Ciência e Engenharia de Materiais

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quarta-feira, 15 de dezembro de 2021

Funções biológicas e estratégias de entrega de íons para promover a indução osteogênica

15 dezembro

     



Resumo: Este artigo faz uma revisão das metodologias utilizadas para introduzir íons inorgânicos em biomateriais, destaca os efeitos terapêuticos relacionados a esses íons e o papel dos biomateriais na liberação desses íons.


Os ossos são órgãos complexos cuja função é manter a estabilidade corporal e oferecer proteção aos órgãos internos. Doenças e lesões traumáticas podem afetar as funções ósseas, portanto é muito importante tratar recuperar essas funções de maneira rápida e eficiente. O uso de transplantes autógenos, que são aqueles extraídos do próprio paciente, é o “padrão ouro” no quesito de recuperação de funções, porém sua baixa disponibilidade e risco de transmissão de doenças limita o seu uso. Nessas condições o desenvolvimento de enxertos sintéticos tem grande importância no desenvolvimento de tratamentos com desempenhos similares aos autógenos sem os riscos associados.


Dentro os tipos de materiais utilizados para a incorporação de íons estão as cerâmicas, que tem como vantagens a grande semelhança de alguns compostos, como a hidroxiapatita, com os materiais encontrados em ossos naturais. Como desvantagem desses materiais está a sua baixa taxa de degradação e reabsorção devido a sua alta cristalinidade.


Entre os polímeros mais utilizados para aplicação biomédica estão os polissacarídeos como alginato e proteínas naturais como o colágeno, porém alguns tipos de polímeros são menos suscetíveis a incorporar íons em sua composição.


Os metais são mais suscetíveis a incorporação de íons, que geralmente são metálicos também, devido à natureza metálica de ambos materiais. Contudo as interações entre os íons liberados e o ambiente úmido em que se encontram podem levar a problemas de corrosão que precisam ser controlados.


Alguns íons que normalmente são adicionados fazem parte da composição natural dos ossos. A adição de íons de Ca2+, Cu2+, Sr2+, Mg2+, Zn2+, e B3+ em biomateriais causou uma melhoria na osteogênese e uma melhor regeneração óssea em geral. Entre alguns efeitos, a adição de cobre melhorou a diferenciação osteogênica em estudos in vitro. O cobalto também estimulou a angiogênese, que é o processo de formação de vasos sanguíneos, contribuindo com o processo de osteogênese. O silício apresentou efeitos significativos na mineralização óssea e na osteogênese. A figura 1 apresenta uma ilustração dos efeitos dos íons nas diferentes fase da osteoblastogênese e osteoclastogênese.


Figura 1 - Ilustração esquemática dos efeitos dos íons nas diferentes fase da osteoblastogênese e osteoclastogênese. Fonte: (BOSCH-RUÉ, DIEZ-TERCERO, et al., 2021)


Em geral, diferentes íons apresentaram efeitos diversos no processo de osteogênese e os recentes desenvolvimentos em materiais biomédicos que incorporam esses íons demonstraram um grande potencial para estimular a regeneração de tecidos ósseos, porém ainda é necessário desenvolver mecanismos para efetuar uma liberação controlada e sob demanda desses íons.




Referência:

Referência: BOSCH-RUÉ, E., DIEZ-TERCERO, L., GIORDANO-KELHOFFER, B., et al. Biological Roles and Delivery Strategies for Ions to Promote Osteogenic Induction. Frontiers in Cell and Developmental Biology. [S.l.], Frontiers Media S.A. , 14 jan. 2021


Redação: Gustavo Xavier Peres - UTFPR
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quarta-feira, 1 de dezembro de 2021

Fabricação de piezocerâmicas curvadas com a ajuda da gravidade

01 dezembro

    




Resumo: Cientistas desenvolveram uma forma de produzir piezocerâmicas altamente compactas e com geometrias difíceis de conseguir, mas com ajuda da força de gravidade incluída na sinterização é possível.



Os materiais piezoelétricos podem produzir carga elétrica a partir de uma tensão mecânica. Esta propriedade é muito procurada em peças cerâmicas altamente compactas e geometricamente complexas devido à sua estabilidade mecânica e amplo campo de aplicação devido ao seu alto efeito de acoplamento eletromecânico, propriedades mecânicas estáveis e baixo custo. 


Um grupo de cientistas em vez de usar a impressão 3D para fazer isso porque é impossível imprimir corpos cerâmicos verdes geometricamente complexos em um alto volume de componentes cerâmicos e boa compactação, também porque é difícil para a peça ter uma geometria complexa e alto desempenho piezoelétrico ao mesmo tempo. Portanto, eles usaram o processo de sinterização por gravidade (GDS) para conseguir isso.


Como mostrado na figura 1, o processo GDS consiste na colocação de um compacto verde prensado de pós precursores de titanato de zirconato de chumbo (PZT) em duas plataformas de suporte de alumina com baixa expansão térmica e alta condutividade térmica, para uma melhor estabilidade térmica. No início do processo de sinterização há um equilíbrio de forças, mas com o calor o corpo sólido torna-se quase líquido, então ocorre uma certa deformação causada pela força da gravidade, estabelecendo um novo equilíbrio de forças. No final do processo, pode ser obtido um corpo curvo mecanicamente estável.




