São 41 vagas em diversas áreas do conhecimento, inclusive Engenharia Física (Instituto de Física da UFMS).
Informações: https://www.ufms.br/ufms-oferece-41-vagas-em-concurso-para-docentes/
Author: Verónica Savignano
Concurso para professor doutor no Instituto de Física da USP.
Edital IF-13/18 (Materiais em Escala Nanométrica)
Estarão abertas, até o dia 12 de setembro de 2018, as inscrições ao Concurso de Títulos e Provas para provimento de um cargo de Professor Doutor, na Referência MS-3.1, em RDIDP, com o salário de R$ 10.670,76, no Departamento de Física dos Materiais e Mecânica do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, na área de Materiais em Escala Nanométrica.
Para candidatos brasileiros e estrangeiros com domínio da língua portuguesa, as instruções e os formulários para as inscrições estão disponíveis no site
http://portal.if.usp.br/ataac/sites/portal.if.usp.br.ataac/files/Edital%2013
Informações adicionais poderão ser obtidas na Assistência Acadêmica do IFUSP. Telefones +55-11-30916020 / +55-11-30917000, ou no DFMT, com Antonio Domingues dos Santos (adsantos@if.usp.br), fone +55-11-30916886
Boletim da SBPMat – 71ª edição.
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Da ideia à inovação: O fio de vidro que conectou o mundo (parte 2).
Veja nossa matéria sobre a primeira parte desta história.
E aqui estamos de volta à história do desenvolvimento das fibras ópticas.
No final da década de 1950, fibras ópticas curtas já eram produzidas industrialmente e usadas em alguns segmentos, principalmente em medicina para inspecionar o interior do corpo humano por meio de endoscópios.
No âmbito das telecomunicações, a transmissão de informações por meio de fios de cobre e de ondas de rádio estava estabelecida e continuava avançando. O primeiro cabo transatlântico de fios de cobre foi instalado em 1956, e o primeiro satélite de telecomunicações, que usava ondas de rádio, foi lançado dois anos depois. Entretanto, o crescente uso do telefone e da televisão estavam gerando uma urgente demanda por aumentar a capacidade de transmitir informações.
Empresas de telecomunicações da Europa e Estados Unidos começaram a buscar soluções em seus laboratórios de pesquisa. A maior parte das pesquisas focava, principalmente, no uso das ondas de rádio de comprimento mais curto e das micro-ondas, mas não considerava as ondas da chamada “região óptica”, formada principalmente pela luz visível. Todavia, era nas ondas de luz visível que podia ser encontrado o maior potencial para as comunicações. Para se ter uma ideia, essas ondas podem carregar dezenas de milhares de vezes mais informação do que as ondas de rádio, por exemplo.
A aparição em cena do laser puxou um pouco a história para o lado das telecomunicações ópticas. Inventado em 1960, em um centro de pesquisa de uma empresa aeroespacial dos Estados Unidos, o laser foi ganhando novas e melhores versões ao longo da década. Com a sua capacidade de emitir luz em forma de feixes muito estreitos que se conservam por grandes distâncias, o laser podia ser um ótimo parceiro da fibra óptica.
Entretanto, a fibra óptica era deixada de lado devido à sua enorme atenuação – redução de intensidade do sinal de luz entre dois pontos, a qual se mede em decibéis perdidos por quilômetro percorrido (dB/km). De fato, usando as fibras ópticas disponíveis naquele momento, apenas 1% da luz injetada na fibra permanecia nela 20 metros adiante. Perante essa baixíssima eficiência, outras formas de guiar a luz começaram a ser propostas e testadas por alguns grupos, enquanto outros pesquisadores continuavam investindo esforços e recursos em guias de ondas de rádio ou micro-ondas.
Os poucos grupos que apostavam na fibra óptica ou em guias de ondas ópticas similares (filmes finos, por exemplo) no início da década de 1960 estavam localizados na STL (centro de pesquisa da empresa britânica de telecomunicações STC); na CSF (forte grupo empresarial francês atuante em áreas como telecomunicações, defesa, materiais e eletrônica); nos laboratórios Bell (laboratório estadunidense de pesquisa industrial na época ligado à companhia de telecomunicações AT&T), e na universidade japonesa de Tohuku.
No grupo da STL, trabalhava Charles K. Kao, quem ganharia o Premio Nobel de Física em 2009 em reconhecimento a seus trabalhos com fibra óptica. Nascido em Xangai (China), Kao cursou o final do ensino secundário em um colégio britânico de Hong-Kong e foi morar na Inglaterra em busca de estudos universitários em eletrônica e comunicações, áreas que lhe apaixonavam. Formou-se em Engenharia Elétrica pela University of London em 1957, e logo começou a trabalhar para a STC, até receber e aceitar uma proposta de fazer doutorado empresarial no braço de pesquisa da empresa, o STL. Ali ajudou o pesquisador Antoni E. Karbowiak em seus estudos sobre diversos guias de onda, até que o Karbowiak saiu da STL para assumir uma cadeira de professor. Nesse momento, Kao se dedicou na STL ao projeto no qual ele mais acreditava, o do desenvolvimento de fibras compostas por núcleo e revestimento para serem usadas em telecomunicações como guias de ondas de luz visível.
