Transístor atômico "perfeito" acelera miniaturização

Eletrônico e quântico

Cientistas australianos criaram um transístor atômico, totalmente funcional, e fabricado com uma precisão inédita.

O transístor ultra-miniaturizado consiste em um único átomo de fósforo colocado caprichosamente sobre um cristal de silício com poucos átomos de largura.

Nas extremidades da pastilha de silício são colocados os eletrodos e a porta de controle, tudo em escala atômica.

Todo o conjunto estando em escala atômica significa que o novo componente é tão importante para a computação quântica quanto para a computação eletrônica tradicional.

Transistores atômicos

Já foram criados diversos tipos de transistores atômicos antes, mas todos dependiam de uma certa dose de acaso durante os experimentos, já que a manipulação de átomos individuais é muito difícil.

Isso significa que, nos experimentos anteriores, os cientistas tinham que construir inúmeros dispositivos, até encontrar um que funcionasse.

"Mas esse componente é perfeito," garante a Dra. Michelle Simmons, da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália. "Esta é a primeira vez que se demonstrou o controle de um átomo individual sobre um substrato com esse nível de precisão.

Se o atual ritmo de miniaturização se mantiver, os transistores deverão atingir a escala atômica por volta de 2020. [Imagem: Fuechsle et al./Nature Nanotechnology]

Manipulação de átomos

Depois que o transístor fica pronto, sob o microscópio eletrônico, "é possível ver até as minúsculas marcas escavadas na sua superfície," garante o Dr. Martin Fuechsle, coautor do trabalho.

É nessas saliências que os eletrodos são colocados, para que a tensão seja fornecida e o transístor funcione. Estas estruturas são fabricadas por uma espécie de litografia, a técnica padrão usada pela indústria eletrônica.

"Nosso grupo provou que é realmente possível posicionar um átomo de fósforo em um ambiente de silício - exatamente como precisamos - juntamente com as portas de controle," comemora Fuechsle.

E há mesmo motivos para comemoração: o transístor atômico apresentou características eletrônicas que confirmam uma previsão recente, e surpreendente, de que a Lei de Ohm funciona em escala atômica.

Eletrônica em escala atômica

Se o atual ritmo de miniaturização se mantiver, os transistores deverão atingir a escala atômica por volta de 2020.

Enquanto os chips mais modernos no mercado possuem transistores de 32 nanômetros, o átomo de fósforo usado neste transístor atômico mede 0,1 nanômetro.

Embora o protótipo de um transístor atômico agora já esteja pronto, sua construção depende de aparatos como o microscópio de força atômica, o que significa que a técnica ainda não é totalmente adequada para a fabricação de componentes eletrônicos em larga escala. E, para funcionar, ele deve ser mantido a uma temperatura de -196 ºC.

Mas talvez esta seja uma das primeiras demonstrações de uma das grandes promessas da nanotecnologia, a de que é possível manipular átomos para construir dispositivos úteis.

O transístor atômico também pode representar a fronteira final da eletrônica como a conhecemos, a partir de onde já se entra no reino da spintrônica e da computação quântica.

Bibliografia:

A single-atom transistor
Martin Fuechsle, Jill A. Miwa, Suddhasatta Mahapatra, Hoon Ryu, Sunhee Lee, Oliver Warschkow, Lloyd C. L. Hollenberg, Gerhard Klimeck, Michelle Y. Simmons
Nature Nanotechnology
19 February 2012
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2012.21

Nanorrobôs de DNA dão primeiros passos rumo à luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/02/2012

O nanorrobô de DNA (fechado, no alto à esquerda) é um grande avanço em relação às nanopartículas porque ele se abre automaticamente quando encontra a célula que está procurando. [Imagem: Campbell Strong/Shawn Douglas/Gael McGill]

Carregador de medicamentos

Pesquisadores construíram um nanorrobô de DNA que transporta pequenas cargas até células individuais, de forma a controlar ou alterar seu funcionamento.

Capaz de carregar diferentes doses de moléculas até as células-alvo, o nanorrobô representa um grande avanço em relação aos atuais sistemas de transporte de medicamentos no interior do corpo, que geralmente se baseiam em nanopartículas.

O maior interesse dos pesquisadores é enviar moléculas para células de câncer, para que estas disparem seu processo de autodestruição, chamado apoptose.

Shawn Douglas e seus colegas da Universidade de Harvard usaram uma técnica chamada origami de DNA, que dobra as fitas de DNA para criar formatos 3D complexos.