Figura 1: Esquema do processo de sínteses de GDS. Fonte: SHAN, Y. et al. 2021.

A estratégia GDS é uma via universal e fácil para fabricar piezocerâmicas curvas e outras cerâmicas funcionais sem comprometer suas funcionalidades, bem como seu uso para produção em larga escala.

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Referência:

Shan, Y., Liu, S., Wang, B. et al. A gravity-driven sintering method to fabricate geometrically complex compact piezoceramics. Nature Communications 12, 6066 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26373-x 


Redação: Dennis Luis Gonzales Ordoñez - UNILA
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terça-feira, 30 de novembro de 2021

PICO, PICOS e SPIDER: um estudo comparativo de especificidade e sensibilidade em três ferramentas de busca para revisões sistemáticas qualitativas

30 novembro

     






Resumo: Os autores conduziram pesquisas em bases de dados para avaliar os resultados obtidos utilizando os critérios de pesquisa PICO, PICOS e SPIDER.



Revisões sistemáticas são produções científicas com grande importância, especialmente na área da saúde, como ferramentas que auxiliam na tomada de decisões baseadas em evidências. Para produzir este tipo de revisão é necessário conduzir uma pesquisa abrangente tentando identificar todos os artigos relevantes que após encontrados serão assimilados por meio de análises estatísticas. A abrangência do processo de pesquisa tem sido vista como um fator chave na prevenção de vieses e para fornecer uma visão das pesquisas disponíveis.


Ao desenvolver uma estratégia de pesquisa, são utilizadas ferramentas para listar os termos pelos conceitos principais na pergunta de pesquisa. A ferramenta PICO (Population - população, Intervention - intervenção, Control - controle e Outcome - desfecho) é uma das mais utilizadas juntamente com a sua variante, PICOS ( onde o S significa Study type - tipo de estudo). Há também outra ferramenta de pesquisa emergente que se chama SPIDER  (Sample - amostra, Phenomenon of interest - fenômeno de interesse, Design, Evaluation - avaliação, Research type - tipo de pesquisa).


Foi feito o teste entre as três ferramentas em uma pesquisa para identificar as experiências de saúde de pessoas com esclerose múltipla. Termos de pesquisa idênticos foram utilizados nas ferramentas de pesquisa PICO, PICOS e SPIDER e comparados nas bases de dados Ovid MEDLINE, Ovid EMBASE e EBSCO CINAHL Plus.


Os resultados mostraram mais resultados na ferramenta PICO enquanto a ferramenta SPIDER gerou muito menos artigos para serem avaliados, porém a ferramenta SPIDER não encontrou cinco artigos considerados relevantes para a pesquisa que foi encontrada com o PICO. A ferramenta PICOS gerou menos resultados que a PICO e mais que a SPIDER, porém não conseguiu encontrar mais resultados relevantes do que a ferramenta SPIDER.


Os autores do artigo recomendam a utilização do PICO para efetuar uma pesquisa mais abrangente e a ferramenta PICOS quando é necessário economizar tempo e recursos. Também foi concluído que a ferramenta SPIDER é promissora devido a sua alta especificidade, porém há um risco de não encontrar alguns artigos relevantes ao utilizá-la.




Referência:

METHLEY, A. M., CAMPBELL, S., CHEW-GRAHAM, C., et al. PICO, PICOS and SPIDER: A comparison study of specificity and sensitivity in three search tools for qualitative systematic reviews. BMC Health Services Research. [S.l.], BioMed Central Ltd. Disponível em: /pmc/articles/PMC4310146/. Acesso em: 18 nov. 2021. , 2014.


Redação: Gustavo Xavier Peres - UTFPR
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terça-feira, 16 de novembro de 2021

Polímeros com memória de forma

16 novembro

   




Resumo: Cada vez os cientistas tentam reduzir o tamanho das máquinas para diminuir os custos, com esta ideia se desenvolveu umas metamáquinas que podem se automontar com certos estímulos.



As máquinas permitiram uma maior produtividade em diferentes setores da indústria e os cientistas sempre tentam reduzir o tamanho para uma melhor eficiência e redução do custo. Cientistas inspirados nisto, desenvolveram metamáquinas, que são máquinas feitas de máquinas, estas micromáquinas podem se automontar a partir de certos estímulos.


Foram desenvolvidas estas metamáquinas reconfiguráveis a partir de coloides ativos através da manipulação óptica, mas com certa limitação. Estas se obtêm ao combinar algumas resinas e hidrogéis para formar diversas formas, como mostrado na figura acima (WU, 2021).


Este estudo abre um caminho para o progresso do automontagem em microescala e em materiais que mudam de forma através de máquinas feitas a partir de máquinas.




Referência:

Wu, J., Guo, J., Linghu, C. et al. Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface. Nature Communications 12, 6070 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26386-6


Redação: Dennis Luis Gonzales Ordoñez - UNILA
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sexta-feira, 29 de outubro de 2021

Síntese e caracterização de hidroxiapatita dopada com Zinco: aplicação em arcabouços, estudos antibacterianos e de bioatividade

29 outubro

     






Resumo: Este estudo avaliou o desempenho biológico e anti bacteriano de amostras de hidroxiapatita dopadas com zinco produzidas através da técnica de precipitação química.



