de impregnação por pressão, com o
objetivo de torná-la tóxica aos organismos que a degradam e com isso preservá-la por um período
de tempo maior. Existem vários tipos de tratamento químico para a preservação da madeira (CCB,
creosoto, sais de flúor, cromo, arsênio e fenol), sendo o mais utilizado o CCA (Chromated Copper
Arsenate) do tipo C, composto por sais a base de cobre, cromo e arsênio. Embora o uso de CCA
mostre-se eficiente, restrições internacionais têm sido impostas devido à perda dos componentes
ativos do CCA ao longo dos anos que podem trazer riscos de contaminação ao ser humano e ao
meio ambiente, porém no Brasil não existem restrições quanto ao uso e descarte da madeira tratada
com CCA. Com o surgimento de novos materiais, a madeira tratada com CCA tem sido substituída,
gerando assim uma grande quantidade de madeira tratada com CCA descartada. A disposição
deste resíduo em aterros não é uma destinação adequada, tendo em vista a presença dos metais
usados para o seu tratamento. A gaseificação é um processo de conversão térmica para produzir, a
partir de biomassa, um gás com elevado poder calorífico. O presente trabalho tem o objetivo de
realizar estudos sobre a gaseificação da madeira tratada com CCA em leito fluidizado. A
transferência de calor e massa é mais eficiente em reatores de leito fluidizado em relação a outros
tipos de reatores (em especial, o leito fixo). Serão realizados experimentos na presença de
compostos de cálcio e alumínio, com a finalidade de manter os metais (As, Cu e Cr) na fase
particulada. Após os experimentos de gaseificação, serão analisados o poder calorífico do gás, a
concentração de metais (As, Cr e Cu) no gás e nas cinzas, além da quantificação de alcatrão
formado.

Palavras-chave: Madeira tratada com CCA, Gaseificação, Leito fluidizado.

Apoio: UCS, CPFL

XIX Encontro de Jovens Pesquisadores - Novembro de 2011
Universidade de Caxias do Sul

Matéria artificial é alterada em tempo real

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/04/2014

Ilustração artística do conceito do metamaterial ativo (esquerda) e microfotografia das nanoesferas reais utilizadas no experimento (direita).[Imagem: Mihai Caleap/University of Bristol]

 

Ganhando visibilidade

Quando surgiram, há poucos anos, os metamateriais suscitaram muitos olhares atravessados, principalmente porque nasceram associados com uma aplicação que parecia brincadeira: mantos da invisibilidade, como os que então faziam sucesso nos livros e filmes de Harry Potter.

Mas os resultados promissores exigiram pouco tempo para que essa área emergente - conhecida tecnicamente como óptica transformacional - ganhasse respeito e ares de seriedade.

No feito mais recente da área, por exemplo, o primeiro manto da invisibilidade contra terremotos mostrou que funciona de verdade.

Agora as possibilidades de criação de novos tipos de matéria artificial ampliaram-se ainda mais - na verdade, ampliaram-se de uma forma cujo alcance ainda é difícil de prever.

Recristalização em tempo real

Pesquisadores demonstraram que é possível alterar dinamicamente e em tempo real a geometria de cristais coloidais que funcionam como "átomos artificiais" que formam o metamaterial - o metamaterial usado é um "cristal fonônico", que manipula ondas acústicas.

Alterar essas unidades básicas em tempo real significa que passa a ser possível definir as propriedades dessa metamatéria em tempo real.

É algo como se você pudesse alterar a estrutura cristalina de um sólido e, ao apertar de um botão, fizesse com que ele passasse de uma cerâmica para um metal, daí para um vidro, de volta para a cerâmica, e assim por diante - no caso do metamaterial, ao se alterar sua "rede cristalina", o que se altera é a forma como essa matéria artificial influencia as ondas que a atingem.

"Nós estamos trabalhando em sistemas que são reconfiguráveis em tempo real, a fim de criar metamateriais genuinamente ativos," disse o Dr. Miahi Caleap, da Universidade de Bristol, no Reino Unido.

"Esses materiais vão dar aos pesquisadores um controle sem precedentes sobre uma vasta gama de fenômenos acústicos e ópticos. Até agora, embora existam numerosos exemplos de metamateriais, nenhum deles é reconfigurável em três dimensões," completou ele.

Projeto de uma camuflagem acústica usando o cristal fonônico ajustável em tempo real. [Imagem: Mihai Caleap/University of Bristol]

Barreiras acústicas, lentes, camuflagens...

Caleap e seu colega Bruce Drinkwater usaram um dispositivo acústico para controlar microesferas em suspensão em padrões que lembram a forma como os átomos formam estruturas cristalinas nos sólidos - é por isso que ele é chamado de cristal fonônico.

Quando a posição das microesferas é alterada, o que pode ser feito em tempo real, o metamaterial muda suas características, alterando a forma como ele filtra as ondas acústicas.

A prova de conceito demonstra que é possível construir matérias artificiais para manipular ondas acústicas e ópticas com comprimentos de onda na escala de micrômetros até metros, o que é adequado para criar barreiras acústicas que podem ser otimizadas de acordo com o ruído ou filtros para imageamento terahertz, entre inúmeras outras possibilidades.

Segundo os pesquisadores, já é possível também vislumbrar a criação de lentes e camuflagens reconfiguráveis em tempo real, embora mais desenvolvimentos sejam necessários para fazê-las operar na faixa do visível.

"O método vai funcionar em uma vasta gama de materiais, em praticamente qualquer combinação de fluidos e sólidos. Ele também vai permitir montar qualquer geometria, e é barato e fácil de integrar com outros sistemas," completou Drinkwater.