Kao contou então com a ajuda de seu colega, o jovem engenheiro George Hockham, para desenvolver seus estudos sobre fibra óptica. Juntos se dedicaram a entender as causas das perdas de luz na fibra, para saber se elas poderiam ser eliminadas ou diminuídas ou se, pelo contrário, tentar baixar a atenuação era encarar uma batalha perdida. Enquanto Hockham estudava as imperfeições no formato ou tamanho das fibras, Kao se concentrava nas características do material, em particular sua estrutura e as impurezas e defeitos presentes nela. Os resultados dos estudos da dupla foram publicados em junho de 1966 nos IEEE Proceedings [K.C. Kao and G.A. Hockham, “Dielectric-Fibre Surface Waveguides for optical frequencies”. Proc. IEE, 113, 1151 (1996)].
Esse artigo pode ser considerado um marco na história da fibra óptica, por ser o primeiro que reportou as causas das perdas de luz na fibra óptica e que mostrou o caminho a seguir e a meta a alcançar para conseguir uma fibra apta ao uso em telecomunicações.
Com base nas características dos emissores (laser) e detectores de luz existentes, Kao e seu coautor afirmavam que, para poder usar as fibras em telecomunicações ópticas, era necessário baixar sua atenuação até chegar aos 20 dB/km. A meta era muito desafiadora, pois nas fibras disponíveis no momento a luz atenuava 20 dB… a cada 20 metros! Isso na melhor das hipóteses. Contudo, ao mostrar que as principais causas das perdas de luz nas fibras ópticas estavam relacionadas à presença de impurezas no material, que absorviam ou espalhavam a luz e a desviavam da sua rota, o artigo apontou um caminho para diminuir a atenuação: o uso de vidros mais puros.
O artigo concluía que fibras cilíndricas compostas por um núcleo e um revestimento, ambos feitos de materiais vítreos com índices de refração levemente diferentes (maior no núcleo), poderiam ser meios de transmissão de informação muito melhores do que os existentes na época, além de mais baratos. Nessas fibras, a informação viajaria codificada em sinais de luz que percorreriam o núcleo, enquanto o revestimento garantiria que a luz permaneça no núcleo mesmo nas curvas.
Depois disso, Charles Kao continuou se dedicando à fibra óptica, investindo seu tempo não apenas na pesquisa, mas também na divulgação. De fato, ele proferiu palestras sobre seus estudos e sobre o potencial da fibra óptica em diversos laboratórios e empresas do mundo. Além disso, a STL divulgou um press release destacando as possibilidades da fibra óptica no campo das comunicações, o qual teve pouca repercussão na imprensa.
Em paralelo, junto a novos colaboradores, Kao fez uma série de experimentos com diversos vidros e outros materiais e mostrou, entre outros resultados, que no vidro denominado sílica fundida pura, a atenuação podia chegar a apenas 5 dB/km. O resultado era animador, mas transformar em uma fibra óptica esse material feito de dióxido de silício (SiO2) puro era outra história. Devido à sua pureza, esse vidro só podia ser fundido a altíssimas temperaturas, superiores a 1.500 °C. Além disso, depois de fundido, sua viscosidade dificultava a sua transformação em qualquer produto. Finalmente, o índice de refração da sílica fundida era extremamente baixo. Desse modo, utilizá-la para fabricar o núcleo da fibra, se por um lado seria vantajoso em termos de pureza, por outro lado seria complicadíssimo, não apenas pela dificuldade de processar o material, mas também pela impossibilidade de achar um material com índice de refração menor para o revestimento.
Nesse momento, alguns laboratórios de empresas da Alemanha, Estados Unidos, França, Reino Unido e Japão decidiram enfrentar o desafio de desenvolver a fibra óptica de baixa atenuação. Perante a dificuldade de lidar com a sílica fundida, a maioria desistiu desse material e tentou fazer fibras ópticas com outros vidros, retirando-lhes as impurezas. Por sua vez, outros grupos desistiram de fazer fibras ópticas de baixa atenuação ao ouvir especialistas em vidro que afirmavam que seria impossível retirar as impurezas que estavam incomodando.
Apenas um desses grupos fez escolhas diferentes, o da empresa Corning, nos Estados Unidos. Fundada em 1851, a firma sempre trabalhou com vidros, mas, longe de se estancar na produção de produtos de baixo valor agregado, ela protagonizou o desenvolvimento de muitas inovações, a começar pela bola de vidro da lâmpada incandescente de Thomas Edison. No início da década de 1930, foi na Corning que o químico Franklin Hyde criou o método de hidrólise de chama que viabilizou a fabricação e processamento de sílica pura. Nesse método, em vez de se fundir cristais de dióxido de silício, parte-se de um composto líquido baseado em silício que, aquecido em cima de uma chama, acaba gerando um pó que se pode ser depositado formando camadas de sílica.
Em 1966, a Corning incumbiu o físico Robert Maurer de pesquisar e desenvolver fibras ópticas de menos de 20 dB/km de atenuação para uso em comunicações ópticas. Em 1968, mais dois cientistas tinham se somado a Maurer nesse projeto: Peter Schultz, doutor em Ciência do Vidro, e Donald Keck, doutor em Física.