A hidroxiapatita tem sido alvo de muitos estudos devido a sua excepcional bioatividade, osteocondutibilidade e estrutura cristalina similar a da fase mineral de ossos naturais. Porém um dos problemas presentes é o surgimento de bactérias no local do implante que são um dos maiores causadores de falhas dos mesmos. Com isso os autores propuseram a produção de arcabouços de hidroxiapatita com a introdução de íons de zinco para obter ação antibacteriana e analisar seu desempenho biológico e mecânico.


Os métodos para produção da hidroxiapatita estão apresentados na Figura 1. Para produzir amostras dopadas foi feita a substituição de Ca(NO3)2∙6H2O por Zn(NO3)2.6H2O 

Figura 1 - Fluxograma da síntese química da hidroxiapatita. Fonte: (OFUDJE, ADEOGUN, et al., 2019)


Os ensaios in vitro dos arcabouços foram efetuados foram efetuados com a imersão de amostras em fluido corporal simulado (SBF) de 3 até 7 dias e após isso as amostras foram retiradas e analisadas sob um microscópio eletrônico de varredura (MEV), mostradas na 2, para observar as suas morfologias superficiais que encontraram uma estrutura porosa e com o surgimento de uma camada de apatita que proporciona um melhor ambiente para o desenvolvimento de tecidos.


Figura 2 - Imagens do MEV a) amostras dopadas com 10% de Zn antes de serem submersas em SBF b) Amostras dopadas com 10% de Zn após 3 dias submersas em SBF c) Amostras dopadas com 10% de Zn após 7 dias submersas em SBF. Fonte: (OFUDJE, ADEOGUN, et al., 2019)


Os ensaios de atividade antibacteriana foram conduzidos com a imersão de amostras em culturas de Escherichia coli e Staphylococcus aureus durante 7 dias com posterior secagem e fixação das bactérias presentes na superfície com formaldeído. Os ensaios demonstraram que amostras sem dopagem com zinco não apresentavam zonas com inibição de crescimento de bactérias enquanto amostras dopadas apresentaram tais zonas, os autores explicam que esse efeito pode ser causado por mudanças na superfície da camada de apatita que destroem as membranas celulares dos micro-organismos.


Foi possível produzir com sucesso arcabouços de hidroxiapatita dopadas com zinco utilizando a técnica de precipitação química que apresentaram uma estrutura porosa sob análise do MEV e demonstraram ação antibacteriana contra Escherichia coli e Staphylococcus aureus.


Referência:

OFUDJE, E. A., ADEOGUN, A. I., IDOWU, M. A., et al. "Synthesis and characterization of Zn-Doped hydroxyapatite: scaffold application, antibacterial and bioactivity studies", Heliyon, v. 5, n. 5, p. e01716, 1 maio 2019. DOI: 10.1016/j.heliyon.2019.e01716. 


Redação: Gustavo Xavier Peres - UTFPR
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quarta-feira, 20 de outubro de 2021

Optimização da velocidade de impressão 3D

20 outubro

 



Resumo: A velocidade é uma limitação para impressão 3D, por isso cientistas usaram um hidrogel para reduzir a aderência, otimizando a velocidade sem prejudicar as outras propriedades.



A impressão 3D é uma ferramenta muito útil em muitas aplicações, mas como toda técnica, tem suas limitações, como a velocidade de impressão, que ocasiona uma baixa produtividade na fabricação em larga escala. Cientistas desenvolveram um método para otimizar a velocidade de impressão 3D através do uso de um hidrogel.


A impressão com processamento de luz digital (DLP) permite a impressão camada por camada, com uma maior resolução vertical e menor consumo de resina. Consegue fazer impressões com várias geometrias.


Conseguiram usar uma impressora DPL comercial a uma velocidade de 400 mm/h, que é considerada uma velocidade muito alta. Para isto reduziram a aderência com o uso de um hidrogel verde muito suave e muito grossa, que funciona como interfaz da separação contra a peça curada, que permite uma produção estável e contínua, perfeita para a produção em larga escala. Os cientistas alcançaram a metade da velocidade recorde com esse equipamento, mas o objetivo dos cientistas não era alcançar um tempo recorde para a impressão, senão uma maior velocidade com as outras propriedades bem equilibradas, como o custo, solidez e produtividade.


Com este método, pode permitir que a impressão 3D possa deixar de ser quase exclusiva para a produção de protótipos e seja usado na produção final, já que no mercado tem só 7% a comparação do moldado líquido tradicional.




Referência:

Wu, J., Guo, J., Linghu, C. et al. Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface. Nature Communications 12, 6070 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26386-6


Redação: Dennis Luis Gonzales Ordoñez - UNILA
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terça-feira, 15 de dezembro de 2020

Controle de bordas em materiais 2D

15 dezembro

  




Resumo: Pesquisadores tornam possível controlar as bordas de materiais bidimensionais através de um produto químico “mágico” na forma de peroxido de hidrogênio. Com isso é possível obter avanços nas áreas de tecnologia e nanociência.



