O grafeno bate mais um recorde: surge o transistor de 100 GHz.

Físicos americanos fabricaram, à base de grafeno, um transistor, o mais rápido do mundo, cuja frequência de corte é de 100 gigahertz. O dispositivo ainda pode ser miniaturizado e otimizado, de modo que poderá, em breve, superar os dispositivos convencionais feitos à base de silício, diz a equipe. O transistor pode encontrar aplicações em comunicações na faixa de microondas e em sistemas de imageamento.

O grafeno, uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura, tem se mostrado uma grande promessa para uso em dispositivos eletrônicos, dado que os elétrons podem se mover através dela a velocidades extremamente altas. Isso ocorre porque se comportam como partículas relativísticas sem massa de repouso. Esta, e outras propriedades físicas e mecânicas peculiares, sugerem que este "material maravilhoso" poderá substituir o silício como material básico para a eletrônica podendo, inclusive, ser utilizado na fabricação de transistores mais rápidos do que qualquer outro hoje existente.

Transistor de grafeno atinge 100 GHz. - Créditos: Phaedon Avouris.

Phaedon Avouris, Yu-Ming Lin e colegas da IBM TJ Watson Research Center, em Nova York (EUA), iniciaram o processo de fabricação do transistor de efeito de campo (FET) pelo aquecimento de uma "bolacha" de carbeto de silício (SiC) para criar uma camada superficial de átomos de carbono, na forma de grafeno. Eletrodos paralelos como "fonte" e "dreno" foram depositados no grafeno, deixando os canais de grafeno expostos entre esses eletrodos, como mostrado na figura.

Protegendo o grafeno 

A próxima etapa é a mais complicada e demanda o depósito de uma fina camada isolante sobre o grafeno exposto, sem afetar suas propriedades eletrônicas. Para fazer isso, o primeiro passo consiste em depositar uma camada de 10 nm do polímero poli-hidroxiestreno (já usado na indústria de semicondutores) para proteger o grafeno. Em seguida, a camada de óxido convencional foi depositada, seguida de um eletrodo metálico que atua como porta do transistor.

O comprimento da porta é relativamente grande (240 nm), mas a mesma pode ser miniaturizada para melhorar a performance do dispositivo, declaram os pesquisadores. 

O transistor de grafeno já conta com uma maior frequência de corte, superior aos dispositivos MOSFET à base de silício para o mesmo comprimento de porta (estes têm uma frequência de corte em torno de 40 GHz). Frequência de corte é aquela acima da qual um transistor sofre uma degradação significativa em seu desempenho. O novo dispositivo quebra o recorde anterior da própria IBM - 26 GHz -, noticiado em janeiro de 2009. 

Relevância tecnológica

Diferentemente da maioria dos FETs à base de grafenos, que tinham sido fabricados a partir de flocos de grafeno, o dispositivo da IBM é feito usando técnicas já utilizadas pela indústria de semicondutores. "Nosso trabalho é a primeira demonstração de que dispositivos de alto desempenho, à base de grafeno, podem ser fabricados em escala de bolachas de forma tecnologicamente relevante", disse Avouris. 

Um obstáculo para esses dispositivos à base de grafeno, contudo, é que não podem ser utilizados em circuitos digitais, tais como os usados em computadores. Isto ocorre porque o grafeno tem um gap de energia nulo, entre sua banda de condução e de valência. É exatamente tal lacuna que permite que os semicondutores convencionais sejam utilizados como chaveadores de corrente ON e OFF.

Ao invés de usados em circuitos digitais, tais transistores de alta frequência podem ser usados, por exemplo, para amplificar sinais de micro-ondas em comunicações e aplicações de imageamento, incluindo radar de alta resolução, imagens médicas e de segurança. 

Os pesquisadores da IBM planejam agora reduzir as dimensões dos transistores, melhorar a pureza do grafeno e otimizar a arquitetura do dispositivo. "Tais transistores têm o potencial de superar sobremaneira os dispositivos convencionais", disse Avouris. 

A equipe procura também maneiras de criar um gap de energia (band gap) no transistor à base de grafeno, para que este possa ser utilizado em aplicações digitais.

FONTE: Nanotechweb

Célula solar à base de grafeno, cada vez mais próxima da realidade.

Objetivando fabricar grandes folhas de carbono para coletar luz, químicos da Universidade de Indiana em Bloomington (EUA) criaram uma solução não usual - anexaram o que equivale a um conjunto de tentáculos em cada lado de folhas de grafeno. Utilizando este método, os cientistas afirmam que foram capazes de dispersar as folhas contendo 168 átomos de carbono, um feito pioneiro.