O trio trabalhou duro em ideias que eram opostas àquelas que os demais grupos do mundo estavam seguindo. Na escolha do material, o grupo da Corning optou por usar o vidro mais puro e acrescentar impurezas quando necessário, em vez de retirar impurezas de vidros menos nobres até chegar à atenuação desejada. Os cientistas da Corning usaram, então, a sílica fundida pura para o revestimento da fibra óptica, o qual precisava de um material com índice de refração menor, e a sílica com pequeníssimas quantidades de titânio no núcleo, de modo a aumentar o índice de refração apenas o necessário e diminuir a pureza o mínimo possível.
Para o método de fabricação da fibra, o grupo da Corning também seguiu um caminho próprio, baseado no método que Hyde tinha desenvolvido mais de trinta anos atrás. O trio fabricou um tubo de sílica pura e depositou a sílica dopada dentro dele. Com essa fibra, cerca de quatro anos depois do início do projeto de desenvolvimento da fibra óptica de baixa atenuação, o grupo da Corning obteve a primeira medida de atenuação menor que 20 dB/km. Estava desenvolvida a primeira fibra óptica de baixa atenuação!
Em maio de 1970, a equipe depositou duas patentes revelando, respectivamente, a composição e o método de fabricação dessa fibra e, depois disso, começou a divulgar os resultados.
Em 1971, a Corning decidiu que o projeto poderia passar da fase de pesquisa à de desenvolvimento, na qual engenheiros trabalharam para tornar a fabricação adequada à escala industrial, para deixar a fibra mais resistente (a primeira fibra era mais frágil do que o desejável) e para finalizar o desenvolvimento junto a empresas que tinham interesse em comprar a fibra. Enquanto isso acontecia, a equipe de pesquisa continuou explorando, com bons resultados, novas possibilidades para obter melhores fibras ópticas. Depois disso, Maurer, Schultz e Keck se viram obrigados a dedicar uma grande parte do tempo deles a litígios judiciais relacionados às patentes da fibra óptica, que foram outorgadas à Corning em 1972 e 1973.
No início da década de 1970, a fibra óptica ainda não era uma inovação propriamente dita. De fato, a inserção dessa tecnologia no mercado demorou mais de 10 anos para acontecer. Essa parte da história, também interessante, não será abordada aqui, mas alguns marcos podem ser citados. Em 1975, no Reino Unido, as primeiras fibras ópticas não-experimentais foram instaladas. Em 1976, a Corning inaugurou a sua primeira fábrica industrial de fibras ópticas. Em 1983, nos Estados Unidos, foi instalada a primeira rede nacional de telefonia baseada em fibras ópticas. Em 1988, o primeiro cabo transatlântico de fibras ópticas foi instalado.
Atualmente, com bilhões de quilômetros de fibra óptica instalados, as telecomunicações no planeta Terra, principalmente via Internet, dependem fortemente desses finos fios de vidro ou plástico. Com relação a outras tecnologias, a fibra óptica mantém o primeiro lugar em velocidade de transmissão de dados, com imensas quantidades de informação podendo ser transmitidas em 1 segundo entre pontos distantes do planeta. Com relação às ondas de rádio que predominavam nas comunicações ópticas 60 anos atrás, essa capacidade aumentou nada menos que um milhão de vezes. Valeu a pena o esforço de todos os envolvidos na história, não é mesmo?
Para saber mais
- Two revolutionary optical technologies. The Royal Swedish Academy of Sciences. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/advanced-physicsprize2009.pdf
- Making the first low-loss optical fibers. Peter C. Schultz. http://www.peterschultzconsulting.com/wp-content/uploads/2015/03/SchultzOPN2010Makinglowlossfiber.pdf
- Optical fiber spans 30 years. Dr Donald B. Keck. http://www.corning.com/media/worldwide/coc/documents/Fiber/Resource%20Center%20-%20General/r3461.pdf
- City of light. The story of fiber optics. Jeff Hecht. Oxford University Press (1999).
Artigo em destaque: Labirinto de argila em matriz de hidrogel para liberação controlada de fármacos.
O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Celso R. N. Jesus, Eduardo F. Molina, Sandra H. Pulcinelli, and Celso V. Santilli. Highly Controlled Diffusion Drug Release from Ureasil–Poly(ethylene oxide)–Na+–Montmorillonite Hybrid Hydrogel Nanocomposites. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10 (22), pp 19059–19068. DOI: 10.1021/acsami.8b04559
Labirinto de argila em matriz de hidrogel para liberação controlada de fármacos
Ao combinar na escala nanométrica uma argila e um gel polimérico, uma equipe científica com membros da Universidade Estadual Paulista “Julio de Mesquita Filho” (UNESP) e da Universidade de Franca (UNIFRAN) desenvolveu um novo material que consegue carregar fármacos e liberá-los de forma gradual e controlada.
A equipe testou in vitro – ou seja, no laboratório, em recipientes que simulam as condições biológicas – o desempenho do material na liberação de diclofenaco sódico. Esse fármaco é um anti-inflamatório, administrável por via oral ou por injeção, bastante utilizado para aliviar o inchaço e a dor gerados, por exemplo, por artrite, reumatismo, lesões musculares, cirurgias ou gota.