Materiais ultrafinos como o grafeno prometem uma revolução na nanociência e tecnologia. Pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, publicaram um estudo na Nature Communications no qual apresentam um método para controlar as bordas de materiais bidimensionais.


"Nosso método torna possível controlar as bordas, átomo por átomo, de uma forma fácil e escalonável, usando apenas aquecimento com produtos químicos ecológicos, como o peróxido de hidrogênio", diz Battulga Munkhbat, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física da Chalmers University of Technology e primeiro autor do artigo.


Materiais tão finos quanto uma única camada atômica são conhecidos como materiais bidimensionais ou 2D. O exemplo mais conhecido é o grafeno. Desenvolvimentos futuros dentro do campo bidimensional podem se beneficiar do estudo de uma característica particular inerente a tais materiais, as suas bordas. Controlar as bordas é um problema científico desafiador, porque elas são importantes para caracterizar suas propriedades. Como podem existir diferenças nas propriedades físicas, pode-se esperar que as propriedades químicas das bordas também sejam diferentes.


Pesquisadores descobriram um produto químico “mágico” na forma de peróxido de hidrogênio comum. A “mágica” química opera de uma maneira chamada autolimitante, removendo material indesejado, átomo por átomo, e eventualmente resultando em bordas atomicamente nítidos.


O novo método, que inclui uma combinação de métodos litográficos padrão de cima para baixo com um novo processo que remove quimicamente camadas da superfície por meio úmido anisotrópico, torna possível criar bordas perfeitas em materiais bidimensionais.


Esses e outros materiais relacionados atraem a atenção significativa da pesquisa, pois permitem avanços cruciais na nanociência e tecnologia, com aplicações potenciais que vão desde a eletrônica quântica a novos tipos de nanodispositivos. Essas esperanças são notadas no Graphene Flagship, a maior iniciativa de pesquisa da Europa, coordenada pela Chalmers University of Technology.


Para tornar a nova tecnologia disponível para laboratórios de pesquisa e empresas de alta tecnologia, os pesquisadores fundaram uma empresa start-up que oferece materiais TMD (dichalcogenetos de metais de transição) atomicamente nitidos de alta qualidade. Os pesquisadores também planejam desenvolver aplicações para esses metamateriais atomicamente nítidos.






Referência:

Battulga Munkhbat et al, Transition metal dichalcogenide metamaterials with atomic precision, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-18428-2


Redação: Nathielle Harka - UNILA
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quarta-feira, 9 de dezembro de 2020

Camadas 2D de platina usadas como sensor químico

09 dezembro

 



Resumo: Pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, descobriram a possibilidade de preparar camadas 2D de platina com um átomo de espessura para ser usada como sensor químico pelo método de deposição física a vapor.



Um esquema de átomos de platina depositados na superfície do carbono, que é um material isolante 2-D semelhante ao grafeno desenvolvido epitaxialmente em carboneto de silício, permite o crescimento bidimensional da platina. O objetivo da pesquisa é o desenvolvimento de materiais 2-D além do grafeno.


"Em poucas palavras, conseguimos fazer uma camada de metal com apenas um átomo de espessura, uma espécie de novo material. Descobrimos que este metal atomicamente fino é muito sensível ao ambiente químico. Sua resistência elétrica muda significativamente quando interage com gases, "explica Kyung Ho Kim, pós-doutorado no Laboratório de Física de Dispositivos Quânticos do Departamento de Microtecnologia e Nanociência da Chalmers e principal autor do artigo.


"A fina camada atômica de platina pode ser usada para detecção elétrica ultrassensível e rápida de produtos químicos. Estudamos o caso da platina, mas outros metais como o paládio produzem resultados semelhantes", diz Samuel Lara Avila, professor associado do Quantum Device Laboratório de Física e um dos autores do artigo.


Com isso, os pesquisadores conseguiram detectar gases tóxicos no nível de partes por bilhão. Isso foi demonstrado com a detecção de benzeno, um composto que é cancerígeno mesmo em concentrações muito pequenas e para o qual não existe nenhum aparelho de detecção de baixo custo. Usar metais atomicamente finos pode nos levar para futuras aplicações de monitoramento da qualidade do ar.


Porém, aumentar a sensibilidade dos sensores de gás de estado sólido incorporando materiais nanoestruturados como o elemento de detecção ativo pode ser complicado por efeitos nas interfaces, que pode limitar a leitura do sensor.


Este trabalho relata a preparação de camadas de platina na espessura de um átomo, por deposição física a vapor sobre a camada de carbono zero (também conhecida como camada tampão) crescida epitaxialmente em carboneto de silício. Com uma camada fina de Pt de 3–4 Å, a condutividade elétrica do metal é fortemente modulada ao interagir com analitos químicos.


Os resultados foram publicados recentemente na revista científica Advanced Material Interfaces.




Referência:

Joshua Worth. Single-atom-thin platinum makes a great chemical sensor. Chalmers University of Technology. Phys.org, setembro de 2020; DOI: 10.1002/admi.201902104


Redação: Nathielle Harka - UNILA
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terça-feira, 1 de dezembro de 2020

Nanoestrutura olho-de-mariposa inspirada em mecanismos da natureza

01 dezembro

   





Resumo: Nanoestruturas são desenvolvidas com design inspirado na natureza. Filmes inspirados em olhos de mariposa funcionam como anti-reflexos e podem ter aplicações em monitores de tela plana e também painéis solares.