"Nosso interesse vem do desejo de encontrar um material alternativo, e de fácil disponibilidade no mercado, com alto poder de absorção de luz solar", disse o químico Liang-shi Li, que liderou a pesquisa. "Atualmente, os materiais mais utilizados como absorvedores de luz em células solares são o silício e compostos contendo rutênio. Cada um tem suas desvantagens."

A principal desvantagem é o custo e a disponibilidade a longo prazo. As células solares baseadas em rutênio podem ser potencialmente mais baratas que as baseadas em silício, mas o rutênio é um metal raro na Terra, tão raro quanto a platina, e se esgotará rapidamente quando a demanda aumentar. 

O carbono é barato e abundante, e na forma de grafeno, capaz de absorver luz em uma ampla faixa de freqüência. O grafeno é essencialmente a mesma coisa que o grafite (material usado para fazer o lápis), exceto que o grafeno é apenas uma folha de carbono, com um átomo de espessura. O grafeno é uma promessa como material eficiente, de produção barata, e o menos tóxico dentre os materiais alternativos a serem usados em células solares. Entretanto, ele também tem "aborrecido" os cientistas.

Para que uma folha de grafeno possa ser de alguma utilidade para coletar luz, ela deve ser grande. Contudo, para utilizar a energia solar absorvida na forma de eletricidade, a folha não pode ser muito grande. Infelizmente, trabalhar com grandes folhas de grafeno é difícil, e o controle do tamanho é mais difícil ainda. Quanto maior a folha de grafeno, mais "pegajosa" ela é, o que a torna mais susceptível de atrair e de "grudar" nas outras folhas de grafeno. Ter várias camadas de grafeno (grafite) pode ser bom para se usar como lápis, mas as propriedades elétricas ficam prejudicadas.

Químicos e engenheiros descobriram diferentes estratégias para manter as folhas de grafeno isoladas umas das outras. A solução mais eficaz - antes dos trabalhos da Universidade de Indiana -, era baseada na exfoliação do grafite (abordagem top-down) em folhas e o seu envolvimento com polímeros, para torná-las isoladas umas das outras. No entanto, tal processo faz com que as folhas de grafeno tenham tamanhos aleatórios e muito grandes para absorver luz nas células solares.

Modelo planar de uma folha de grafeno (preto) e os grupos anexados (azul) que Liang-Shi Li e seus colaboradores planejaram. Na realidade, cada grupo lateral gira 90 graus para fora do plano de grafeno. 

Duas moléculas grafeno (cinza escuro) são "enjauladas" por grupos anexados (azul), ligados a cada folha de grafeno. Os grupos laterais ajudam a prevenir o empilhamento das folhas de grafeno seguindo a tendência natural. - Créditos: Liang-shi Li.

Li e seus colaboradores puseram à prova uma ideia diferente. Anexando grupos laterais semirrígido, semiflexível e tridimensionais nas bordas do grafeno, foram capazes de limitar as folhas de grafeno com tamanho de 168 átomos de carbono e, ao mesmo tempo, promover a adesão entre estas folhas. Com este método, conseguiram produzir folhas de grafeno pequenas (abordagem bottom-up) e com tamanho uniforme. Para os pesquisadores, trata-se da maior folha de grafeno estável já produzida, usando-se a abordagem bottom-up.

O grupo anexado na borda do grafeno consiste de um anel de carbono hexagonal e três longas cadeias compostas de carbono e hidrogênio. Como a folha de grafeno é rígida, o grupo é forçado a girar 90 graus em relação ao plano do grafeno. As três cadeias silvosas possuem liberdades de movimento, mas duas delas tendem a envolver a folha de grafeno em que estão ligadas.

As cadeias não se limitam somente a funcionarem como gaiolas. Elas também servem como direcionadores para o solvente orgânico, de modo que toda a estrutura pode ser dissolvida. Li e seus colegas foram capazes de dissolver 30 mg desta espécie em 30 mL de solvente. 

"Neste trabalho, encontramos uma nova forma de fazer grafeno solúvel," disse Li. "Isso é tão importante quanto o tamanho relativamente grande do grafeno em si." 