O material desenvolvido é um nanocompósito, no qual é possível distinguir um hidrogel polimérico, uma argila e o fármaco. O hidrogel (gel que absorve quantidades de água superiores às normais sem se dissolver) é composto por um material híbrido orgânico-inorgânico chamado siloxano-poliéter ou ureasil. A argila é conhecida como montmorilonita, e se apresenta no nanocompósito em forma de lamelas nanométricas homogeneamente dispersas no hidrogel. Quanto ao diclofenaco sódico, que aparece encapsulado dentro do nanocompósito, é incorporado ao material durante a preparação do mesmo, como se fosse mais um “ingrediente”.
O nanocompósito foi obtido pela equipe paulista por meio do processo sol-gel. Esse método de preparo de materiais é baseado em uma série de reações químicas, nas quais ocorre uma transformação de um “sol” (líquido com partículas nanométricas em suspensão) em um gel (rede rígida tridimensional com interstícios nos quais o líquido permanece imobilizado).
Neste nanocompósito, o hidrogel, que é hidrofílico, tem como função principal absorver água do meio externo e armazená-la em seus interstícios. Nesse ambiente aquoso, moléculas do fármaco se dispersam devido ao processo físico de difusão até atravessarem os poros do hidrogel e saírem para o meio externo, o qual seria o corpo humano se o material estivesse sendo usado para liberar fármacos em pacientes reais.
A principal novidade do material é o uso da argila, que é impermeável, para controlar o modo como o fármaco é liberado. De fato, no material desenvolvido pela equipe paulista, as lamelas nanométricas de argila atuaram como barreira física à passagem das moléculas de água e do fármaco.
Conforme ilustra a imagem ao lado, o conjunto de lamelas formou um verdadeiro labirinto que retardou o movimento dessas moléculas, imprimindo um determinado ritmo à absorção de água e à liberação do diclofenaco sódico.
“A principal contribuição do trabalho foi desenvolver um sistema de barreira baseado em um material híbrido orgânico-inorgânico contendo polímero-argila para o controle fino de liberação do fármaco diclofenaco de sódio”, afirma Eduardo Ferreira Molina, autor correspondente de artigo sobre o assunto, recentemente publicado no periódico ACS Applied Materials & Interfaces. Molina atualmente é professor da Universidade de Franca (SP).
No trabalho reportado nessa revista, os autores prepararam uma série de amostras do nanocompósito usando diferentes proporções de argila montmorilonita, e também amostras do hidrogel sem argila. Os cientistas usaram várias técnicas de caracterização para analisar a estrutura dos nanocompósitos obtidos e das fases que os compõem (o hidrogel e a argila), bem como para estudar a absorção de água e a liberação do fármaco no material. Dessa maneira, a equipe conseguiu verificar que a presença da argila era essencial para controlar a forma como o fármaco era liberado. Ajustando a porcentagem de argila usada na preparação dos nanocompósitos, os pesquisadores conseguiram evitar que uma grande dose de diclofenaco sódico fosse liberada no início (um problema comum em sistemas de liberação de fármacos). Eles também conseguiram que a liberação posterior ocorresse de forma pausada e a uma taxa constante e previsível.
Os resultados deste trabalho podem constituir um primeiro passo rumo ao uso deste nanocompósito como sistema de liberação de fármacos para tratamentos prolongados de artrite, enxaqueca, dor pós-cirúrgica etc. Com um sistema como este, a medicação poderia ser liberada paulatinamente nas doses e taxas mais adequadas, mantendo a concentração ideal do fármaco na corrente sanguínea.
O trabalho, que recebeu financiamento das agências federais brasileiras CAPES e CNPq e da agência paulista FAPESP, foi realizado no Instituto de Química da UNESP, na cidade de Araraquara, com exceção das medidas de espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS), realizadas no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), na cidade de Campinas.
A pesquisa foi desenvolvida entre 2010 e 2014 no doutorado em Química de Celso Ricardo Nogueira Jesus, com orientação do professor Celso Valentim Santilli (UNESP) e da professora Sandra Helena Pulcinelli (UNESP). A ideia, até então inédita, de desenvolver esses nanocompósitos para funcionarem como barreiras para liberação controlada de fármacos surgiu no início do doutorado de Nogueira Jesus. O tema reuniu temas desenvolvidos em outros dois trabalhos de pós-graduação. Por um lado, a pesquisa de doutorado de Eduardo Molina, orientada pelo professor Santilli, sobre siloxano-poliéter para liberação controlada de fármacos. Em 2010, esse trabalho estava em fase de conclusão. Por outro lado, o trabalho de mestrado de Márcia Hikosaka, orientado pela professora Pulcinelli e concluído alguns anos atrás, sobre o preparo de nanocompósitos com polímeros e argila montmorilonita.
Volume especial dos Anais da Academia Brasileira de Ciências “Materials Science for a Better Future”.
Os Anais da Academia Brasileira de Ciências (AABC) em parceria com a Sociedade Brasileira de Pesquisa em Materiais (SBPMat) lançarão o volume especial “Materials Sciences for a Better Future”.
Segundo o editor, Frank Crespilho, professor do Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da Universidade de São Paulo (USP) e membro da SBPMat, esta é uma grande oportunidade para se comemorar o sucesso das pesquisas na área de Materiais no Brasil. Também, esse volume especial faz parte da continuação das comemorações do centenário da Academia.