Muitos problemas são resolvidos baseados nos mecanismos da natureza. Foi desenvolvido um revestimento anti-reflexo que foi inspirado nas bioestruturas peculiares encontradas nos olhos de mariposas.

As mariposas evoluíram para desenvolver olhos não reflexivos. Seus olhos têm uma estrutura nanométrica que torna a superfície do olho graduada. Isso faz com que a maior parte da luz incidente se curve na superfície e, portanto, seja transmitida através do olho ao invés de ser refletida por ele. Esta estrutura em nanoescala é tão eficaz que pesquisadores tentaram imitá-la usando outros materiais para criar revestimentos anti-reflexos com vários graus.

No entanto, apesar dos avanços recentes da nanociência que permitem a adoção dessa ideia para diversas aplicações, ainda existem barreiras a serem superadas em termos de escala e custo. Para resolver esses problemas, cientistas da Universidade de Ciência de Tóquio e da Geomatec Co., Ltd., no Japão, têm trabalhado em uma nova estratégia para produzir nanoestruturas olho-de-mariposa e filmes transparentes.

Embora esta equipe já tivesse criado moldes de olho-de-mariposa feitos de carbono vítreo gravado com um feixe de íons de oxigênio, essa abordagem não era escalável. "A produção de substratos de carbono vítreo requer o uso de tecnologia de metalurgia do pó, que é difícil de se usar para produzir moldes com uma grande área", explica o professor Jun Taniguchi da Universidade de Ciência de Tóquio, "Para superar essa limitação, tentamos usar apenas uma camada fina de carbono vítreo depositado sobre um grande substrato de vidro regular."

Para tornar esta nova estratégia viável, a equipe optou por usar um sistema de plasma acoplado indutivamente (ICP). Essa tecnologia produz uma faixa de irradiação de feixe de íons mais ampla, que é mais adequada para trabalhar em estruturas de grandes áreas.

As propriedades ópticas destes filmes foram notáveis: sua refletância para a luz na faixa visível era de apenas 0,4%, 10 vezes menor do que a de um filme semelhante sem a nanoestrutura do olho-de-mariposa. Além do mais, a transmissão da luz através do material também foi aumentada.

O Sr. Hiroyuki Sugawara, diretor técnico da Geomatec, destaca as muitas aplicações possíveis destes filmes. "Poderíamos usar esses filmes para melhorar a visibilidade em monitores de tela plana, sinais digitais, e as placas de acrílico transparente usadas em todos os lugares desde o início da pandemia de COVID-19. Além disso, o revestimento anti-reflexo também pode ser uma forma eficiente de melhorar o desempenho dos painéis solares."

Este estudo mostra como expandir o uso de estruturas inspiradas na natureza. Esses avanços também podem ajudar a preservar a natureza para que possamos continuar obtendo ideias úteis de outras espécies.






Referência:

Tomoya Yano et al, Moth-eye structured mold using sputtered glassy carbon layer for large-scale applications, Micro and Nano Engineering (2020). DOI: 10.1016/j.mne.2020.100077


Redação: Nathielle Harka - UNILA
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segunda-feira, 16 de novembro de 2020

Processos eletroquímicos podem ser uteis na pandemia

16 novembro

 



Resumo: Um novo tipo de máscara protetora é desenvolvida. Ela extrai e concentra o oxigênio do ar usando processos eletroquímicos. Assim, pode ser evitado consideráveis efeitos colaterais da deficiência de oxigênio, ao mesmo tempo em que previne a propagação do vírus.



Todos nós já nos familiarizamos com as máscaras faciais para prevenir doenças ou, no caso de uma pessoa já infectada, prevenir a propagação de patógenos. As máscaras basicamente filtram o ar que entra e sai dos pulmões, prendendo o vírus e outras partículas em sua malha. Com a crise do COVID-19, muitos se familiarizaram com as máscaras N95, que filtram 95% ou mais das pequenas partículas do ar, incluindo o vírus.


Porém, a máscara também torna mais difícil a respiração. Estima-se que as máscaras N95 reduzam a ingestão de oxigênio entre 5-20%. Para uma pessoa saudável pode até causar tonturas e desmaios. E se for usada uma máscara por tempo suficiente, ela pode danificar os pulmões. Para um paciente com dificuldade respiratória, pode até ser fatal.


A equipe do Laboratório Prinz tinha o objetivo de desenvolver um dispositivo portátil que usasse processos eletroquímicos para enriquecer o oxigênio do ar ambiente.


Esses pesquisadores estão trabalhando em algumas maneiras de fazer isso. O primeiro passo faz parte de um processo clássico conhecido como separação da água (splitting water). Se você coletar água e passar uma corrente elétrica por ela, os elétrons adicionais farão com que a água se divida em hidrogênio puro e oxigênio puro. O hidrogênio pode ser usado como combustível e o oxigênio vai para a máscara para ser respirado.


