No Convention Center de Campos do Jordão, logo após a cerimônia de abertura do XII Encontro da SBPMat e antes do coquetel, os participantes do evento poderão assistir à terceira edição da palestra memorial “Joaquim Costa Ribeiro”, na qual o professor Elson Longo falará sobre a evolução da pesquisa em Materiais no Brasil.
Sobre a palestra
Quando: 29 de setembro (domingo), das 20h00 às 21h00.
Título: “Evolução da pesquisa em Materiais no Brasil”
Resumo: Desde a fundação do curso de Ciência dos Materiais na UFSCar, São Carlos (SP), o país vem evoluindo de modo constante nesta área de conhecimento. É importante ressaltar que esse curso catalisou pesquisadores de Engenharia, Química e Física para o desenvolvimento de materiais cerâmicos, poliméricos e compósitos. Por outro lado, houve também uma ampliação dos cursos de Materiais a nível de graduação e pós graduação, o que contribuiu enormemente para o desenvolvimento da área. Com essa nova estrutura, houve a necessidade da criação da Sociedade Brasileira de Materiais, que vem evoluindo de modo positivo ao longo dos últimos 10 anos.
16 temas para submeter seu trabalho até o dia 20 de maio. Abordamos brevemente os temas e organizadores dos 16 simpósios do evento, nos quais você poderá apresentar seu trabalho. A submissão de resumos já está aberta. Veja aqui.
Novidades no site do evento: material de divulgação para baixar, reservas de hotéis, expositores confirmados. Veja aqui.
Programação: a primeira palestra do evento será proferida pelo professor Elson Longo, honrado com a palestra memorial Joaquim Costa Ribeiro deste ano. Veja aqui.
Artigos científicos em destaque
Pesquisadores do ITA e do IEAv (São José dos Campos) participaram de um artigo que foi destacado na capa da Nature Materials de fevereiro. A equipe realizou a primeira demonstração experimental do efeito de invisibilidade unidirecional, mediante a fabricação de um dispositivo que reflete a luz em apenas um sentido. A pesquisa faz uma contribuição importante à computação puramente óptica em plataforma de silício.
Fotônica em materiais desordenados: avanços de pesquisadores do Brasil em lasers aleatórios (divulgação do INCT de Fotônica). Aqui.
Para presidente da SBPC, destino de royalties do petróleo deve ser 70% no ensino básico, 20% no superior e 10% em C&T (matéria do Jornal da Ciência). Aqui.
Novidades do exterior
Uma aplicação de OLEDs, dispositivos orgânicos emissores de luz, em lanternas de automóveis (divulgação da fabricante de veículos Audi). Aqui.
Para capturar e separar CO2, um material organometálico com ótimo desempenho (com base em paper da Nature). Aqui.
Energia osmótica, gerada na região de contato entre águas doces e salgadas por meio de membranas semipermeáveis: ótima performance de nanotubos de nitreto de boro (com base em paper da Nature). Aqui.
Energia fotovoltaica: melhorias no desempenho de células solares de nanofios (com base em papers da Science e da Nature Photonics). Aqui.
Pela primeira vez, encontram na natureza um isolante topológico, ou seja, condutor na superfície e isolante no interior (com base em paper da Nano Letters). Aqui.
Em poucos minutos, nanopartículas de silício em água liberam hidrogênio, podendo carregar pilhas a combustível (com base em paper da Nano Letters). Aqui.
Energia fotovoltaica: ajustes nas propriedades de nanomateriais permitem melhorar a captação de energia solar (com base em paper da Nano Letters). Aqui.
Redes de nanotubos de carbono superdensas com mais de 500 tubos/ mícron: eletrônica sobre carbono fica mais concreta (com base em paper da Nature Nanotechnology). Aqui.
Dispositivos que captam e convertem energia solar, rectennas, podem popularizar essa fonte de energia (divulgação da University of Connecticut sobre patente). Aqui.
Metais nanoestruturados para conversão de energia solar: nova alternativa ao uso de semicondutores (com base em paper da Nature Nanotechnology). Aqui.
Para vidros embaçados por condensação e congelação, um filme fino polimérico hidrofílico e hidrofóbico; veja texto e vídeo (com base em paper da ACS Nano). Aqui.
Método econômico e ecológico de fabricação de aerogel de carbono, bom para absorver contaminantes, entre outros usos (com base em paper do Angewandte Chemie). Aqui.
Vidros não são necessariamente quebradiços. Fabricar vidros dúcteis depende da “temperatura crítica fictícia” (com base em paper da Nature Communications). Aqui.
O melhor dos testes de detecção de câncer de pâncreas foi criado por um garoto de 15 anos apaixonado pela ciência (matéria do jornal Estadão). Aqui.