Os sócios da SBPMat e demais pesquisadores estão convidados a submeter seus trabalhos originais completos pelo site da revista no Scielo, de 9 de agosto a 9 de novembro de 2018, indicando na submissão e na Cover Letter sua participação no volume especial.
As publicações dos AABC não têm custo para os autores e podem ser acessadas livremente. Os AABC têm se engajado na publicação de volumes especiais, contemplando todas as áreas das ciências. Recentemente, a revista publicou artigos para o especial “Brazil: Frontiers of Chemical Sciences”, que podem ser acessados livremente aqui.
Site para submissão de trabalhos: https://mc04.manuscriptcentral.com/aabc-scielo
Boletim da SBPMat – 70ª edição.
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Artigo em destaque: Flocos de alumínio para produção de nanotubos de carbono.
O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: High-yield synthesis of bundles of double- and triple-walled carbono nanotubes on aluminum flakes. Thiago H.R. da Cunha, Sergio de Oliveira, Icaro L. Martins, Viviany Geraldo, Douglas Miquita, Sergio L.M. Ramos, Rodrigo G. Lacerda, Luiz O. Ladeira, Andre S. Ferlauto. Carbon 133(2018) 53-61.
Flocos de alumínio para produção de nanotubos de carbono
Uma equipe de cientistas de instituições mineiras fez uma promissora contribuição à produção de nanotubos de carbono. Esses cilindros ocos cujas paredes de carbono têm apenas 1 átomo de espessura já fazem parte de alguns produtos (baterias, materiais automotivos, filtros de água), mas sua produção industrial ainda é incipiente e precisa de soluções para baixar custos e aumentar a eficiência, entre outros desafios.
Os pesquisadores brasileiros introduziram uma novidade em uma das etapas da técnica mais consolidada para a produção em massa de nanotubos, a deposição química a vapor (CVD, na sigla em inglês). Dessa maneira, a equipe conseguiu produzir feixes de nanotubos de duas e três paredes (algo similar a dois ou três cilindros ocos, um dentro do outro). Finos, compridos e de alta pureza, os nanotubos apresentaram diâmetros de 3 a 8 nanometros, comprimentos até 50 mil vezes maiores que seu diâmetro (de 150 a 300 micrometros) e mais 90 % de carbono na sua composição.
“A principal contribuição deste trabalho é a apresentação uma rota escalável e de baixo-custo para síntese de feixes de nanotubos de carbono com grande área superficial (625 m2/g) e razão de aspecto (50000:1)”, diz Thiago Henrique Rodrigues da Cunha, pesquisador da frente de síntese do Centro de Tecnologia em Nanomateriais (CTNano) da Universidade Federal de Minas Gerais (UFGM) e autor correspondente do artigo deste trabalho, que foi recentemente publicado no periódico Carbon (fator de impacto= 6,337).
O método, além de gerar nanotubos de boa qualidade, permite produzir quantidades relativamente grandes desse material usando quantidades relativamente baixas de matérias-primas. “Mesmo utilizando sistemas pequenos, é possível a obtenção de nanotubos de carbono em escala de quilograma/dia”, diz o pesquisador. Como os nanotubos obtidos apresentaram uma relação entre área superficial e massa muito grande (mais de 625 metros quadrados pesam apenas um grama), a produção dos nanotubos por este método poderia alcançar alguns milhões de metros quadrados por dia.
Com os nanotubos obtidos e um tipo de álcool, a equipe científica preparou uma pasta, a qual distribuiu sobre um papel de filtro, formando um filme que foi separado do papel quando a pasta secou. O filme, de cor preta, apresentou 40 micrometros de espessura e ficou flexível e dobrável. Agregados macroscópicos de nanotubos de carbono como este são usualmente chamados de buckypapers.
“Os buckpapers produzidos a partir destes nanotubos apresentaram grande área superficial e boa condutividade elétrica, o que os torna particularmente interessantes na confecção de eletrodos para baterias e supercapacitores”, afirma Thiago da Cunha, que acrescenta que a equipe do CTNano já está trabalhando para usar os buckypapers nesses dispositivos armazenadores de energia. Uma patente sobre o processo foi depositada no final de 2017. “Nossa intenção é apresentar esta tecnologia para potenciais parceiros a fim de converte-la em um produto de alto valor agregado”, revela Cunha.
O segredo do processo
Os processos de produção de nanotubos por CVD ocorrem dentro de um forno tubular no qual se insere gás contendo carbono e nanopartículas catalisadoras. Submetido a altas temperaturas, o gás se decompõe, e os átomos de carbono se depositam em cima e em volta das nanopartículas, formando tubos (os nanotubos). As nanopartículas podem ser preparadas no mesmo forno usado para o crescimento dos nanotubos.