O dispositivo que foi criado gera oxigênio puro e limpo usando esse processo eletroquímico para suplementar a perda de oxigênio devido ao uso de mascaras. Os pesquisadores acreditam que ele pode proteger o sistema respiratório de usuários de máscaras por um longo período, principalmente profissionais de saúde e pacientes.


Esse dispositivo é direcionado a qualquer pessoa que precise usar uma máscara por muito tempo, como socorristas, médicos, enfermeiros e até mesmo pacientes que não querem infectar outras pessoas. Em curto prazo, é esperado conseguir isso para os profissionais de saúde o mais rápido possível. Um grupo de pesquisa está trabalhando com Allison Okamura e seu pós-doutorando Ming Luo para que o dispositivo seja uma máscara com tecnologia de engenharia e design de quem tem experiência de uso.





Referência:

Andrew Myers. COVID-19 prompts a team of engineers to rethink the humble face mask. Stanford Engineering, abril de 2020.


Redação: Nathielle Harka - UNILA
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sexta-feira, 6 de novembro de 2020

Impressão 3D de sensores de grafeno para pneus inteligentes

06 novembro

 


Resumo: Cientistas desenvolveram sensores impressos em 3D a base de grafeno que são incrustados em pneus, destinados a veículos autônomos, que atuam fornecendo dados em tempo real e funcionam graças à piezoeletricidade.



O setor automotivo tende a criar veículos que tenham um funcionamento cada vez mais automático, desde apertar um botão para subir o vidro até a pilotagem automática. Para que os veículos possam conduzir de forma autónoma, são necessários vários sensores que irão indicar ao veículo o que fazer em várias situações.


Há um grande interesse na produção de vários milhões de veículos autônomos em um futuro próximo, o que exigirá vários sistemas de controle para garantir que sejam seguros para essa operação. Um grupo de cientistas, vendo isso, desenvolveu sensores para pneus inteligentes, para se ter um subsistema de controle e comunicação entre os pneus e a estrada, proporcionando uma detecção de parâmetros que atuem entre eles em tempo real.


Muitos estudos foram realizados, e recentemente os sensores baseados em grafeno mostraram alto desempenho e sensibilidade aumentada, tornando-os perfeitos para esta função. Os cientistas desenvolveram sensores impressos em 3D embutidos diretamente nos pneus, juntamente com um coletor de energia piezoelétrico embutido no pneu para alimentar os sensores e transmitir os dados sem fio, além da aprendizagem automática para análise de dados preditiva. Neste trabalho, o preço de um sensor impresso em 3D é estimado em cerca de 2,7 centavos.


A impressão 3D foi realizada pelo método de deposição em aerossol com tinta de grafeno, cálculos teóricos foram realizados para a modelagem. E para sua viabilidade foi desenvolvido um algoritmo de aprendizagem automática para estimar a pressão dos pneus. A maioria dos dados estava próxima da linha de erro zero.


Este trabalho nos mostra uma solução para evitar que os dados entre o sistema de monitorização da pressão dos pneus (TPMS) e a unidade central de processamento (CPU) sejam comprometidos, ou seja, as informações que a CPU receber da pressão dos pneus não será enganoso.


Esta pesquisa está publicada na revista Nature.




Referência:

Maurya, D., Khaleghian, S., Sriramdas, R. et al. 3D printed graphene-based self-powered strain sensors for smart tires in autonomous vehicles, Nature Communications, 26 de outubro, 2020; DOI: 10.1038/s41467-020-19088-y


Redação: Dennis Gonzales - UNILA
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terça-feira, 3 de novembro de 2020

Mistura de enzimas reduzem a poluição por plásticos

03 novembro

 




Resumo: Cientistas desenvolvem uma mistura de enzimas (MHETase-PETase) de modo que seja possível fazer a reciclagem do polímero PET, diminuindo o uso de recursos fosseis e a poluição por plásticos.



Os mesmos cientistas que projetaram a enzima que se alimenta de plástico, a PETase, criaram agora um coquetel de enzimas que pode digerir o plástico até seis vezes mais rápido. Uma segunda enzima foi combinada com PETase para acelerar a quebra do plástico.


A PETase decompõe o polietileno tereftalato (PET) de modo que seja possível ser reciclado infinitamente e que possa reduzir a poluição pelo plástico e os gases do efeito estufa que impulsionam as mudanças climáticas. O PET é o termoplástico mais conhecido e mais usado para fazer garrafas de bebidas descartáveis. Este polímero leva centenas de anos para se decompor no ambiente, mas com essas enzimas pode reduzir esse tempo para dias.


A descoberta inicial da PETase criou a perspectiva de uma revolução na reciclagem de plástico, criando uma solução potencial de baixo consumo de energia para lidar com o lixo plástico. Essa enzima natural foi desenvolvida em laboratório e pode ser 20% mais rápida na decomposição do PET.


Depois, a mesma equipe combinou PETase e uma segunda enzima chamada MHETase, para gerar melhorias muito maiores. A mistura de PETase com MHETase dobrou a velocidade de decomposição do PET e ainda projetou uma conexão entre as duas enzimas para criar uma 'superenzima'.