Para testar a eficácia do grafeno como absorvedor de luz, os cientistas construíram células solares rudimentares, usando dióxido de titânio como aceitador de elétrons. Os cientistas foram capazes de atingir uma densidade de 200 microamperes-por-cm2 de corrente e uma tensão de circuito aberto de 0,48 volts. As folhas de grafeno absorveram uma quantidade significativa de luz na faixa do visível ao infravermelho próximo (200-900 nm), com um pico de absorção ocorrendo em 591 nm.

Os cientistas estão redesenhando as folhas de grafeno com extremidades "pegajosas" para se ligarem ao dióxido de titânio, que irá melhorar a eficiência das células solares. "Coletar a energia do sol é o primeiro passo," disse Li. "Como transformar a energia em eletricidade é o próximo. Acreditamos que tivemos um bom começo." 

Os doutorandos Xin Xiao e Yan Cui e o posdoc Binsong Li também contribuíram para a pesquisa, que foi financiada pela National Science Foundation e pelo American Chemical Society Petroleum Research Fund. 

FONTE: Science Daily

A Sharp desenvolve célula fotovoltaica com rendimento de conversão de 35,8%

A empresa japonesa Sharp anunciou em outubro de 2009 que desenvolveu uma nova célula fotovoltaica com rendimento de conversão de 35,8%, o que constitui um novo recorde mundial para uma célula em nível de laboratório, sem utilização de um concentrador solar. O número foi certificado pelo AIST [1] em setembro deste ano. As pesquisas foram realizadas no âmbito do projeto "Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Fotovoltaicas Revolucionárias", da NEDO [2].

Trata-se de uma célula de tripla junção, o que significa que comporta três camadas que absorvem, cada uma, comprimentos de onda de luz diferentes. Isso permite aumentar o espectro da luz absorvida pela célula e, assim, obter um rendimento mais alto do que com uma célula de uma só camada. As células de tripla junção sobre as quais trabalha a empresa até o presente são compostas de fosfeto de gálio índio (InGaP) para a camada superior, de arseneto de gálio índio (InGaAs) para a camada do meio, e de germânio (Ge) para a camada inferior.

Estrutura da célula convencional (esquerda) e da nova célula (direita) onde a camada de germânio (inferior) foi substituída pelo arseneto de índio e gálio (InGaAs). - Créditos: Sharp.

As camadas de germânio são fáceis de fabricar, mas a metade da corrente elétrica que aparece nessa camada não podendo ser utilizada, levou os pesquisadores da Sharp a substituir o material por arseneto de gálio índio. 

A nova célula é assim constituída de fosfeto de gálio índio para a camada superior; de arseneto de gálio, para a camada do meio, e de arseneto de gálio índio para a camada inferior. 

A taxa de rendimento de conversão foi, assim, também melhorada de 31,5% para 35,8%. Utilizando um concentrador (1000 vezes), o rendimento de conversão atinge os 45%.

Outras características da célula:

• uma tensão de circuito aberto (Voc) de 3,012V;
• uma corrente de curto-circuito (Isc) de 12,27 mA;
• um fator de forma (F.F.) de 85,3%; 
• uma superfície de 1 cm2.

Num primeiro momento, a Sharp prevê a integração dessa nova célula nos satélites até 2012.

[1] Instituto Nacional de Ciências e Técnicas Industriais Avançadas, órgão público de pesquisa.

[2] Organização para o Desenvolvimento de Energias Novas e Tecnologias Industriais: órgão público de financiamento da pesquisa.

FONTE: Press Release Sharp

Resíduos orgânicos: fonte para a produção de hidrogênio

Um projeto de excelência da Junta de Andaluzia (Governo da Comunidade Autônoma), intitulado "Produção e Valorização de Biohidrogênio a partir de Resíduos Sólidos Urbanos", reagrupa os trabalhos de pesquisa para a aplicação de um conjunto de procedimentos químicos e microbiológicos a fim de transformar os restos orgânicos contidos nas lixeiras - o que é chamada especificamente de fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos (FORSU) - para gerar o biogás rico em hidrogênio.

A finalidade dessas pesquisas é chegar a exploração maximizada dos componentes que constituem a fração orgânica dos resíduos, via tratamento integral dos mesmos. O projeto se concentra na otimização da etapa acidogênica da digestão anaeróbica (conversão bacteriana durante a fermentação da matéria orgânica em ausência de oxigênio) a fim de gerar biohidrogênio.

Unidade da Planta Piloto para o tratamento anaeróbico dos resíduos sólidos urbanos. 

Créditos: Universidade de Cadiz.