Nanorrobô-barril

O nanorrobô tem um formato hexagonal, que lembra um barril, com as duas metades unidas por uma "dobradiça".

Fitas especiais de DNA mantêm-no fechado, guardando as moléculas do medicamento em seu interior.

Quando essas fitas de DNA, que fecham o depósito, encontram as proteínas para as quais foram projetadas, elas se reconfiguram, fazendo com que as duas metades do barril se abram, liberando o medicamento.

Nos testes, o nanorrobô se mostrou capaz de reconhecer as células de dois tipos de câncer, a leucemia e o linfoma.

Navegando com a corrente

O nanorrobô de DNA é um grande avanço em relação às nanopartículas porque ele age automaticamente quando encontra a célula que está procurando.

As nanopartículas geralmente grudam na célula, e ficam esperando um comando externo, que pode vir na forma de luz, calor ou um campo magnético.

Mas o nanorrobô da equipe de Harvard ainda tem uma deficiência: ele precisa ser solto na corrente sanguínea, e literalmente navega com a corrente, de forma totalmente passiva, já que não tem motores.

As pernas do nanorrobô firmam-se em ligações químicas frágeis sobre uma espécie de trilho, também feito de DNA, e estas ligações são controladas por luzes de diferentes cores, como um semáforo. [Imagem: Wiley]

Caminhando para a luz

Mingxu You e seus colegas da Universidade da Flórida deram um passo adiante - ou melhor, vários passos adiante.

Eles construíram um nanorrobô de DNA bípede, que anda sozinho, controlado por luz.

Já existem nanorrobôs de DNA que andam, e até nanorrobôs que podem ser programados, mas todos eles se movimentam acionados por reações químicas, o que é um processo muito demorado e trabalhoso, ainda distante de qualquer aplicação prática.

Por exemplo, uma vez suprido o componente químico que faz o nanorrobô andar, ele vai andar até que seu "combustível" acabe.

Já a luz possibilita um controle muito mais preciso e flexível, permitindo que o robô ande e pare quando for necessário, além de oferecer uma resolução espacial muito mais elevada.

Nanorrobôs andarilhos

As pernas do nanorrobô firmam-se em ligações químicas frágeis sobre uma espécie de trilho, também feito de DNA.

A luz de diferentes cores libera cada uma das pernas alternadamente, permitindo que o robô ande.

Até agora o novo nanorrobô só conseguiu fazer caminhadas de 21 nanômetros de extensão, mas os pesquisadores afirmam que isto é apenas uma prova de conceito, e que ele vai andar muito mais no futuro.

E eles estão sonhando alto: "No futuro, nós queremos demonstrar aplicações reais desses nanorrobôs andarilhos, tais como o transporte de cargas, a sintetização de novos materiais e o controle de processos biológicos," afirmou Weihong Tan, coordenador da equipe.

Bibliografia:

A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads
Shawn M. Douglas, Ido Bachelet, George M. Church
Science
1 Feb 2012
Vol.: 335 - 831-834
DOI: 10.1126/science.1214081

An Autonomous and Controllable Light-Driven DNA Walking Device
Mingxu You, Yan Chen, Xiaobing Zhang, Haipeng Liu, Ruowen Wang, Kelong Wang, Kathryn R. Williams, Weihong Tan
Angewandte Chemie International Edition
Vol.: Early View
DOI: 10.1002/anie.201107733

A menor memória magnética do mundo.

A menor memória magnética do mundo.

Pesquisadores da IBM e do CFEL (Center for Free-Electron Laser Science), de Hamburgo, Alemanha, construíram a menor unidade de memória magnética do mundo. Os cientistas têm necessidade de apenas 12 átomos para estocar um bit, a unidade de base da informação. Um octeto (8 bits) pode assim ser inserido com 96 átomos. A título de comparação, os discos duros modernos utilizam pelo menos meio bilhão de átomos para gravar um octeto. O grupo - dirigido pelo pesquisador da IBM Hambourg Heinrich Andreas e o pesquisador do CFEL Sebastian Loth -, apresentou sua inovação na revista Science de janeiro. Para lembrar, o CFEL é uma instituição baseada na colaboração entre o síncrotron de elétrons alemão DESY, a Sociedade Max Planck e a Universidade de Hamburgo.

Para desenvolver sua memória nanométrica, os pesquisadores tinham desenvolvido um esquema regular de átomos de ferro, com a ajuda de um microscópio de varredura por tunelamento. Cada uma das duas cadeias de seis átomos de ferro pôde, então, gravar um bit, um octeto (8 bits) necessitando, neste caso, quatro vezes 16 nanômetros. "Isto representa uma densidade de armazenamento 100 vezes maior que sobre um disco duro moderno", declarou Sebastian Loth.

