Uma nova forma de armazenar o calor do Sol

Nanotubos de carbono são combinados com um composto chamado azobenzeno para criar um sistema que captura e armazena o calor do Sol. [Imagem: Grossman/Kolpak]

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), anunciaram o desenvolvimento de uma tecnologia que usa nanotubos de carbono para armazenar a energia solar "indefinidamente", de forma química.

Este é um objetivo longamente perseguido pelos cientistas, uma vez que a energia solar poderá ser captada e armazenada para uso quando o Sol não estiver brilhando.

O armazenamento em baterias não é viável em larga escala, devido aos elevados custos e à capacidade limitada das baterias atuais.

Armazenamento termoquímico

Jeffrey Grossman e Alexie Kolpak partiram então para o armazenamento do calor captado do Sol de forma química - além de não apresentar um "limite de carregamento", como as baterias elétricas, ao contrário dessas, o material químico não se descarrega ao longo do tempo.

O problema com essa abordagem é que, até agora, os compostos químicos usados para converter a energia solar em energia química e armazená-la degradam-se depois de alguns poucos ciclos de carga e descarga, ou usam o raro e caro metal rutênio. E, ainda assim, não são nada eficientes.

Os dois pesquisadores criaram uma solução alternativa usando nanotubos de carbono, combinados com um composto chamado azobenzeno.

As moléculas resultantes, sintetizadas dentro de nanomoldes para dar-lhes formato e ajustar sua estrutura física, "ganha novas propriedades que não estão presentes nos materiais separados," afirmam os pesquisadores.

Bateria de calor recarregável

O armazenamento termoquímico da energia solar utiliza uma molécula cuja estrutura se altera quando exposta à luz do Sol, podendo permanecer estável nessa nova estrutura de forma praticamente indefinida.

Esquema de funcionamento do sistema de armazenamento de calor do Sol na forma termoquímica. [Imagem: Kolpak/NanoLetters]

Quando a energia é necessária, a molécula é forçada a voltar ao seu estado natural, seja por um catalisador, uma alteração de temperatura ou mesmo um disparo de luz. Ao retornar à sua estrutura anterior, a energia armazenada é liberada na forma de calor.

Ou seja, os pesquisadores criaram uma bateria de calor recarregável, combinando a captura da energia e seu armazenamento em um mesmo material.

Densidade energética

O novo material não apenas é muito mais barato - ao substituir o rutênio por carbono - como também é muito mais eficiente no armazenamento de energia por volume, mostrando-se 10.000 vezes mais eficiente do que os materiais desenvolvidos até agora.

Isso faz com que o armazenamento termoquímico atinja uma densidade energética similar à das baterias de íons de lítio.

Ainda assim, o material não é eficiente para qualquer uso.

O processo parece promissor para aplicações onde o calor é necessário diretamente, uma vez que, para a geração de eletricidade, seria necessário o uso de outro processo de conversão, usando materiais termoelétricos ou produzindo vapor para acionar um gerador.

Isso diminuiria bastante a eficiência geral do sistema.

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Laser imprime depósito de energia

O "depósito de energia", o supercapacitor, pode adicionalmente receber um eletrólito externo, o que eleva sua capacidade. [Imagem: Gao et al./Nature]

Pesquisadores da Universidade Rice, nos Estados Unidos, desenvolveram uma técnica para criar supercapacitoresescrevendo com um laser em uma folha flexível de grafite.

Imprimindo capacitores

Supercapacitores são dispositivos de armazenamento de energia elétrica capazes de liberar uma grande quantidade de energia em um curto período de tempo, ao contrário das baterias, que liberam sua energia lentamente.

Hoje, sua construção exige que dois eletrodos condutores sejam separados por um material isolante, que contém o eletrólito.

Mas a equipe do Dr. Pulickel Ajayan descobriu como fazer isso usando apenas uma folha de óxido de grafite e um raio laser, dispensando qualquer processo de montagem.

Os cientistas já sabiam que o calor de um laser pode converter o óxido de grafite, que é isolante, em óxido de grafite reduzido, que é um condutor.

O que ninguém havia pensado até agora era em usar o laser para "desenhar" o supercapacitor diretamente em uma folha de óxido de grafite, criando os componentes de óxido de grafite reduzido em um único passo.

Condutor iônico

Eventualmente alguém tenha pensado nisso, mas não tenha descoberto que o óxido de grafite, quando hidratado, pode aprisionar íons e funcionar tanto como um eletrólito sólido quanto como uma camada separadora isolante.

"Isto é muito fácil de fazer, já que o óxido de grafite absorve a água como uma esponja, e consegue assimilar até 16% do seu peso," explica Wei Gao, principal autor da pesquisa.

"A descoberta fundamental aqui é que o óxido de grafite, quando contém água, funciona como um condutor iônico," complementa o Dr. Ajayan.

