Teia de aranha inspira sensor quntico que funciona a temperatura ambiente


Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 25/11/2021

Teia de aranha inspira sensor qu

Impresso artstica da teia de aranha artificial – as medies das vibraes so feitas com um laser.
[Imagem: Optics Lab/TU Delft]

Sensor quntico a temperatura ambiente

Engenheiros foram buscar inspirao nas teias de aranha para criar dentro de um microchip um dos sensores mais precisos do mundo.

De fato, o sensor nico em sua classe porque funciona a temperatura ambiente, mesmo fazendo suas medies usando fenmenos da mecnica quntica.

Dongil Shin e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Delft, nos Pases Baixos, afirmam que seu feito ” o clice sagrado das tecnologias qunticas e do sensoriamento”.

Combinando nanotecnologia e aprendizado de mquina inspirado nas teias de aranha, Shin fabricou um sensor nanomecnico que vibra em um estado de isolamento quase absoluto do rudo ambiental, que destri rapidamente a maioria dos fenmenos qunticos quando eles no so mantidos prximos ao zero absoluto.

Para conseguir isso, a equipe buscou inspirao nas teias de aranha, que so detectores de vibrao excepcionalmente eficientes, capazes de avisar aranha que algum inseto caiu na armadilha – j se sabia que a engenharia das aranhas to importante quanto a resistncia da seda.

“Percebi que as aranhas so detectores de vibrao realmente bons, j que desejam medir as vibraes dentro da teia para encontrar sua presa, mas no fora dela, como o vento balanando a rvore. Ento, por que no pegar carona em milhes de anos de evoluo e usar uma teia de aranha como modelo inicial para um dispositivo ultrassensvel?” props o professor Richard Norte, coordenador da pesquisa.

Teia de aranha inspira sensor qu

Um laser imita os ps da aranha, sondando continuamente os pontos crticos da teia artificial.
[Imagem: Dongil Shin et al. – 10.1002/adma.202106248]

Detector de vibrao inspirado na teia de aranha

Como parecia complicado demais decifrar a eficincia da aranha e de sua teia, a equipe decidiu deixar que o aprendizado de mquina guiasse seus experimentos.

“Sabamos que experimentos e simulaes seriam caros e demorados, ento, com meu grupo, decidimos usar um algoritmo chamado otimizao Bayesiana, para encontrar um bom design usando poucas tentativas,” contou Shin.

Para surpresa do pesquisador, o algoritmo props uma teia de aranha relativamente simples, que consiste em apenas seis cordas colocadas juntas de uma maneira incrivelmente simples. E as simulaes mostraram a seguir que, se aplicado a tomos, o princpio poderia funcionar a temperatura ambiente.

A equipe ento construiu um sensor dentro de um microchip usando uma pelcula de material cermico ultrafino, chamado nitreto de silcio. Eles testaram o modelo fazendo o chip vibrar fortemente e medindo o tempo que levava para as vibraes em sua nanoteia pararem.

O resultado foi espetacular: uma vibrao isolada detectada com uma sensibilidade recorde em temperatura ambiente. “No encontramos quase nenhuma perda de energia fora da nossa teia de microchip: As vibraes se movem em um crculo no lado de dentro e no tocam o lado de fora. Isso algo como dar a algum um nico empurro em um balano e faz-lo balanar por quase um sculo sem parar,” comparou o professor Norte.

De acordo com os pesquisadores, seu sensor quntico inspirado nas teias de aranha abre um caminho para novos avanos combinando designs bioinspirados, aprendizado de mquina e nanotecnologia. Esta plataforma tem implicaes interessantes para a internet quntica, sensoriamento, tecnologias de microchip e at para fsica fundamental, como no estudo de foras muito pequenas, por exemplo, a gravidade ou a matria escura, que so notoriamente difceis de medir.

Bibliografia:

Artigo: Spiderweb Nanomechanical Resonators via Bayesian Optimization: Inspired by Nature and Guided by Machine Learning
Autores: Dongil Shin, Andrea Cupertino, Matthijs H. J. de Jong, Peter G. Steeneken, Miguel A. Bessa, Richard A. Norte
Revista: Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202106248

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