É justamente na preparação das nanopartículas catalisadoras que reside o segredo do método desenvolvido pela equipe mineira. Em grandes linhas, trata-se de preparar um pó contendo ferro (Fe) e cobalto (Co) sobre flocos de alumínio (material que nunca antes tinha sido mencionado na literatura científica como suporte para o crescimento de nanopartículas). A mistura é então submetida a temperaturas de 350 a 650 °C durante 4 horas, numa atmosfera similar ao ar que respiramos. Esse processo, conhecido como calcinação, produz nanopartículas de óxidos de ferro e/ou cobalto. Depois, as nanopartículas catalisadoras, ainda sobre os flocos de alumínio, são introduzidas no forno de CVD, cuja temperatura interna é levada a 730 °C. Nesse momento, é introduzido o gás etileno (C2H4), o qual aporta o carbono para que os nanotubos cresçam perpendicularmente aos flocos de alumínio.
Os cientistas puderam observar uma interessante vantagem de se usar esse novo suporte. Durante a calcinação, forma-se, na superfície do alumínio, uma fina camada de óxido de alumínio que encapsula as nanopartículas e impede que elas se aglomerem ou espalhem. Além disso, na etapa seguinte do processo, o óxido de alumínio atua como matriz dos nanotubos, conduzindo seu crescimento na forma de feixes alinhados.
Para testar se a temperatura de calcinação das nanopartículas influiria em seu desempenho como catalisadoras, a equipe do CTNano fez alguns experimentos. A conclusão foi que a calcinação a temperaturas de 500 a 550 °C produz mais nanopartículas de óxido misto (contendo tanto ferro quanto cobalto, de fórmula CoFe2O4) e gera melhores resultados na produção de nanotubos, tanto do ponto de vista quantitativo (rendimento) quanto qualitativo (diâmetro dos nanotubos).
“Ao contrário de outros métodos descritos na literatura que geralmente apresentam baixo rendimento e que dependem de técnicas relativamente caras (evaporação, sputtering) para confecção do catalisador, descrevemos neste artigo um método simples para produzir um catalisador em forma de pó, que pode ser utilizado para produção contínua de nanotubos de poucas paredes através da técnica de deposição química de vapor (CVD)”, resume Thiago da Cunha.
CTNnano
O trabalho recebeu financiamento da fundação mineira de apoio à pesquisa (Fapemig), da agência federal CNPq e da empresa Petrobrás. O trabalho foi realizado no CTNano, com exceção das imagens de microscopia, feitas no Centro de Microscopia da UFMG.
O CTNano surgiu em 2010 a partir da motivação para desenvolver produtos, processos e serviços utilizando nanotubos de carbono e grafeno, com o objetivo de suprir demandas industriais em consonância com a formação de recursos humanos qualificados. As pesquisas desenvolvidas no CTNano já originaram 26 patentes e contribuíram para a formação de mais de 200 pesquisadores na área. De acordo com Thiago da Cunha, o CTNano inaugurará, ainda em 2018, sua sede própria com aproximadamente 3.000 m² de área, localizada no Parque Tecnológico de Belo Horizonte (BH-TEC).
Da ideia à inovação: O fio de vidro que conectou o mundo.
Você está lendo esta matéria em algum dispositivo conectado à Internet, não é mesmo? Não importa se você está usando um smartphone que recebe a informação de uma antena, ou se os dados chegam no seu computador, e inclusive nos postes do seu bairro, por meio de fios de cobre ou cabos coaxiais. Em algum momento, o seu acesso à web dependerá de fibras ópticas, esses fiozinhos transparentes, de vidro ou plástico, cujo diâmetro é similar ao dos fios de cabelo humano (de poucas dezenas até poucas centenas de micrometros).
Os cabos de fibra óptica são grandes rodovias de dados que conectam continentes, países, cidades e data centers entre si. Apenas nos trechos mais próximos ao usuário, a informação transita por outros tipos de vias, de trânsito mais lento. Segundo dados da empresa Corning há mais de 2 bilhões de quilômetros de fibra óptica instalados no mundo, o suficiente para dar a volta à Terra pelo Equador 50 mil vezes!
Se as fibras ópticas são rodovias, a luz é o meio de transporte que transita nelas, e os passageiros são os dados, que viajam codificados em forma de sinais ópticos. Nessas rodovias, os passageiros conseguem percorrer cerca de 200 mil km (cinco voltas ao Equador) em 1 segundo.
A primeira fibra óptica “usável” em comunicações foi produzida em 1970 nos Estados Unidos, mais precisamente na Corning Glass Works (atual Corning Inc.), empresa especializada em materiais vítreos e cerâmicos. Mas a história do desenvolvimento da fibra óptica começa muito antes. Vamos contar os momentos que acreditamos sejam os mais importantes nessa história, protagonizada por muitos cientistas de diversas nacionalidades. Vale aqui fofocar que houve muitos litígios por patentes e que vários dos pesquisadores envolvidos não reconheceram o trabalho dos anteriores.
Século XIX: guiando a luz por caminhos sinuosos
No século XIX, alguns renomados cientistas demonstraram experimentalmente que a luz podia ser conduzida por algum meio (no caso, um jato de água) para obriga-la a seguir um determinado caminho, inclusive acompanhando curvas. Há registros de demonstrações e publicações realizadas em sociedades científicas da Europa nas décadas de 1840 e 1850 pelo suíço Jean-Daniel Colladon (1841), pelo francês Jacques Babinet (1842) e pelo irlandês John Tyndall (1854). O experimento, que está ilustrado na imagem abaixo à direita, mostrava que a luz, guiada pela água, era desviada da sua trajetória retilínea para fazer um trajeto curvo.