Nos primeiros experimentos, foi observado que eles realmente funcionam melhor juntos, então eles foram ligados fisicamente, como dois Pac-men unidos por um pedaço de corda.


A descoberta da enzima PETase original anunciava a primeira esperança de que uma solução para o problema global da poluição por plásticos pudesse estar ao alcance, embora a PETase sozinha ainda não seja rápida o suficiente para tornar o processo comercialmente viável para lidar com as toneladas de garrafas PET descartadas espalhadas pelo planeta.


Combiná-lo com uma segunda enzima, e descobrir que juntas funcionam ainda melhor, significa que outro salto foi dado no sentido de encontrar uma solução para os resíduos de plástico. A combinação MHETase-PETase trabalha digerindo o plástico PET. Isso permite que os plásticos sejam feitos e reutilizados infinitamente, reduzindo nossa dependência de recursos fósseis como petróleo e gás.


Essa pesquisa combinou informações estruturais, computacionais, bioquímicas e bioinformáticas para revelar percepções moleculares sobre sua estrutura e como ela funciona. O estudo foi um enorme esforço de equipe envolvendo cientistas em todos os níveis de suas carreiras.


Uma das autoras mais jovens, Rosie Graham, uma aluna de doutorado do Portsmouth CEI-NREL disse: "Minha parte favorita da pesquisa é como as ideias começam, seja durante o café, no trajeto de trem ou ao passar pelos corredores da universidade, pode ser realmente a qualquer momento”.


O estudo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.




Referência:

Brandon C. Knott, Erika Erickson, Mark D. Allen, Japheth E. Gado, Rosie Graham, Fiona L. Kearns, Isabel Pardo, Ece Topuzlu, Jared J. Anderson, Harry P. Austin, Graham Dominick, Christopher W. Johnson, Nicholas A. Rorrer, Caralyn J. Szostkiewicz, Valérie Copié, Christina M. Payne, H. Lee Woodcock, Bryon S. Donohoe, Gregg T. Beckham, John E. McGeehan. Characterization and engineering of a two-enzyme system for plastics depolymerization. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202006753 DOI: 10.1073/pnas.2006753117


Redação: Nathielle Harka - UNILA
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terça-feira, 27 de outubro de 2020

Transformação do carvão em fibra de carbono

27 outubro

 



Resumo: Está sendo estudado a transformação do carvão em fibra de carbono com processos eficientes em termos de energia e custo-benefício. Este trabalho visa analisar a relação estrutura-propriedade entre o carvão e a fibra de carbono.



O Centro de Pesquisa de Energia Aplicada da Universidade de Kentucky (UK CAER) e o Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA (DOE e ORNL) estão se unindo em um projeto de US$ 10 milhões para transformar carvão em fibras e compósitos de carbono.


De acordo com o UK CAER, o projeto intitulado “C4WARD: Conversão de Carvão em Fibras e Compósitos de Carbono”, busca desenvolver a ciência necessária para criar processos com eficiência e custo benefício melhores em termos de energia, para a fabricação de fibras de carbono com propriedades ajustáveis. Está sendo estudado os desafios associados ao processamento do carvão, variedade da matéria-prima e escala de fabricação da fibra de carbono.


A universidade observa que, a pesquisa da transformação do carvão para ser usada como fibra de carbono mostra uma grande promessa para impactar positivamente a indústria de carvão dos Estados Unidos. Além disso, o mercado de fibras de carbono continua a crescer, impulsionado pelo aumento do uso em aplicações aeroespaciais e de defesa, bem como na redução do peso de automóveis. Existe também o crescimento de novas aplicações, como o isolamento térmico para edifícios e materiais para construção e infraestrutura. O mercado de fibras de carbono deve crescer a uma taxa de crescimento anual de 12% até 2024.


O Grupo de Tecnologia de Materiais da CAER liderará o pesquisa para converter uma variedade de matérias-primas de carvão em fibras e compostos de carbono. A CAER produzirá quantidades em escala de laboratório de fibra de carbono para estudar relações estrutura-propriedade entre o material de carvão e a fibra de carbono.


A ORNL usará sua experiência em química e computação de alto desempenho para correlacionar a estrutura molecular do carvão com sua processabilidade, identificando composições ideais para fabricar fibras de carbono com propriedades ajustáveis.


Além disso, CAER e ORNL também irão colaborar para desenvolver condições de processo para aumentar a produção de fibra na Carbon Fiber Technology Facility (CFTF) em ORNL. O CFTF fornece uma plataforma para identificar matérias-primas de alto potencial e baixo custo, incluindo têxteis, polímeros e precursores à base de hidrocarbonetos. Usando o CFTF, ORNL está desenvolvendo propriedades mecânicas ideais para material de fibra de carbono, com foco na propriedade de estrutura e otimização de processo.





Referência:

Grace Nehls. University of Kentucky, ORNL partner to turn coal into high-value carbon fiber. Composites World, Agosto de 2020.


Redação: Nathielle Harka - UNILA
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segunda-feira, 19 de outubro de 2020

Preparação de eletrocatalizadores com bactéria

19 outubro

 





Resumo: A fim de aumentar a eficiência da cinética em sistemas de conversão de energia, cientistas conseguiram isso desenvolvendo um eletrodo que, quando corroído por bactérias, se obteve alta eficiência.