Artigos de revisão
A 50 anos do Prêmio Nobel para Ziegler e Natta, artigo sobre as descobertas que popularizaram a produção de plásticos. Aqui.
Oportunidades para a comunidade de Materiais
Concurso para técnico de nível superior na Unesp – Bauru, na área de Materiais. Aqui.
Concurso para professor da USP na área de Cristalografia. Aqui.
Abertas as inscrições do prêmio LÓréal para mulheres na ciência, destinado a pesquisadoras doutoras com projetos de alto mérito. Aqui.
Universidade de Pequim convida estudantes brasileiros a seu evento global de 2013, que abordará temas de Materiais. Aqui.
O artigo científico de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:
Liang Feng, Ye-Long Xu, William S. Fegadolli, Ming-Hui Lu, José E. B. Oliveira, Vilson R. Almeida, Yan-Feng Chen & Axel Scherer. Experimental demonstration of a unidirectional reflectionless parity-time metamaterial at optical frequencies. Nature Materials, 2013, 12 (2), pp 108–113. DOI:10.1038/nmat3495.
Texto de divulgação: Estrada de sentido único para a luz.
A capa da Nature Materials de fevereiro destacou o artigo.
Em sua edição de fevereiro, a revista científica Nature Materials, cujo fator de impacto está acima dos 32 pontos, destacou na capa uma pesquisa que contou com a participação de três pesquisadores brasileiros. O título estampado na capa da revista, “One-way road for light” (estrada de sentido único para a luz), alude a uma propriedade demonstrada pelos autores do artigo por meio de um dispositivo fabricado por eles: a capacidade de refletir a luz em uma única direção.
Em termos gerais, o dispositivo é um guia de ondas que possibilita a transmissão da luz em ambos os sentidos de propagação (para frente e para trás), mas impede a reflexão em apenas um dos sentidos contrários à propagação. Esse efeito de reflexão unidirecional também pode ser compreendido como invisibilidade unidirecional. “Uma vez que o dispositivo não possibilita a reflexão da luz em uma direção, ele pode ser considerado invisível nessa direção”, explica William Fegadolli, um dos autores brasileiros do artigo.
Essa propriedade vinha sendo buscada por grupos de pesquisa do mundo. Alguns trabalhos publicados chegaram a propor estruturas para conseguir a unidirecionalidade, mas a pesquisa destacada na capa da Nature Materials se diferencia de artigos anteriores em várias questões. Uma das mais importantes é o fato de que a equipe de pesquisadores demonstrou experimentalmente o efeito, fabricando um dispositivo e colocando-o em funcionamento. “Os trabalhos anteriormente publicados eram condições teóricas que combinavam ganhos e perdas para construir estruturas unidirecionais, fato que tornava tais estruturas muito difíceis de serem construídas devido à complexidade necessária dos materiais requeridos e à incompatibilidade dos processos de fabricação disponíveis para tal demonstração”, diz Fegadolli.
Já no trabalho publicado em fevereiro na Nature Materials, os materiais e procedimentos usados não apenas viabilizam a fabricação do dispositivo como também são totalmente compatíveis com a tecnologia CMOS (complementary metal–oxide–semiconductor) utilizada na fabricação de circuitos integrados (chips), que estão presentes em computadores e eletrônicos.
Com essas características, a pesquisa ganha uma relevância especial na área de fotônica em silício, que busca substituir interconexões elétricas por interconexões ópticas em circuitos integrados, os quais são fabricados em grande parte com silício. Com essa substituição, pretende-se reduzir o consumo de energia dissipada e aumentar a velocidade de processamento da informação. Nesse contexto, Fegadolli avalia os resultados apresentados no artigo como “uma demonstração de conceito embrionária que pode permitir a construção de blocos essenciais para a demonstração de computação puramente óptica em plataforma de silício”.
A demonstração experimental
O dispositivo consiste num guia de ondas de silício de 800 por 220 nanometros, tamanho compatível com seu uso em microchips, que possui, periodicamente, pequenas estruturas de germânio, cromo e silício devidamente projetadas em sua superfície. O guia de ondas está inserido numa plataforma de dióxido de silício.
Imagens do dispositivo fabricado antes da deposição de oxido de silício (a) estrutura periódica completa e (b) visão magnificada destacando suas dimensões longitudinais.
Para a demonstração experimental do efeito de reflexão unidirecional, a equipe se inspirou em conceitos da teoria quântica de campos, mais precisamente na condição de “parity-time”, que combina simetrias de reversão de paridade e de reversão temporal. No dispositivo em questão, explica Fegadolli, “a unidirecionalidade da reflexão é obtida devido a uma condição particular onde as simetrias de reversão de paridade e de tempo geram um ponto excepcional que quebra a simetria de propagação eletromagnética em estruturas periódicas”.