Mas será que a luz, seguindo a “estrada” de água, estava realmente descrevendo uma trajetória curva? Claro que não. O que esses cientistas estavam mostrando era a luz se refletindo uma e outra vez dentro do fluxo de água, descrevendo uma espécie de ziguezague devido ao fenômeno conhecido como reflexão interna total. Trata-se mais ou menos do seguinte. A luz entra no fluxo de água seguindo seu caminho reto. Quando o fluxo de água começa a fazer uma curva, a luz, que viaja em linha reta, acaba atingindo a interface entre água e ar. Então, ela é refletida pela “parede” interna do fluxo de água e bate na “parede” oposta, onde volta a ser refletida. E assim continua seu caminho ziguezagueante dentro da água. O fenômeno acontece devido a diferenças entre o modo como a água e o ar interagem com a luz (índices de refração). Para que o fenômeno aconteça, é fundamental que a luz descreva um ângulo maior ao chamado “ângulo crítico” ao bater na interface entre água e ar. Obviamente, o fenômeno pode acontecer em diversos meios, e não apenas no sistema água – ar.
O experimento do século XIX se assemelha aquele que aparece no início deste vídeo (tirando, é claro, algumas atualizações implementadas no vídeo brasileiro, como o uso de laser e canudinho plástico). Veja que bonito:
Fibras de vidro flexíveis para explorar o tubo digestivo
Aparentemente, Jaques Babinet foi um pouco mais longe na exploração da reflexão interna total e demonstrou que uma vara de vidro curvado também podia guiar a luz.
A ideia foi retomada provavelmente na década de 1920, quando houve tentativas de utilizar feixes de varas flexíveis de vidro para conduzir luz e poder enxergar locais de outro modo inacessíveis, como, por exemplo, o interior do tubo digestivo (medicina). Não que não existissem instrumentos para isso, os endoscópios, mas eram rígidos e, portanto, muito temidos pelos pacientes (com toda razão!).
Mas o vidro é flexível? Sim, quando é fininho, ele é muito flexível.
Entretanto, esses antepassados das fibras ópticas não eram eficientes; o fenômeno de reflexão total não era nem um pouco total ali dentro, a luz fugia através das “paredes” e as fibras não cumpriam com seu papel de iluminar o corpo humano.
Felizmente, a partir da década de 1960, fibras flexíveis de vidro capazes de guiar a luz já estavam prontas para algumas aplicações, principalmente graças a duas contribuições científicas. Por um lado, o indiano Narinder Singh Kapany e seu orientador de doutorado Harold Hopkins, trabalhando no Imperial College London (Inglaterra), venceram o desafio tecnológico de fabricar um feixe de fibras de vidro que deu conta de transmitir uma imagem com qualidade. O feixe, que os autores chamaram de fibroscópio, tinha várias centenas de fibras de 75 cm de comprimento. Por outro lado, o neerlandês Abraham C.S. van Heel, da Technical University of Delft (Países Baixos), demonstrou com sucesso a ideia de revestir as fibras de vidro com materiais de menor índice de refração para conseguir a reflexão total (ou quase). Ambos os trabalhos foram publicados na mesma edição da revista científica Nature (volume 173, número 4392). Lançada em 2 de janeiro de 1954, a edição pode ser considerada um marco no campo das fibras ópticas. Os artigos tornaram públicas importantes desenvolvimentos e demonstrações, e incentivaram o desenvolvimento de produtos.
Um desses produtos foi o gastroscópio (endoscópio para explorar o estômago) flexível, que começou a se materializar quando Basil Hirschowitz, cirurgião nativo da África do Sul e formado em gastroenterologia em Londres, leu os papers da Nature que acabamos de citar. O cirurgião estava naquele momento fazendo um estágio de pesquisa na University of Michigan (EUA) e ali recrutou um estudante da graduação em Física chamado Lawrence Curtiss. O jovem Larry, que aparentemente era muito capaz, envolveu-se fortemente no projeto, o suficiente para não desistir perante as dificuldades que foi encontrando ao tentar reproduzir os processos reportados nos artigos e ao tentar diminuir as perdas de luz das fibras. Em 1956, Curtiss acabou fazendo uma importante contribuição ao desenvolvimento da fibra óptica: desenvolveu a primeira fibra com núcleo e revestimento de vidro. De fato, ele conseguiu tornar realidade a sua ideia de revestir uma fibra feita de determinado vidro, com outro vidro de índice de refração menor. Para isso, ele desenvolveu um método de fabricação simples: introduzir uma vara do vidro do núcleo dentro de um tubo do outro vidro, aquecer tudo junto e puxar uma fibra do meio. As fibras resultantes ficaram extremamente finas, de cerca de 5 micrometros. Em 1957, o pedido de patente dessa fibra óptica e do processo de obtenção foi depositado, e em 1971 foi outorgado.
No mesmo ano do depósito da patente da fibra, Hirschowitz começava a testar e divulgar o endoscópio de fibra óptica com núcleo e revestimento de vidro. O endoscópio flexível possibilitou, posteriormente, uma série de significativos avanços na medicina, como a realização de cirurgias minimamente invasivas como a videolaparoscopia.