Ordenamento antiferromagnético de uma matriz de doze átomos de ferro, observado com um microscópio de tunelamento. A cadeia dupla de doze átomos de ferro usada nos experimentos é a menor unidade de armazenamento para um bit.
Créditos: DESY.

Os pesquisadores conseguiram, pela primeira vez, utilizar uma forma particular de magnetismo - o antiferromagnetismo -, para armazenar as informações. Contrariamente ao ferromagnetismo, utilizado nos discos duros tradicionais, o movimento cinético dos átomos vizinhos (o spin) é aqui colocado em direções opostas. Isto torna o material magneticamente neutro e os elementos de armazenagem podem ser colocados bem mais próximos: os bits individuais são separados por uma distância de apenas um nanômetro.

DESY (Tradução - MIA).

Nota do Scientific Editor: o artigo que deu origem a esta notícia de título:"Bistability in atomic-scale antiferromagnets", de autoria de Sebastian Loth, Susanne Baumann, Christopher P. Lutz, D. M. Eigler and Andreas J. Heinrich, foi publicado no periódico Science, 13-January, págs. 196-199, 2012.

Microfoguete a hidrogênio poderá navegar pelo estômago humano

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/02/2012

A ideia é transportar medicamentos, ou contrastes para a geração de imagens médicas, no interior do corpo humano. [Imagem: Gao et al.]

Fabricando o próprio combustível

Há cerca de um ano, cientistas apresentaram ummicrofoguete capaz de navegar pelo sangue e capturar células doentes.

Embora o conceito seja extremamente atraente, lembrando a ficção científica, o pequeno foguete submarino tinha uma deficiência grave.

O combustível do seu motor foguete, o peróxido de hidrogênio, precisava ser adicionado ao fluido onde o pequeno veículo vai navegar, o que inviabilizava seu uso diretamente no interior de um ser vivo.

Agora a mesma equipe resolveu este problema, construindo um novo tipo de motor foguete que consegue se movimentar por ambientes extremamente ácidos, como o estômago humano, sem qualquer fonte externa de combustível.

O microfoguete é extremamente rápido: proporcionalmente às suas medidas, sua velocidade equivale a um ser humano correndo a 640 km/h.

Microfoguete a hidrogênio

Joseph Wang e seus colegas reafirmam em seu novo trabalho que motores em micro ou nano-escala podem ser aplicados no carreamento de medicamentos no interior do corpo humano, ou de contrastes para a geração de imagens médicas, ou em aplicações industriais, como no monitoramento de processos de fabricação.

Todas as técnicas testadas no micro-submarino anterior, incluindo a carga de moléculas capazes de se ligar a células doentes, funcionam também neste novo modelo.

O interior de zinco do microfoguete gera microbolhas de hidrogênio que, ao escapar pelo bocal traseiro, impulsionam o foguete em alta velocidade pelo meio líquido. [Imagem: Gao et al.]

Essas possibilidades ficam mais próximas da realidade com o novo microfoguete, que dispensa combustível externo e que é capaz de navegar em ambientes ácidos.

Na verdade, ao dispensar o peróxido de hidrogênio, o novo motor foguete passa a depender dos ácidos para gerar seu combustível, o hidrogênio.

Foguete magnético

O microfoguete foi testado com êxito em vários ambientes ácidos, além do soro do sangue humano acidificado artificialmente, tudo em laboratório - não ainda em um ser vivo.

Nessas condições, seu interior de zinco gera microbolhas de hidrogênio que, ao escapar pelo seu bocal traseiro, impulsionam o foguete em alta velocidade - ele percorre uma distância equivalente a 100 vezes o seu próprio comprimento em 1 segundo.

Os cientistas também já testaram uma versão do microfoguete encapado com um revestimento magnético, o que permite que o microfoguete seja guiado até pontos específicos por um campo magnético externo.

Bibliografia:

Hydrogen-Bubble-Propelled Zinc-Based Microrockets in Strongly Acidic Media
Wei Gao, Aysegul Uygun, Joseph Wang
Angewandte Chemie International Edition
Vol.: 134 (2), pp 897-900
DOI: 10.1021/ja210874s

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Nanopartículas brasileiras: mineração, reciclagem e energia solar

Com informações da Agência USP - 06/02/2012

"As nanopartículas aqui dentro valem mais do que se esse frasco fosse feito de ouro maciço," exemplifica o professor Toma.[Imagem: USP]

Nanopartículas na mineração

"O estudo de nanopartículas é uma ciência de fronteiras", garante o professor Henrique Eisi Toma, do Instituto de Química da USP.