Isto permite que o supercapacitor seja inteiramente construído em um único passo, usando o laser para escrever o componente sobre uma folha de óxido de grafite hidratado.

O "depósito de energia" pode adicionalmente receber um eletrólito externo, o que eleva sua capacidade.

Vantagens e desvantagens

Um supercapacitor tem várias vantagens em relação a uma bateria, incluindo ciclos de carga/descarga virtualmente infinitos, baixa perda elétrica e grande capacidade de armazenamento.

Mas tem também uma grande deficiência: sua energia é liberada praticamente de uma só vez, o que o torna inadequado para alimentar equipamentos que devem funcionar por longos períodos.

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Flexoeletricidade: cristal sintético é produzido para gerar energia

A posição de um microscópio de força atômica é controlada por um "motor" piezoelétrico. Mas os dispositivos flexoelétricos poderão ser ainda mais importantes no posicionamento em nanoescala agora que os cientistas descobriram como fabricá-los com precisão. [Imagem: Wikimedia Commons]

Flexibilidade incorporada

Alguns materiais produzem um campo elétrico quando você os dobra - um fenômeno chamado efeito flexoelétrico.

Mas esse efeito era pequeno demais para que se pensasse em aplicações tecnológicas para ele.

Agora, uma equipe coreana descobriu como gerar um grande efeito flexoelétrico a partir de uma fina película fabricada com uma "flexibilidade incorporada".

Eles também descobriram como variar o grau dessa capacidade de flexão e, portanto, a força do campo elétrico gerado.

O efeito pode ser surpreendentemente forte, o bastante para ser útil em sensores e atuadores em nanoescala, como os necessários para movimentar MEMSe micro e nano robôs.

Efeito piezoelétrico

O efeito flexoelétrico é o primo mais novo do já bem conhecido efeito piezoelétrico, em que determinados sólidos desenvolvem um campo elétrico interno quando são comprimidos ou esticados.

O fenômeno tem-se mostrado útil em inúmeros dispositivos, de microscópios eletrônicos de tunelamento e nanogeradoresa isqueiros e acendedores de fogão.

Mas ele só ocorre em 20 das 32 classes de simetria de cristais que os cientistas usam para classificar os materiais sólidos.

Materiais que geram um campo elétrico ao serem dobrados, por outro lado, podem ter qualquer classe de simetria.

Efeito flexoelétrico

Flexionar um cristal estica cada uma das suas camadas atômicas em uma intensidade ligeiramente diferente, sendo a camada externa da superfície curvada a que mais se estica.

Esse "gradiente de tensão" pode movimentar alguns íons no cristal o suficiente para gerar um campo elétrico.

O efeito tem sido observado em materiais flexíveis, como os cristais líquidos, ografeno e até mesmo no cabelo, mas nunca forte o suficiente em um sólido comum para ser útil.

Em vez de começar com um material flexível e dobrá-lo, Tae Won Noh e seus colegas da Universidade Nacional de Seul, na Coreia, construíram o gradiente de pressão diretamente em seu cristal.

A equipe cresceu filmes finos de óxido de manganês e hólmio (HoMnO3), um material que é ferroelétrico, o que significa que ele pode manter um campo elétrico permanente, assim como um material ferromagnético mantém um campo magnético.

Os átomos de cada camada sucessiva, que se condensaram a partir do vapor, ficaram ligeiramente mais próximos uns dos outros do que a camada abaixo. [Imagem: Lee et al./PRL]

Configurando o material

A forma padrão para construir um gradiente de tensão em um filme é fazê-lo crescer camada por camada sobre uma superfície, com os átomos espaçados de forma ligeiramente diferente do cristal "nativo", sobre o qual o material está sendo crescido.

A equipe usou uma superfície de safira, cujo espaçamento atômico é 3,5 por cento maior do que no HoMnO3. Os átomos de cada camada sucessiva, que se condensaram a partir do vapor, ficaram ligeiramente mais próximos uns dos outros do que a camada abaixo, mas esse "relaxamento" em relação ao espaçamento natural variou drasticamente, dependendo da quantidade de oxigênio presente na câmara.

Com baixo teor de oxigênio, o filme formou-se com muitos pontos sem esse elemento, o que reduziu sua capacidade de "apertar" seu espaçamento atômico com a crescente espessura do filme. Assim, o espaçamento da camada superior foi muito maior do que nos filmes gerados com alto teor de oxigênio.

Usando difração de raios X, a equipe detectou gradientes de tensão 10 milhões de vezes maiores do que já havia sido detectado em tiras macroscópicas de materiais semelhantes. Este gradiente de pressão gigantesco produziu um grande campo elétrico através do efeito flexoelétrico.

Normalmente, o campo elétrico dentro de um material ferroelétrico não é uniforme - o material se divide em zonas, cada uma com um campo em uma direção específica.

A equipe capturou imagens destes domínios, que mostraram que o efeito flexoelétrico era forte o suficiente em altas temperaturas, nas amostras com alto teor de oxigênio, para gerar um único domínio no filme.