Quatro fases do projeto devem ser destacadas. Inicialmente é preciso obter a substância adequada para o procedimento, o que requer a caracterização dos agentes implicados, a seleção e o enriquecimento da substância com os microorganismos mais adaptados para a produção do hidrogênio, depois monitorar a ação dos microorganismos com o auxílio de técnicas específicas. 

Estes últimos passos são determinantes para a produção de hidrogênio, pois pode haver sua transformação em metano (CH4) ou sulfeto de hidrogênio (H2S). De outra parte, procede-se ao pré-tratamento dos resíduos sólidos urbanos (FORSU) a fim de aumentar a produção do hidrogênio.

Uma vez que se tenha selecionado, quando das etapas anteriores, a substância mais adequada e o tratamento associado, a terceira fase é a otimização da etapa acidogênica, prestando-se atenção particular à seleção do tipo de reator químico e das condições de operação favoráveis à produção de hidrogênio. Finalmente, é preciso considerar o tratamento do biogás produzido, a fim de tornar possível sua valorização energética, destinando-o principalmente a sistemas de alta eficiência, tais como as pilhas a combustível.

A vantagem que deve ser destacada neste projeto é que, uma vez vencida a primeira fase de obtenção do hidrogênio, o resíduo restante pode, a seguir, continuar a ser tratado através da biometanização e a compostagem para uma exploração máxima da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos.

O projeto de Produção e Valorização de Biohidrogênio a partir de Resíduos Sólidos Urbanos vai até 2011. Seu investimento total é de 321.195 euros (cerca de 867.227 reais). O projeto tem ainda a participação da municipalidade de Jerez de la Frontera e da empresa Biovalora (Empresa de Base Tecnológica) da Universidade de Cadiz (UCA).

FONTE: Andalucia Investiga

Nanotecnologias começam a revolucionar soluções de estocagem embarcada de eletricidade.

O desenvolvimento de veículos elétricos tropeça ainda nas baterias atuais que, não obstante os progressos reais, não contam ainda com energia suficiente para fazer nossos carros rodar longas distâncias e necessitam, entre outras coisas, de longos tempos de recarga. Contudo, as nanotecnologias começam a revolucionar as soluções de estocagem embarcada de eletricidade.

Vários laboratórios no mundo trabalham sobre nanocondensadores eletrostáticos, que aumentam dez vezes a capacidade de estocagem do clássico condensador eletrostático. Com esse dispositivo, em breve será possível estocar e distribuir eficientemente a eletricidade gerada graças aos meios alternativos (solar, vento, etc.).

Gary Rubloff, diretor do NanoCenter da Universidade de Maryland (EUA), frisa que essa tecnologia oferece "uma alta densidade de energia, uma forte potência e um recarregamento rápido, que são essenciais para nossa energia futura". O pesquisador insiste no fato de que se trata de uma tecnologia para a produção em massa. 

O objetivo é conseguir aplicar bilhões de nanoestruturas em uma bateria. Em longo prazo, ele prevê que a mesma nanotecnologia será utilizada para oferecer uma nova maneira de estocar as energias renováveis destinadas à alimentação energética das usinas. Mas igualmente de poder fazer face à demanda crescente de energia limpa.

Segundo pesquisadores do MIT, em breve será possível fabricar, a custo razoável, baterias de telefone ou de computadores que se recarregam em algumas dezenas de segundos, sendo menores e mais leves. A tecnologia que eles desenvolveram não muda drasticamente as baterias atuais que utilizamos, as baterias de íon lítio. 

De fato, o material utilizado é o Fosfato de Ferro e Lítio, LiFePO4 e a abordagem não requer senão simples mudanças no procedimento de produção desse material já bastante conhecido. Tudo isso trabalha a favor de uma comercialização que não levaria mais que dois ou três anos, segundo o responsável pela pesquisa, Gerband Ceder.

Como todas as baterias de íon lítio, a LiFePO4 absorve e fornece energia pela extração simultânea e, respectivamente, à inserção de íons Li+ e de elétrons. Assim, a capacidade de fornecer potência e de se recarregar depende da velocidade de deslocamento dos íons Li+ e dos elétrons através do eletrólito e através do material dos eletrodos.

As simulações feitas pelos pesquisadores Byoungwoo Kang e Gerbrand Ceder mostram que os íons e os elétrons se deslocam intrinsecamente rápido, por conseguinte, o limite a seu deslocamento rápido nas baterias atuais se situa em outro ponto: tornaram evidente que as partículas carregadas se deslocam em espécies de túneis, através do material, cujas entradas e saídas se situam na superfície. 