A equipe de trabalho
William Fegadolli acabou de defender sua tese de doutorado sobre síntese de dispositivos ópticos integrados em silício no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Eletrônica e Computação do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Grande parte do trabalho publicado na Nature Materials foi desenvolvida durante o estágio de doutorado-sanduíche de Fegadolli no California Institute of Technology (Caltech), no Grupo de Nanofabricação coordenado pelo professor Axel Scherer.
Além de Fegadolli e de Scherer, participaram como autores do artigo o Coronel Aviador Vilson Rosa de Almeida (orientador de doutorado de Fegadolli, professor colaborador do ITA e diretor do Instituto de Estudos Avançados – IEAv ), o professor do ITA José Edimar Oliveira (co-orientador do doutorado), mais um pesquisador do Grupo de Nanofabricação e três cientistas da Universidade de Nanjing (China).
INCT de Fotônica divulga material sobre o uso de meios desordenados em Fotônica em geral e, em particular, sobre os avanços de pesquisadores desse INCT na emissão laser em meios aleatórios. Veja o material de divulgação.
Elson Longo da Silva: o próximo homenageado com a palestra memorial da SBPMat.
Desde 2011, a SBPMat outorga, anualmente, uma distinção a um pesquisador de carreira destacada na área de Materiais, quem profere uma palestra durante o encontro anual da sociedade. O nome desse ato é “Memorial Lecture Joaquim Costa Ribeiro”, em homenagem a esse pioneiro da pesquisa experimental em Materiais no Brasil.
Neste ano, o pesquisador honrado será o professor Elson Longo, que ministrará sua palestra na abertura do evento, no dia 29 de setembro, no Convention Center de Campos do Jordão (SP). O professor Longo foi um dos fundadores da SBPMat e um de seus primeiros presidentes.
A honraria já foi outorgada, em anos anteriores, aos professores Sergio Machado Rezende e Sergio Mascarenhas Oliveira.
Está aberta a submissão de trabalhos para o XII Encontro da Sociedade Brasileira de Pesquisa em Materiais (SBPMat), que será realizado em Campos do Jordão, no Convention Center, de 29 de setembro a 3 de outubro de 2013.
O evento aceita propostas de trabalhos nas áreas de seus 16 simpósios, que cobrem os mais variados temas da pesquisa em Materiais e suas aplicações, tais como materiais orgânicos, inorgânicos, metálicos, híbridos, sol-gel, materiais para energia renovável e meio ambiente, biomateriais, nanociência e nanotecnologia e modelagem teórica de materiais. Três simpósios (“J”, “K” e “L”) estarão dedicados ao uso de técnicas experimentais avançadas para a caracterização de materiais. Uma novidade da edição deste ano do evento é a inclusão de um simpósio sobre ensino de Ciência de Materiais. “Destacamos também o Simpósio “O”, voltado especificamente para engenharia e comercialização de materiais eletrônicos e biomateriais”, completa José Alberto Giacometti, professor do Instituto de Física da USP São Carlos, que coordena o evento junto ao professor Julio Ricardo Sambrano, da Faculdade de Ciências da Universidade Estadual Paulista (UNESP). O simpósio “O” tem, entre seus organizadores, Orlando Auciello, atual presidente da Materials Research Society(MRS) dos Estados Unidos.
Pesquisadores que atuam em áreas não relacionadas às dos simpósios poderão participar com trabalhos na forma de painéis na sessão “P”.
Os 16 simpósios deste ano foram selecionados pelo comitê organizador do evento a partir das propostas recebidas numa chamada lançada em novembro do ano passado e direcionada a toda a comunidade científica. “O critério principal de seleção foi evitar simpósios muito específicos e congregá-los em temas de caráter mais amplo”, diz Giacometti.
Os simpósios deste ano têm como organizadores pesquisadores de universidades de diversas regiões do Brasil (Sul, Sudeste e Nordeste) e contam com a colaboração de pesquisadores da Argentina, França, Estados Unidos e Alemanha. O Simpósio “I”, sobre biohíbridos e biomateriais, tem organizadores da França.
A apresentação dos trabalhos, tanto os orais como os painéis, será em idioma inglês. “A SBPMat tem procurado estreitar cada vez mais as suas relações com as sociedades irmãs dos Estados Unidos (MRS) e da Europa (E-MRS) promovendo a internacionalização das reuniões anuais realizadas no Brasil”, contextualiza o professor Giacometti.