Mas filmes cultivados em ambiente mais pobre de oxigênio - portanto, com menores gradientes de tensão - apresentaram um efeito menor sobre os domínios e outras propriedades ferroelétricas. Assim, controlar o nível de oxigênio, é a chave para "ajustar" as propriedades do material.

"Você pode usar este campo elétrico para controlar as propriedades físicas do seu sistema", diz Noh. "Ninguém tinha usado o efeito flexoelétrico para controlar esses tipos de propriedades."

Flexoeletricidade

Noh afirma que filmes tensionáveis já existem há décadas, mas ninguém havia prestado atenção no seu efeito flexoelétrico: "Nós estamos dizendo a quem trabalha na área: 'Olhe para eles. Prestem atenção nessas propriedades'."

O principal resultado é que as condições atmosféricas durante o crescimento dos filmes afetam sua flexoeletricidade, comenta Gustau Catalan, do Centro de Pesquisas em Nanociência e Nanotecnologia da Espanha.

"A flexoeletricidade pode, portanto, ser controlada por meio de uma escolha cuidadosa das condições de crescimento, permitindo o ajuste de uma propriedade física importante," diz ele.

Noh afirma que a expectativa é que a piezoeletricidade seja importante nos futuros motores em nanoescala e em memórias para computador. Igualmente, nas magnitudes agora alcançadas, os filmes flexoelétricos também poderão ser importante nesses dispositivos.

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Menor bateria de lítio do mundo é um único nanofio

As dimensões minúsculas são suficientes para tirar o título de menor bateria do mundo da versão construída há menos de um ano por pesquisadores dos Laboratórios Sandia. [Imagem: Ajayan Lab/Rice University]

Pesquisadores conseguiram miniaturizar uma bateria de íons de lítio ao que parece ser seu limite final.

Em conjunto com células solares ou sistemas de colheita de energia - as vibrações do ambiente, por exemplo - uma bateria recarregável amplia as possibilidades de uso das redes de sensores, equipamentos nanoeletrônicos e mesmo das atuais etiquetas RFID.

Menor bateria do mundo

Pulickel Ajayan e seus colegas da Universidade Rice, nos Estados Unidos, já haviam construído uma nanobateria 3D, feita com vários nanofios superpostos.

Agora eles levaram o conceito ao limite e demonstraram que é possível construir uma nanobateria de lítio em um único nanofio.

Os pesquisadores afirmam não ver como uma bateria possa ficar menor do que um nanofio e continuar totalmente funcional sem depender de aparatos externos. Ou seja, para eles, esta seria não apenas a menor bateria do mundo, como também a menor bateria de lítio que se pode construir.

Nanofio recarregável

A nanobateria é, a rigor, um dispositivo híbrido, uma mistura de bateria esupercapacitor.

Os cientistas construíram duas versões dela.

A primeira é um sanduíche formado por um anodo de níquel/estanho, um eletrólito de óxido de polietileno (PEO), e um catodo de polianilina.

Esse protótipo foi construído para provar que os íons de lítio movem-se de forma eficiente do anodo até o eletrólito e, em seguida, para o catodo.

O catodo é uma espécie de supercapacitor, que armazena os íons e dá ao dispositivo a capacidade de carga e descarga rápida.

A segunda versão coloca todos esses recursos em um único nanofio, medindo cerca de 150 nanômetros de diâmetro.

Os pesquisadores construíram milhares dessas nanobaterias em conjuntos cujas dimensões chegam à casa dos centímetros.

Ciclos de carga e recarga

Os testes foram feitos em conjuntos das baterias de nanofios medindo 50 micrômetros de comprimento.

Isto é suficiente para tirar o título de menor bateria do mundo da versão construída há menos de um ano por pesquisadores dos Laboratórios Sandia, também baseada em nanofios, mas que depende de um catodo externo para funcionar.

O protótipo ainda não é muito robusto, suportando apenas 20 ciclos de carga e recarga. É nisso que o grupo planeja trabalhar agora.

"Há muito a ser feito para otimizar esses dispositivos em termos de desempenho," afirmou Sanketh Gowda, que fez os experimentos. "A otimização do polímero separador e sua espessura, além do uso de eletrodos diferentes, poderá levar a novos melhoramentos."

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IBM bate recorde de acesso a dados

A IBM bateu todos os recordes de acesso a grandes conjuntos de dados.

O sistema leu 10 bilhões de arquivos em um único sistema em apenas 43 minutos.

O recorde anterior era de 1 bilhão de arquivos em 3 horas.

Sistema de arquivos paralelo

A solução é proprietária da IBM, um sistema de arquivos de acesso paralelo chamado GPFS (General Parallel File System ).

O recorde foi alcançado em um cluster de 10 computadores dotados de processadores de oito núcleos e drives de armazenamento de estado sólido - em substituição aos discos rígidos - com uma capacidade de 6,8 terabytes.