Madrepérola inspira criação de cerâmica superdura

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/04/2014

Estrutura da madrepérola natural (em cima) e da sintética (embaixo), na mesma escala. A estrutura modular empilhada é claramente visível nos dois casos. [Imagem: Sylvain Deville/Florian Bouville/LSFC]

 

Cerâmica superdura

Em 2008, cientistas norte-americanos fabricaram a cerâmica mais dura do mundo imitando a madrepérola.

Agora, uma equipe francesa fez isto de novo, com ganhos em relação ao material anterior, e ainda com acréscimos.

Florian Bouville e seus colegas do CNRS aumentaram ainda mais a dureza e a resistência da cerâmica, e ainda fizeram isto em um processo que pode ser aplicado industrialmente.

O novo material bioinspirado, quase 10 vezes mais forte do que uma cerâmica convencional, é o resultado de um processo de fabricação inovador que inclui uma etapa de congelamento.

A madrepérola artificial mantém suas propriedades até 600° C, o que a torna adequada para uma grande variedade de aplicações na indústria, incluindo motores de automóveis e geradores de energia.

A blindagem é outra aplicação natural de um material tão duro.

Madrepérola artificial

A madrepérola, que recobre as conchas de vários moluscos, é 95% composta de carbonato de cálcio na forma de um mineral chamado aragonita.

O que a torna tão dura é a sua estrutura interna hierárquica, semelhante a uma pilha de tijolos em um formato complexo, soldados entre si por uma argamassa composta de proteínas.

Para fabricar uma madrepérola artificial, os pesquisadores usaram como ingrediente principal a alumina, um material cerâmico comum, cujos grânulos têm o formato de plaquetas microscópicas.

O pó de alumina foi dissolvido em água, produzindo uma suspensão coloidal que foi esfriada para induzir o crescimento controlado de cristais do mineral, fazendo com que a alumina se automontasse na forma de pilhas de plaquetas.

O material final foi obtido depois de uma etapa final de densificação a alta temperatura.

Esta madrepérola artificial é 10 vezes mais resistente do que uma cerâmica de alumina convencional porque, para se espalhar, uma trinca precisa se mover em torno dos "tijolos" de alumina, um a um. Como este caminho forma um ziguezague, a trinca tem dificuldade de atravessar o material.

Outras cerâmicas

Uma das vantagens do processo é que ele não é exclusivo da alumina.

Segundo os pesquisadores, qualquer pó de cerâmica cujos grânulos assumirem a forma de plaquetas pode ser utilizado no processo, que pode ser implementado facilmente em escala industrial.

A tenacidade deste material bioinspirado poderá permitir fabricar peças menores e mais leves, sem aumento significativo dos custos em relação aos materiais atuais.

A madrepérola já serviu de inspiração também para a criação de um vidro quase inquebrável.

Diamano: Como fazer grafite virar diamante sem fazer força

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/02/2014

O roteiro estabelece as condições para a sintetização do diamano, ou diamante plano, a partir do grafeno. [Imagem: Pavel Sorokin/TISNCM]

 

Diamano

Folhas de diamante perfeitas e muito finas podem ser produzidas sem as gigantescas pressões que criam as gemas naturais ou os diamantes sintéticos.

Os experimentos ainda estão no princípio, mas alguns pesquisadores já acreditam ter detectado o que seriam sinais do que eles chamam de "diamano", um diamante plano.

O diamano é uma estrutura extremamente fina, com poucos átomos de espessura, mas que preserva todas as excepcionais propriedades termais e semicondutoras do diamante.

Para ajudar nessa busca, pesquisadores dos EUA e da Rússia, trabalhando conjuntamente, calcularam um diagrama de fase, uma "receita" para a sintetização das folhas de diamante.

O diagrama mostra as condições - temperatura, pressão e outros fatores - que são necessários para transformar uma série de folhas empilhadas de grafeno em diamano - tanto o grafeno como o diamante são formados unicamente por átomos de carbono, dispostos em estruturas cristalinas diferentes.

O que mais surpreendeu é que, segundo o roteiro, o diamano pode ser produzido de forma inteiramente química, em algumas circunstâncias sob pressão atmosférica - a nova variável que parece ter tirado a pressão do circuito é a quantidade de camadas de grafeno utilizadas.

"Quando você tem várias camadas, você consegue um efeito dominó, no qual o hidrogênio começa uma reação no topo e se propaga através do sistema de carbono," explicou o professor Boris Yakobson. "Quando ele atravessa tudo, a transição de fase está completa e a estrutura cristalina resultante é a do diamante."

A equipe é a mesma que há poucos dias previu a sintetização do carbino, que poderá ser o novo material mais forte do mundo.

Para se tornar realidade, o diamante plano ainda terá que vencer o desafio da barreira à nucleação. [Imagem: DOI: 10.1021/nl403938g]

Barreira à nucleação

Agora os experimentalistas vão ter que testar tudo em laboratório, torcendo para que não surja pelo caminho um problema conhecido como "barreira à nucleação" que, se for alta demais, pode impedir a transição de fase - para o carbono é muito mais fácil cristalizar-se como grafite do que como diamante.

"Termodinamicamente, um diamante pode virar grafite, mas isso não acontece exatamente por causa da barreira de nucleação. Então, às vezes, ela é útil. Mas, se quisermos fabricar diamante plano, vamos precisar descobrir meios de contornar essa barreira," disse Yakobson.

Se tudo der certo, o diamante plano será mais uma estrela no crescente mundo dos materiais "bidimensionais", que recentemente foi brindado com a chegada dofosforeno e que logo poderá contar também com o estaneno.

"O diamano tem uma ampla gama potencial de aplicação," disse Yakobson. "Ele pode ser aplicado como películas dielétricas muito finas e duras em nanocapacitores ou em componentes nanoeletrônicos rígidos. Além disso, o diamano tem potencial para aplicação em nano-óptica."