Se as partículas não estão na frente dessas entradas, elas não podem se deslocar. O LiFePO4 nanoestruturado permite obter uma mobilidade importante dos íons e elétrons na superfície do material. Um protótipo de bateria desse tipo poderia se carregar em menos de 20 segundos, contra 6 minutos com um material não modificado.

A maior parte das baterias comercializadas é feita de Lítio Cobalto, mas a LiFePO4 não sofre de sobreaquecimento, o que já levou à destruição de computadores portáteis ou outros tocadores mp3. Mesmo sendo barato, o LiFePO4, até o momento, não chamou atenção porque a Lítio Cobalto pode estocar mais carga para um dado peso.

Entretanto, os pesquisadores descobriram que seu novo material não perde sua capacidade de carga com o tempo, quando as baterias standard têm um tempo de vida mais limitado. Isso significa que o excesso de material requerido para as baterias standards para compensar sua degradação com o tempo não será mais necessário, tornando as baterias menores e mais leves, com performances de carga e de descarga bastante importantes. 

Carregar baterias em alguns segundos, ao invés de várias horas, vai permitir uma mudança de hábitos quotidianos, e, portanto, permitirá novas aplicações tecnológicas. De fato, a capacidade de evolução da eletrônica é limitada pela capacidade das baterias. Somente 360 W são necessários para carregar uma bateria de telefone celular de 1 Wh em 10 segundos.

Por outro lado, essa tecnologia poderia igualmente transformar o automóvel: descarregar uma bateria em alguns segundos é dispor da potência imediata que faz falta aos veículos elétricos atuais. Carregá-la em alguns minutos, ao invés de passar uma noite, permite encarar serenamente longos trajetos; ainda é preciso, bem entendido, que a rede elétrica forneça uma potência suficiente para permitir essa carga rápida.

De fato, 180 kW são necessários para carregar uma bateria de 15 kWh (bateria para veículos híbridos elétricos) em cinco minutos, o que implica a utilização de estações de energia elétricas para carregar os carros híbridos elétricos. Alguns construtores, entretanto, já investiram nas baterias de carga rápida. Utilizando a tecnologia da Altair Nanotechnologies, a Phoenix Motocars construiu um protótipo de carro elétrico, com 160 km de autonomia, que pode ser recarregado em apenas 10 minutos. Segundo Ceder, tais baterias poderão estar no mercado daqui a três anos.

Vê-se, pois, que as nanotecnologias, que já estão agitando a medicina, a biologia e a eletrônica irão igualmente permitir rupturas tecnológicas decisivas nas áreas estratégicas da energia e dos carros limpos.

Nesse contexto, não se pode a não ser se regozijar com o lançamento, a alguns dias, do projeto GIAT - Grenoble Isère Alpes Nanotechnologies, cuja ambição é fazer do MINATECH um pólo científico mundial, equivalente ao célebre MIT americano. O projeto GIANT foi lançado em 2006, estimulado por Jean Therme, diretor do CEA (Comissariado da Energia Atômica), Grenoble (França).

O GIANT se consolida em uma aliança de atores locais do setor da pesquisa, das grandes escolas e das universidades e do mundo industrial, ao redor de três eixos: as micro e nanotecnologias, as novas tecnologias da energia e as biotecnologias. A GIANT reúne hoje 6 000 pesquisadores e 6.000 estudantes. Os objetivos visados, em seis anos, consistem em atingir 8 000 pesquisadores, 10.000 estudantes, 5.000 publicações e 350 patentes por ano, com um orçamento anual de 1 bilhão de euros.

Jean Therme, iniciador do projeto e diretor do CEA Grenoble, anunciou um futuro "Minatech" da energia que deverá reunir 3.000 pesquisadores sobre 100.000 m2. Terá a vocação de sustentar a produção de sensores solares, "produzir" veículos de baixo consumo e desenvolver uma forte atividade na linha das baterias.

A França - que soube desenvolver um pólo de excelência de nível mundial na área das nanotecnologias, deve absolutamente prosseguir e aumentar seu esforço ao longo dos próximos anos porque, não há mais dúvida, de que as nanotecnologias vão permitir, nos cinco setores-chave: ambiente, ciências da vida, tecnologias da informação, energia e transportes, saltos tecnológicos consideráveis.

FONTE: RT Flash