O algoritmo do GPFS permite a utilização plena de todos os núcleos dos processadores, em todas as máquinas, em todas as fases da tarefa - leitura dos dados, classificação e avaliação de regras.

Os aplicativos mantêm de forma sustentada - e não apenas picos - centenas de milhões de operações de entrada e saída de dados, enquanto o GPFS continuamente identifica, seleciona e classifica o conjunto correto de arquivos entre os 10 bilhões acessáveis no sistema.

Armazenamento unificado

A escala de crescimento obtida - um fator de 37 - aponta para a possibilidade de unificação dos ambientes de dados em uma única plataforma, em vez de sua distribuição por diversos sistemas, que precisam ser gerenciados separadamente.

Além do aumento na velocidade de acesso, o crescimento também aponta para a redução de custos no armazenamento de dados, evitando a aquisição de um número crescente de equipamentos.

Esse sistema de arquivos foi projetado para aplicações que exigem alta velocidade de acesso a grandes volumes de dados.

Entre essas aplicações estão mineração de dados, para determinar os comportamentos de compra de clientes, processamento de dados sísmicos, gestão de risco e análise financeira, modelagem do tempo e pesquisas científicas.

Novos negócios

As empresas estão continuamente sob pressão para transformar rapidamente seus dados em insights para novos e melhores negócios, mas não é nem simples e nem barato lidar com tantos dados.

Conforme surgem novas aplicações para a tecnologia da informação, do sistema financeiro aos serviços de saúde, os sistemas tradicionais de gerenciamento de dados precisam de aumentos contínuos em sua capacidade, velocidade e segurança.

Estima-se que o repositório de dados digitais em todo o mundo tenha crescido 47% no ano passado.

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Redes neurais podem prever consumo de água

Estudo do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica (Poli) da USP, resultou num método para prever a demanda de água em regiões urbanas, que poderá ser usado para otimizar o abastecimento da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP).

A autora do trabalho, a engenheira civil Cláudia Cristina dos Santos, usou Redes Neurais Artificiais (RNA) para analisar as variáveis socioambientais e meteorológicas que influenciam o consumo água na RMSP e desenvolver um modelo de previsão de demanda a curto prazo.

Redes Neurais Artificiais

Redes neurais artificiais são estruturas ou sistemas computacionais que realizam o processamento de dados tentando imitar o funcionamento do cérebro humano.

"As redes neurais artificiais são modelos de processamentos matemáticos que tentam simular os sistemas naturais, utilizando-se de estruturas análogas às Redes Neurais Biológicas (RNB)", explica Cláudia, atualmente no Departamento de Sensoriamento Remoto do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe).

"Elas são baseadas na simulação computacional de aspectos da inteligência humana, levando em consideração a capacidade que o nosso cérebro tem de aprender e tomar decisões estruturadas em sua aprendizagem," afirma.

De acordo com a pesquisadora, as redes neurais artificiais têm sido utilizadas em tarefas de reconhecimento de padrões, processamento de sinais, controle de processos, otimização de sistemas e previsões.

No caso do seu trabalho, o sistema pode prever o consumo para o dia seguinte ou até mesmo para a próxima hora.

"Sabendo a previsão para próxima hora pode-se fazer a otimização de um sistema", diz Cláudia. "Devido ao aumento do crescimento populacional da RMSP, a disponibilidade hídrica existente e a complexidade do sistema de abastecimento, esta pesquisa é uma importante ferramenta para auxiliar na operação e melhorar o fornecimento de água."

Perfil do consumo de água

O levantamento do consumo médio mensal, por sua vez, mostrou que ele varia ao longo do ano, sendo maior no verão, com pico em março, e menor no inverno, com destaque para julho.

Em geral, a tendência do consumo é diminuir a partir do mês de março e aumentar a partir do mês de novembro. O mês de agosto tem um pico em relação aos meses de inverno, consequência do tempo seco que ocorre nesse período, que provoca um aumento no consumo.

Durante a semana, o domingo é o dia de menor consumo e a sexta-feira o de maior, sendo que as quartas-feiras e os sábados são dias de consumo próximos da média. "Mas isto não é regra, porque esta variação depende de fatores inerentes à região de cada sistema", diz Cláudia.

O mesmo pode ocorrer em relação ao consumo no decorrer do dia. "Em geral o pico do consumo acontece a partir das 12 horas, quando passa a ser mais ou menos constante, com pequenas variações até as 17 horas", revela Cláudia. "Depois começa a diminuir por volta das 18 horas, tornando-se quase constante no período entre 21 e 24 horas. O período entre 1 às 6 horas da manhã apresenta uma redução do consumo, sendo que o mínimo ocorre às 6 horas da manhã. Após este período passa a aumentar novamente."