Contudo, na década de 1950, ainda não encontramos aplicações ou tentativas de aplicação da fibra óptica nas comunicações da época (telefonia, rádio, televisão). Entretanto, a transmissão de dados através de fios de cobre começava a não dar conta do recado. Em 1956, foi instalado o primeiro cabo telefônico transatlântico que de fato funcionou, mas ele permitia realizar apenas 36 chamadas simultâneas…
Por outro lado, o laser acabava de ser inventado, abrindo possibilidades de transportar informação (inclusive voz) codificada na luz. Para isso era necessário contar com um meio que guiasse a luz pelos trajetos desejados.
Se para nós, em 2018, é óbvio que esse meio é a fibra óptica, cinquenta e poucos anos atrás, ela era descartada por muitos pesquisadores. Por quê? Por causa da forte atenuação (perda de luz ao longo do caminho) que as fibras apresentavam naquele momento. A quantidade podia ser desprezível para um endoscópio de menos de um metro, porém era extremamente significativa em um cabo de milhares de quilômetros.
Novos trabalhos de desenvolvimento eram necessários. Novos pesquisadores entrariam em cena. Quem, quando, onde e como? Em breve lhe contaremos.
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Dica de leitura sobre este assunto: Hecht, “City of light. The story of fiber optics”, Oxford University Press (1999).
Breves entrevistas com cientistas: Bernhard Keimer (Instituto Max Planck de Pesquisa em Estado Sólido, Alemanha).
Supercondutividade e magnetorresistência gigante são exemplos de fenômenos que podem ocorrer em alguns materiais ou sistemas a partir da chamada “correlação eletrônica”, na qual o comportamento de um elétron é fortemente influenciado pelo comportamento de outros elétrons do mesmo sistema.
Em um dos Institutos Max Plank, localizado em Stuttgart, na Alemanha, um grupo de pesquisadores liderados pelo professor Bernhard Keimer trabalha duro para entender e controlar o comportamento de elétrons correlacionados. Para isso, a equipe produz heteroestruturas (estruturas compostas de diversos materiais com características diferenciadas) de óxidos metálicos, e as caracteriza utilizando uma série de técnicas experimentais, principalmente de espectroscopia.
O professor Keimer estará no XVII Encontro da SBPMat em setembro falando sobre esse programa de pesquisa na palestra “Espectroscopia de excitações coletivas em heteroestruturas de óxidos”. Em sua palestra plenária, Keimer apresentará métodos e resultados, incluindo algumas possibilidades de controlar fenômenos gerados por correlação eletrônica.
Bernhard Keimer é diretor do Instituto Max Planck de Pesquisa em Estado Sólido e professor honorário da Universidade de Stuttgart desde 1998. De 1992 a 1998, foi professor de Física na Universidade de Princeton. Ele se formou em Física pela Universidade Técnica de Munique em 1985 e, em 1991, obteve seu PhD em Física pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), onde permaneceu por um ano como pós-doutorado. De acordo com o Google Scholar, Keimer tem um índice H de 86 e sua produção científica tem mais de 24.500 citações.
Veja nossa minientrevista com este cientista alemão.
Boletim da SBPMat: – Um dos objetivos da pesquisa que você realiza com sua equipe no Instituto Max Plank é controlar o comportamento de elétrons fortemente correlacionados, certo? Na sua opinião, quais poderiam ser as aplicações mais promissoras? Comente em breve, por favor.
Bernhard Keimer: – Correlações quânticas entre elétrons geram uma grande variedade de fenômenos de ordenação eletrônica com propriedades macroscópicas muito diferentes. Entender e controlar o comportamento coletivo dos elétrons em “materiais quânticos” é um grande desafio intelectual para a pesquisa fundamental. A longo prazo, a pesquisa em materiais quânticos pode permitir o design de uma nova geração de dispositivos baseados no fluxo de elétrons com dissipação mínima ou mesmo zero.
Boletim da SBPMat: – Queremos saber mais sobre o seu trabalho. Por favor, escolha um artigo seu (o seu favorito) relacionado ao assunto da palestra plenária, descreva-o brevemente e compartilhe a referência.
Bernhard Keimer: – Como introdução geral à física de materiais quânticos, recomendo um artigo de revisão recente (B. Keimer e J.E. Moore, Nature Physics 13, 1045 (2017)). Um tópico particularmente fascinante é a supercondutividade em alta temperatura. Meu grupo usa heteroestruturas e super-redes para investigar novos fenômenos coletivos emergentes na interface entre supercondutores de alta temperatura e outros materiais quânticos. Como um exemplo, a figura abaixo mostra um caleidoscópio de fases quânticas em uma camada fina de 50 nm de um supercondutor de óxido de cobre prensado entre duas camadas de um ferromagneto de óxido (A. Frano et al., Nature Materials 15, 831 (2016)). Meu grupo está desenvolvendo métodos espectroscópicos que permitem a visualização dessas fases com resolução em profundidade.
Para mais informações sobre este palestrante e a palestra plenária que ele proferirá no XVII Encontro da SBPMat/B-MRS Meeting, clique na foto do palestrante e no título da palestra: https://www.sbpmat.org.br/17encontro/home/