Conforme nossa necessidade de dispositivos e sensores eletrônicos cresce, os cientistas estão descobrindo novas maneiras de manter os dispositivos ligados por mais tempo com menos energia.
O último sensor a ser inventado em laboratório pode durar um ano inteiro com uma única explosão de energia, auxiliado por um fenômeno físico conhecido como tunelamento quântico.
O aspecto do tunelamento significa que, com a ajuda de um jumpstart de 50 milhões de elétrons, este dispositivo simples e barato (composto de apenas quatro capacitores e dois transistores) pode continuar por um longo período de tempo.
As regras quânticas da física, aplicadas nas menores escalas atômicas, significam que os elétrons podem se comportar tanto como partículas quanto como ondas, e os cientistas foram capazes de explorar esse comportamento para controlar com precisão o fluxo de elétrons de um lado a outro de um circuito.
“Se você quer chegar do outro lado, tem que subir fisicamente a colina”, diz o engenheiro elétrico Shantanu Chakrabartty, da Universidade de Washington em St. Louis.
“Túnel quântico é mais como atravessar a colina.”
Para gerar corrente, os dispositivos precisam ser capazes de dar aos elétrons um empurrão forte o suficiente – algo conhecido como energia de limiar, porque esse impulso precisa estar acima de um certo limite. Quando você está tentando fazer dispositivos que funcionam com o mínimo de energia possível, atingir esse limite pode ser complicado.
É aqui que entra a parte da mecânica quântica: ao adotar certas abordagens para moldar a ‘colina’ ou barreira que precisa ser superada, é possível controlar o fluxo de elétrons de várias maneiras diferentes.
Nesse caso, a ‘colina’ é chamada de barreira de túnel Fowler-Nordheim, com menos de 100 átomos de espessura. Ao construir a barreira dessa forma, os cientistas conseguiram reduzir o fluxo de elétrons ao mesmo tempo em que mantinham o sistema (e o dispositivo) estável e ligado.
“Imagine que há uma maçã pendurada em uma árvore”, diz Chakrabartty. “Você pode sacudir a árvore um pouco, mas a maçã não cai. Você tem que dar um puxão suficiente para sacudir a maçã.”
“É a quantidade mínima de energia necessária para mover um elétron sobre uma barreira.”
Dentro do dispositivo existem dois sistemas dinâmicos, um com um transdutor (conversor de energia). A equipe teve que trabalhar para trás para moldar sua colina ou barreira, medindo o movimento do elétron primeiro e, em seguida, refinando a configuração Fowler-Nordheim de acordo.
O que os pesquisadores conseguiram foi um dispositivo que usa a interação entre os dois sistemas internos para detectar e registrar dados sem usar energia adicional. Algo assim poderia ser usado para monitorar a glicose no sangue, por exemplo, ou medir a temperatura para o transporte da vacina – baterias desnecessárias.
Nesse caso, o transdutor usado era um acelerômetro piezoelétrico, que detectava e era alimentado pelo movimento do ambiente, mas os princípios básicos do sistema de longa duração e alta eficiência também podem ser aplicados a outros tipos de captação de energia.
“No momento, a plataforma é genérica”, diz Chakrabartty. “Depende apenas do que você acopla ao dispositivo. Contanto que você tenha um transdutor que pode gerar um sinal elétrico, ele pode autoalimentar nosso sensor-data-logger.”
Publicado em 23/11/2020 01h56
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