Memória das redes neurais

Para o estudo das variáveis sócio-ambientais e meteorológicas, Cláudia utilizou dados de consumo de água fornecidos pela Sabesp e meteorológicos do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG), da USP. A pesquisa foi feita nas principais Estações de Tratamento de Água (ETA) dos oitos sistemas produtores de água que compõem o Sistema de Abastecimento da RMSP. Para realizar a previsão de demanda foi analisada apenas a ETA do sistema Cantareira, que é o maior da RMSP, e um pequeno setor considerado como de consumo doméstico, chamado de Itaim Paulista, no bairro do mesmo nome, na Zona Leste da cidade de São Paulo.

Segundo a pesquisadora, a ETA Cantareira e o setor Itaim Paulista foram utilizados para avaliar a relação entre o consumo e as variáveis socioambientais e meteorológicas para o ano de 2005.

Os dados obtidos foram usados para o treinamento, o teste e a previsão feitas pelas redes neurais artificiais. Para a ETA Cantareira foram criados 8 modelos de previsão e para o setor ltaim Paulista, 57. O desempenho dos modelos foi avaliado por meio de vários parâmetros estatísticos.

"Os resultados mostraram a importância da 'memória' das redes neurais artificiais, pois ela ajuda a melhorar o desempenho da previsão", conta Cláudia. "Os resultados das previsões tiveram níveis de erros aceitáveis."

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Internet permite cálculo da inflação em tempo real

Ajustando um programa de pesquisa de preços pela internet, similar ao usado por sites de cotação, os pesquisadores já estão monitorando 5 milhões de itens de consumo a cada dia - em 70 países diferentes.[Imagem: MIT]

Dois cientistas do MIT, nos Estados Unidos, acreditam ter encontrado mais uma utilidade para a internet: medir a inflação em tempo real.

Um bilhão de preços

Manipulações à parte, o fato é que medir a inflação é um trabalho difícil, que emprega centenas de pessoas pesquisando preços em milhares de lugares diferentes.

Segundo Roberto Rigobon e Alberto Cavallo, isto pode ser feito muito mais facilmente, e com maior precisão, usando a internet. Para isso eles criaram o "Projeto Um Bilhão de Preços".

Ajustando um programa de pesquisa de preços pela internet, similar ao usado por sites de cotação, os pesquisadores já estão monitorando 5 milhões de itens de consumo a cada dia - em 70 países diferentes.

O projeto começou coletando preços de supermercados. A seguir foram incluídos produtos eletrônicos, roupas e móveis. Agora a lista de itens pesquisados é enorme, incluindo inclusive imóveis.

Índice de inflação da internet

A aferição do "índice de inflação da internet" está sendo feito por meio de comparações com os índices oficiais, e os resultados se mostraram muito próximos e de forma consistente, ao longo dos três últimos anos.

"A tentação é dizer que isto está se tornando um substituto para o Índice de Preços ao Consumidor," diz Cavallo. "Mas nós preferimos pensar nele como uma abordagem complementar."

Segundo o pesquisador, o governo está fazendo um bom trabalho na medição da inflação, mas o Projeto Bilhão de Preços pode revelar tendências inflacionárias mais rapidamente, abranger uma amostra de produtos maior e tornar os resultados disponíveis mais prontamente - em tempo real.

Manipulação da inflação

Cavallo, que é argentino, contou que a inspiração para a criação do projeto veio da manipulação que o governo do seu país fez com os índices de inflação nacionais, para fazer parecer que a inflação não era tão alta quanto era na realidade.

"As pessoas iam ao supermercado e viam que a inflação era muito mais alta do que o que o governo estava dizendo," conta ele. "Eu pensei que devia haver uma forma melhor de fazer isso."

Se o projeto for adotado de forma mais ampla, poderá ser o fim da capacidade dos governos de manipularem os índices, algo bastante comum em vários períodos da também na história do Brasil.

Mas há outros benefícios: "Um dos grandes benefícios que um projeto como este oferece é que você pode capturar uma dinâmica de maior frequência, que pode ser mascarada nos dados mensais", diz Neiman Brent, professor de Economia na Universidade de Chicago, que não está envolvido no projeto.

Brent acrescenta que a iniciativa se aplica à pesquisa sobre os preços em geral e não apenas aos itens que compõem a cesta de bens usada para calcular a inflação.

Ajustes necessários

O trabalho, contudo, ainda não está terminado.

Enquanto é fácil usar a internet para coletar preços de produtos eletrônicos e listas de supermercados, o mesmo não acontece, por exemplo, com os serviços de saúde, incluindo consultas e medicamentos, que dificilmente têm seus preços anunciados na internet.

Outra área na qual o Projeto ainda não é eficaz é no custo da mão-de-obra, uma vez que a remuneração dos trabalhadores vai além de um simples salário publicado em anúncios de emprego.