As bactérias redutoras de sulfato (BSR) têm sido um tanto problemático para estruturas metálicas no mar, pois elas as corroem. Porém, a ciência aproveita essas bactérias para dar a elas outros usos, como redução de hidrocarbonetos do petróleo, limpeza de solos contaminados e basificação de águas ácidas de minas.


O desprendimento do oxigênio é de grande importância em vários sistemas de conversão de energia, incluindo baterias recarregáveis de metal-ar e dispositivos de eletrólise de água. No entanto, por causa da cinética lenta é necessário eletrocatalisadores altamente eficientes, como os nanocompósitos à base de metais nobres, que apresentam excelente atividade, mas por suas reservas limitadas e alto custo os fazem inviável.


Ao corroer o aço carbono, os BSRs produzem sulfetos de ferro e óxidos de ferro (hidroxi), que possuem potencial para o desprendimento de oxigênio, mas existem poucos estudos sobre a indução por corrosão de eletrodos de biofilme. Vendo isso, os cientistas se inspiraram no comportamento desses microrganismos para preparar compostos de Ni-Fe altamente ativos por corrosão na presença de BSR anaeróbico.


Os pesquisadores viram que o eletrodo que prepararam (Ni (Fe) OOH - FeSx), formado pela corrosão, tinha alta atividade para o desprendimento de oxigênio no eletrólito alcalino, e que com apenas 220 mV obtiveram a densidade de corrente de referência de 10 mA cm−2. De acordo com seus estudos, essa alta atividade vem do efeito sinérgico entre as espécies de oxihidróxido e sulfeto de ferro.


Este trabalho, ao incluir diferentes ramos da ciência, espera promover a multidisciplinaridade em projetos subsequentes.


A pesquisa está publicada na revista Nature.







Referência:

Yang, H., Gong, L., Wang, H. et al. Preparation of nickel-iron hydroxides by microorganism corrosion for efficient oxygen evolution, Nature Communications, 08 de outubro, 2020; DOI: 10.1038/s41467-020-18891-x


Redação: Dennis Gonzales - UNILA
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segunda-feira, 5 de outubro de 2020

Técnica de impressão 3D que reduz resíduos

05 outubro

  





Resumo: A impressão 3D facilita a fabricação de vários produtos, porém também tem suas limitações. Um grupo de pesquisadores desenvolveram uma técnica capaz de reduzir custos ao aumentar a eficiência do material a ser impresso.



Com a impressão 3D podemos desenhar um objeto em um computador e fabrica-lo com maior facilidade que outros métodos, mas ainda existem certos pontos negativos como os resíduos da fabricação que aumentam os custos, além de outros fatores.

Pesquisadores estudaram a fotocura, uma forma de impressão 3D, que permite a solidificação de um modelo 3D na interface de cura. Ele se tornou uma técnica promissora com uma variedade de aplicações. É mais eficaz do que outros processos, como para a construção de estruturas finas, uma vez que os outros processos têm baixa eficiência quando utilizado material úmido ou material líquido. Nas outras técnicas, a adesão, o resíduo de resina líquida no recipiente que contem a tinta e na superfície sólida curada limitam a construção em alta resolução e aumenta os custos, especialmente quando se usa resinas caras.

Inspirando-se na superfície natural da flor de lótus, o líquido na superfície pode reduzir muito a adesão interfacial no substrato, resultando no modo de contato esférico de uma gota. Pensando nisso, um grupo de cientistas tentou fazer estruturas 3D a partir de uma única gota de alta eficiência com o uso de material úmido e limpo. Isso se deve à propriedade de recuo da linha de contato trifásica (TCL) do cordão de resina.

De acordo com a teoria, há três interfaces envolvidas: a interface entre a resina líquida e a resina curada, a interface entre a resina curada e a interface de cura e a interface entre a resina líquida e a interface de cura, que devem atender a certos critérios de aderência entre eles para os quais os cientistas testaram a capacidade de impressão 3D de uma gota comercial flexível, verificando assim a relação entre as interfaces.

Eles mostraram que na técnica de impressão 3D de uma gota, a eficiência na utilização do material líquido e a força de desumidificação dependem do peso da gota, da área de projeção da fonte de UV e do padrão de projeção da fonte de UV. Portanto, com um tamanho de gota menor, pode se ter uma espessura menor aderida. Uma maior área de superfície da estrutura 3D produz mais resíduos e diminui a eficiência de uso. Mas isso aumenta ao variar o padrão de projeção UV de um formato redondo para um formato de ranhura em V, que influencia na morfologia da linha de contato e a distribuição 3D da resina líquida.

Portanto, essa nova técnica pode minimizar desperdícios e melhorar a eficiência, reduzindo custos. A impressão 3D de gota única será de grande importância para a fabricação sob demanda.

Esta pequisa está publicada na revista Nature.







Referência:

Zhang Yu, Dong Zichao, Li Chuxin, et al. Continuous 3D printing from one single droplet, Nature Communications, 17 de setiembre, 2020; DOI: 10.1038/s41467-020-18518-1


Redação: Dennis Gonzales - UNILA
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