O especialista trabalha há mais de 10 anos com nanotecnologia e afirma que as nanopartículas podem ser utilizadas pela mineração, indústria petroquímica, metalurgia e até para a geração de energia solar.

Mas o grupo de Toma está especialmente concentrado na utilização das nanopartículas no campo da exploração mineral.

Os pesquisadores estão trabalhando com nanopartículas feitas de magnetita, um material naturalmente magnético, mas que, quando na forma nanométrica, se torna um super-ímã.

"Hoje, quando se extrai cobre, é preciso jogar ácido ou bactérias no minério, para que saia um líquido contendo o cobre. Esse líquido vai para um tanque em que se jogam solventes, reagentes e extrai-se o cobre, que vai em seguida para uma câmara, onde recebe um potencial e torna-se metálico", descreve o professor.

Porém, com o uso de nanopartículas magnéticas, esse processo pode ser reduzido a uma única etapa.

"É possível colocá-las no minério de cobre para que grudem ao material, então se aplica um potencial e o cobre se torna, instantaneamente, metálico," explica.

O processo é chamado "nanohidrometalurgia magnética" e pode, segundo Toma, representar uma economia de milhões de reais anualmente.

Além disso, a preocupação ambiental também pode influenciar a adoção deste novo método na exploração de minerais: "No futuro, os processos envolvendo a queima de minérios será banida. Hoje buscam-se métodos brandos, em temperatura ambiente, que não poluam e que sejam cíclicos - e esse processo é perfeito."

Com as nanopartículas pode ser possível tornar o petróleo magnético e movimentá-lo, aumentando o rendimento dos poços. [Imagem: USP]

Petróleo magnético

Outra aplicação das nanopartículas no campo da mineração, e cujo estudo está se iniciando, é na área petrolífera.

Hoje, apenas uma parte do petróleo existente nas rochas porosas dos depósitos petrolíferos pode ser extraída.

"Mas com as nanopartículas pode ser possível tornar o petróleo magnético e movimentá-lo," prevê o pesquisador, que está estudando formas de literalmente puxar o petróleo para fora das rochas usando magnetismo.

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Além disso, estas nanopartículas podem ser utilizadas para realizar separação de componentes químicos na indústria petrolífera.

"Pode-se separar os gases saturados dos insaturados com uma membrana. Os insaturados interagem com as nanopartículas e passam por ela, os saturados, não", declara o professor, acrescentando que este método é mais limpo e econômico que o atual.

"O processo de separação utilizado hoje necessita de uma torre enorme, gasta uma quantidade absurda de energia e polui muito o ambiente," diz ele. A pesquisa, realizada em conjunto com a Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), está patenteada pela Petrobrás e encontra-se em fase de testes-piloto.

Reciclagem magnética

Também é possível facilitar a reciclagem de materiais, como por exemplo, circuitos eletrônicos.

O grupo também está pesquisando o uso das nanopartículas na área de células solares orgânicas. [Imagem: Pedro Bolle/USP Imagens]

"Eles estão cheios de cobre e outros metais. Então é possível funcionalizar a partícula para atrair cada metal específico e depois retirá-los com um ímã," declara o professor.

Esta pesquisa já foi patenteada, e o professor busca agora empresas ligadas à metalurgia interessadas em financiar os avanços dos estudos.

O mesmo princípio poderá ser adotado na coleta de poluentes em lagos e rios, bastando para isso funcionalizar as moléculas para que elas se liguem aos poluentes que se deseja retirar.

Energia do futuro

O grupo de Toma também está realizando pesquisas na área de células solares orgânicas, utilizando nanopartículas de dióxido de titânio.

Com dois pequenos filetes de vidro pintados e colados, o professor criou umacélula solar que funcionou pelo período de um ano girando um pequeno ventilador.

"É uma conversão química de energia. Nós desenvolvemos o corante que capta a luz e injeta os elétrons, as porfirinas modificadas," conta o professor, que sonha em ter sua pesquisa indo além dos simples testes laboratoriais.

Para tanto, submeteu um grande projeto para buscar financiamento de empresas. "Nós queremos transformar todas as janelas em dispositivos de captação de energia. Essa pode ser a energia do futuro," declara.