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Chip sequenciador decodifica DNA próton por próton

A expectativa é que um chip sequenciador permita que um genoma humano seja decodificado a um custo abaixo dos US$1.000,00. [Imagem: Ion Torrent]

Um chip capaz de sequenciar um genoma inteiro.

A nova tecnologia foi apresentada pela empresa Ion Torrent, em um artigo de seus pesquisadores, publicado na revista Nature.

Lei de Moore para a genética

Além de três bactérias, o chip foi testado para sequenciar o genoma de um humano. Especificamente, de um humano chamado Gordon Moore, autor da famosa Lei de Moore, que estabelece que o número de transistores dentro de um chip dobra a cada 18 meses.

Nenhuma outra jogada de marketing conseguiria atrair tamanha atenção, mesmo com a importância de uma tecnologia de sequenciamento genético baseada em um chip.

A Ion Torrent afirma que sua tecnologia permitirá que o sequenciamento do genoma humano custe US$1.000,00 nos próximos dois anos.

Tudo baseado na Lei de Moore: se a capacidade do chip sequenciador seguir o mesmo ritmo dos microprocessadores, a empresa calcula que bastará uma única geração de melhorias para que o sequenciamento genômico fique ao alcance de qualquer bolso.

Hoje, o chip sequenciador já custa apenas US$99,00. Mas o equipamento completo para fazer o sequenciamento, chip incluído, custa cerca de US$50.000,00.

Quando a base coincide com o molde no nanofuro (em cima), é liberado um próton, e o sensor a registra diretamente no formato de digital. Caso contrário (embaixo), nenhum próton é liberado. [Imagem: Ion Torrent]

Tecnologias de sequenciamento genético

O fato é que a tecnologia baseada em semicondutor representa um avanço substancial em relação às atuais tecnologias de sequenciamento genético, ainda que não tenha atingido o mesmo nível de precisão das máquinas muito mais caras.

Os sequenciadores genéticos atuais usam detecção óptica. Uma fita única de DNA é convertida em uma fita dupla fazendo com que a segunda fita cresça base por base. Com o uso de marcadores, essas bases podem ser detectadas por tecnologia óptica, resultando na sequência genética.

O chip sequenciador é muito mais simples. Em vez dos reagentes para marcar as bases, o chip detecta uma elevação no pH que ocorre conforme cada nucleotídeo se junta à fita em crescimento e libera um próton (H⁺) no processo.

O chip contém uma malha de nanofuros, cada um contendo um modelo diferente de DNA, uma espécie de gabarito. Abaixo desses furos vem uma camada capaz de detectar os prótons e, abaixo, o sensor principal do chip. É por isto que a empresa afirma que seu chip lê o genoma próton por próton.

"Se um nucleotídeo, por exemplo um C, é adicionado a um dos gabaritos [nos nanofuros] e então incorporado à fita de DNA, será liberado um íon de hidrogênio. A carga do íon altera o pH da solução, o que pode ser detectado por nosso sensor de íons. Nosso sequenciador - essencialmente o menor peagâmetro de estado sólido do mundo - vai nomear a base, passando diretamente da informação química para a informação digital," explica a empresa.

Uma comparação bastante elucidativa pode ser feita com um sensor CCD de uma câmera digital. Enquanto o CCD capta fótons para registrar as imagens, o sensor do chip sequenciador de DNA "capta uma reação química". Como o nucleotídeo já está identificado, a informação do genoma é registrada diretamente em formato digital.

Há outras técnicas de sequenciamento genômico mais futurísticas, ainda em fase de desenvolvimento, como o sequenciamento eletrônico do DNA.

Cada nanofuro contém uma gota de polímero com uma fita única de DNA, onde cada nucleotídeo é identificado. [Imagem: Ion Torrent]

Maior resolução

Outros pesquisadores, não envolvidos no desenvolvimento do chip sequenciador, afirmam que sua precisão ainda deixa a desejar.

A empresa parece saber bem disso, e demonstra esperar o concurso da Lei de Moore para resolver o problema: ocorre que, grosso modo, a densidade dos nanofuros, onde ficam as fitas individuais de DNA que servem de modelo, define a precisão da medição - quanto mais nanofuros, maior será a precisão.

Continuando com a analogia com o sensor de uma máquina digital, é como se o sequenciamento de DNA mais preciso dependesse agora de alguns "megapixels" a mais - na verdade, de um adensamento da malha de nanofuros e das respectivas fitas-modelo de DNA.

Agora é só esperar para ver se a Lei de Moore aplica-se também ao mundo da biologia.

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Chip 3D integra processador e memória

O aquecimento do processador causa um aumento na temperatura da memória, diminuindo o tempo que os chips DRAM conseguem manter os dados.[Imagem: Imec]

Processador e memória juntos

O instituto de pesquisas IMEC, da Bélgica, apresentou um chip 3D totalmente funcional que mescla processador e memória em um único circuito integrado.

Usando um circuito lógico CMOS criado pelo próprio IMEC e um chip de memória DRAM comercial, os pesquisadores tentaram reproduzir ao máximo os futuros chips voltados para aplicações móveis.

O objetivo era estabelecer os parâmetros de operação de um processador comercial encapsulado em um chip 3D, sobretudo com relação à dissipação de calor.

Como o chip lógico utilizado não é um processador real, como os utilizados em notebooks e celulares, os pesquisadores inseriram aquecedores dentro da pilha 3D para simular a dissipação em condições realísticas de operação.

Pontos quentes

O chip 3D contém em sua estrutura um sistema de monitoramento do estresse termo-mecânico, para avaliar o impacto do calor dissipado, e um detector de descargas estáticas, que podem danificar o chip durante seu manuseio.

O chip 3D de demonstração mostrou que uma aplicação real exigirá uma espessura mínima de 50 micrômetros para o conjunto processador/memória para que seja possível lidar com os pontos mais quentes de cada um deles.

Devido à forte redução da capacidade de dissipação lateral, esses pontos quentes são ainda mais quentes do que nos chips 2D atuais e mais confinados, o que requer estratégias próprias de captura do calor e seu redirecionamento para o exterior do chip.

Outra conclusão importante é que o aquecimento do processador causa um aumento na temperatura da memória, diminuindo o tempo que os chips DRAM conseguem manter os dados.

Como a própria memória gera calor, e difunde esse calor pelo processador, o chip experimental mostrou que é inviável tentar isolar termicamente a memória e o processador.

Novas técnicas de resfriamento

"Estamos entusiasmados em atingir este marco importante. Este chip de teste, juntamente com nossas ferramentas de projeto 3D e nossos modelos termais representam um passo importante para a introdução da tecnologia 3D nos chips DRAM-sobre-lógica para aplicações móveis," destacou Luc Van den Hove, do IMEC.

Embora os modelos termais tenham ajudado a identificar os pontos onde a dissipação de calor é mais crítica, será necessário desenvolver técnicas de resfriamento próprias para esses chips, capazes de coletar quantidades maiores de calor em determinados pontos.

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Disco holográfico atinge velocidade de Blu-ray

Enquanto uma equipe cuida da comercialização dos discos holográficos, os engenheiros vão continuar trabalhando, com o objetivo de atingir um capacidade de 1 terabyte por disco. [Imagem: GE]

Velocidade de Blu-ray

Em 2009, a General Electric apresentou uma tecnologia de armazenamento holográfico capaz de colocar 500 gigabytes em um disco do tamanho de um DVD.

Agora, a empresa afirmou que seu protótipo alcançou a mesma velocidade de gravação dos discos Blu-ray.

Isto coloca a tecnologia em fase de pré-comercialização: protótipos dos discos e dos sistemas de gravação e leitura serão enviados para possíveis parceiros na indústria, que podem se interessar em licenciar a tecnologia e fazê-la chegar ao mercado.

Além do aumento na velocidade, o equipamento recebeu melhoramentos e se tornou mais compatível com os discos ópticos atuais. Embora exija leitores específicos, a empresa afirma que os futuros aparelhos holográficos conseguirão ler CDs, DVDs e BDs (Blu-ray Discs).

Armazenamento holográfico

O armazenamento holográfico é diferente do armazenamento óptico dos discos de DVD e Blu-ray.

Enquanto estes armazenam dados em até quatro camadas na superfície do disco, a tecnologia holográfica usa o volume inteiro do disco para gravar informações.

Os hologramas, padrões tridimensionais que representam os bits de informação, são escritos em profundidades controladas no interior do disco.

Como esses discos micro-holográficos aproveitam todo o volume do material, sua capacidade de armazenamento é muito superior aos discos atuais.

No patamar atual de desenvolvimento, um disco holográfico terá uma capacidade equivalente a 20 discos Blu-ray de camada única ou 100 DVDs.

Enquanto uma equipe cuida da comercialização dos discos holográficos, os engenheiros vão continuar trabalhando, com o objetivo de atingir um capacidade de 1 terabyte por disco.

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Cientistas criam primeira rede neural artificial usando DNA

No futuro, estes sistemas poderão operar dentro de células, ajudando a responder questões biológicas fundamentais ou diagnosticar uma doença. [Imagem: Caltech/Lulu Qian]

Os cientistas deram um passo importante para a criação de uma inteligência artificial, não em um robô ou em um chip de silício ou em um programa de computador, mas dentro de um tubo de ensaio.

Rede neural líquida

Lulu Qian e seus colegas do Instituto de Tecnologia da Califórnia construíram uma rede neural artificial de DNA, criando um circuito de moléculas capazes de se recordar de memórias com base em padrões incompletos.

É mais ou menos assim que o nosso cérebro faz, quando um acontecimento inteiro é lembrado a partir de um pequeno "fio da meada", como a visão de uma foto ou mesmo um cheiro.

A equipe de Qian e Erik Winfree já havia criado umprocessador molecular com fitas de DNA, capaz de calcular uma raiz quadrada, mas agora eles queriam algo mais simples, para demonstrar o conceito de uma rede neural funcionando em meio líquido, mais próximo dos sistemas biológicos.

"Nós nos perguntamos se, em vez de uma rede de células neurais, fisicamente conectadas, uma sopa de moléculas em interação poderia exibir um comportamento parecido com o do cérebro," conta Qian.

E o experimento mostrou que a resposta para a pergunta é sim.

Jogo de leitura da mente

Composta por quatro neurônios artificiais, construídos com 112 fitas diferentes de DNA, a rede neural é capaz de participar de "um jogo de leitura da mente, na qual ela tenta identificar um cientista misterioso".

Os pesquisadores treinaram a rede neural para que ela "conhecesse" quatro cientistas, cujas identidades são representadas por um conjunto específico e único de respostas a quatro perguntas com respostas do tipo "sim ou não".

Depois de pensar em um dos quatro cientistas, um jogador humano fornece um subconjunto incompleto de respostas, que identifica parcialmente o cientista no qual ele pensou.

O jogador então transmite as pistas para a rede, colocando no tubo de ensaio fitas de DNA que correspondem às suas respostas.

Comunicando-se por meio de sinais fluorescentes, a rede neural de DNA identifica qual é o cientista que o jogador tem em mente.

Ou, caso não consiga a resposta, a rede pode "dizer" que não tem informações suficientes para escolher apenas um dos cientistas em sua memória, ou que as pistas contradizem suas lembranças.

Os pesquisadores jogaram este jogo com a rede utilizando 27 formas diferentes de responder às perguntas (de um total de 81 combinações), e ela respondeu corretamente todas as vezes.

A rede neural é capaz de participar de "um jogo de leitura da mente, na qual ela tenta identificar um cientista misterioso". [Imagem: Qian et al./Nature]

Aplicações futuras

Segundos os pesquisadores, sistemas bioquímicos com inteligência artificial - ou, pelo menos, com algumas capacidades básicas de tomada de decisão - podem ter aplicações na medicina, química e na pesquisa biológica.

No futuro, estes sistemas poderão operar dentro de células, ajudando a responder questões biológicas fundamentais ou diagnosticar uma doença.

Processos bioquímicos que possam responder de forma inteligente à presença de outras moléculas poderão permitir que os engenheiros sintetizem produtos químicos cada vez mais complexos, ou construam novos tipos de estruturas, molécula por molécula.

Desafios neurais

Mas ainda há muitos desafios a serem vencidos para se chegar a essas situações hipotéticas.

O primeiro deles é que fazer essa rede neural bioquímica funcionar dentro do corpo - ou mesmo em uma célula, ou dentro de um disco de Petri - é algo totalmente diferente do que foi demonstrado, já que um experimento similar in vivo seria muito mais complexo e com interações com outras moléculas que teriam que ser previstas e controladas.

A rede neural líquida também é muito lenta, levando oito horas para identificar cada cientista misterioso.

E, depois de dada a resposta, as moléculas não são capazes de se soltar e emparelhar com uma fita de DNA diferente. Ou seja, a rede somente consegue jogar o seu jogo da memória uma vez.

Finalmente, enquanto a rede atual tem quatro neurônios, as dificuldades para construir uma versão apenas um pouco maior - com 40 neurônios artificiais, por exemplo - são muito grandes, sem contar o tempo da resposta, que deverá aumentar exponencialmente. Para comparação, estima-se que um cérebro humano tenha 100 bilhões de neurônios.

Entendendo a evolução

Contudo, vista como uma prova de conceito, o experimento pode ajudar os cientistas a entender a evolução e o próprio funcionamento dos organismos biológicos.

"Antes que o cérebro evoluísse, os organismos unicelulares também eram capazes de processar informações, tomar decisões, e agir em resposta ao seu ambiente," explica Qian. E os organismos unicelulares de hoje continuam fazendo isso.

Ele especula que a fonte de tais comportamentos complexos deve ter sido uma rede de moléculas flutuando na célula: "Talvez o cérebro altamente evoluído e a forma limitada de inteligência vista em células individuais compartilhem um modelo computacional semelhante, que é simplesmente programado em diferentes substratos."

Modelo de neurônio

Os pesquisadores basearam sua rede neural bioquímica em um modelo simplificado de um neurônio, chamada de função limiar linear.

O neurônio modelo recebe os sinais de entrada, multiplica cada um por um peso positivo ou negativo, e o neurônio dispara, produzindo uma saída, somente se a soma ponderada das entradas ultrapassar um certo limiar.

"Este modelo é uma simplificação excessiva dos neurônios reais," diz Winfree, "mas é uma boa simplificação."

A técnica para sua construção é a mesma usada na construção do circuito de DNA capaz de calcular raízes quadradas.

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