Sobre os Encontros da SBPMat
O encontro anual da SBPMat é um fórum tradicional dedicado aos recentes avanços e perspectivas em ciência e tecnologia de Materiais. O evento vem reunindo uma quantidade crescente de participantes. “Nos últimos três anos, mais de 1.500 participantes têm frequentado cada um dos encontros e promovido um ambiente propício para apresentação e discussão dos trabalhos de pesquisa científica e tecnológica na área de Materiais”, diz o professor Giacometti. O encontro de 2012, realizado em Florianópolis, contou com mais de 1.700 participantes das cinco regiões do Brasil e de outros 26 países. “Temos grande expectativa que no evento deste ano teremos a presença de cerca de dois mil participantes, envolvendo estudantes e pesquisadores das universidades, institutos de pesquisas e empresas”, finaliza Giacometti.
Informações sobre o XII Encontro da SBPMat, instruções para autores, modelo de resumo e sistema de submissão de resumos, no site do evento :http://sbpmat.org.br/12encontro/.
Um grupo de pesquisadores da Unicamp observou variações periódicas no formato de nanofios semicondutores e explicou de que maneira elas estão relacionadas a instabilidades no crescimento dos nanofios. A pesquisa foi totalmente desenvolvida em Campinas (SP) e foi publicada na Nano Letters.
Conversamos sobre materiais complexos biomiméticos (inspirados na natureza) com André Studart, engenheiro e cientista de Materiais brasileiro, fundador e coordenador do Laboratório de Materiais Complexos do ETH, na Suíça.
One-way road for light:artigo de capa da Nature Materials tem participação de pesquisadores do IEAv e do ITA (Publicado no boletim Agência Fapesp). Aqui.
Materiais luminescentes: UnB desenvolve marcadores para perícia criminal mais eficientes do que as técnicas atuais (Publicado no jornal Correio Braziliense). Aqui.
Vidros luminescentes: pesquisadores do INCT de Fotônica conseguem gerar luz branca em vidros germanatos dopados com íons de holmio, itérbio e túlio (Divulgação do INCT de Fotônica). Aqui.
Uso de casca de soja em compósitos: nanocristais reforçam polímeros sem deixá-los opacos (Publicado na revista Pesquisa Fapesp). Aqui.
Avanços nacionais na purificação do silício para uso em células solares (Publicado no portal NEI de informações para a indústria). Aqui.
Brasil terá em 2017 reator nuclear multipropósito, possibilitando a caracterização de materiais por feixe de nêutrons (Publicado no site da Finep). Aqui.
Empresa brasileira de materiais spin-off da Unesp exporta nanotecnologia e é contemplada em programa do MIT (Publicado em site de notícias de Araraquara). Aqui.
Carro elétrico brasileiro terá bateria de sódio desenvolvida no país (Publicado no site da Finep). Aqui.
Novidades do exterior
O mistério da supercondutividade em altas temperaturas: novo método experimental permite descartar hipótese das CDWs (com base em paper da Nature Materials). Aqui.
Desgaste em nanoescala: observação ao vivo usando MET determina a causa do desgaste e quantifica os átomos perdidos (com base em paper da Nature Nanotechnology). Aqui.
Novo método de fabricação de filmes ferroelétricos resulta em propriedades elétricas excepcionais (com base em paper da Advanced Materials). Aqui.
A chave para produzir grafeno de qualidade controlada para aplicações tecnológicas: usar lâminas de cobre como base (com base em paper da ACS Nano). Aqui.
Um gel polimérico que cresce e aumenta o tamanho de seus poros com a ação da luz (com base em paper da Angewandte Chemie). Aqui.
Supercondutores: sob campos magnéticos intensos a supercondutividade pode, sim, ser mantida ao imobilizar os vórtices (com base em paper da Nature Communications). Aqui.
Európio e titânio combinados geram novo material com efeito magnetoelétrico gigante (com base em paper da Nature Communications). Aqui.
Micro supercapacitores de grafeno fabricados com um gravador de DVD; veja texto e curto vídeo premiado (com base em paper da Nature Communications). Aqui.
Gente da nossa comunidade
José Arana Varela, ex-presidente da SBPMat, recebe prêmio internacional na área de cerâmicas. Aqui.
Oportunidades para a comunidade de Materiais
Bolsas e outros benefícios para doutorado sanduíche e pós-doc na Suécia, África do Sul e EUA. O edital contempla a área de Materiais nos temas de interesse. Aqui.
Bolsas e outros e benefícios para candidatos com excelente qualificação para fazer doutorado na Alemanha em várias modalidades. Aqui.
Ossos, dentes e conchas marinhas podem ser considerados exemplos de materiais complexos desenvolvidos pela natureza e seu principal parceiro, o tempo. Como resultado de muitíssimos anos de evolução, materiais como esses apresentam propriedades de grande interesse para o ser humano, mas o desenvolvimento de rotas artificiais de fabricação para chegar a essas propriedades vem colocando grandes desafios aos cientistas.
Foto atual do Grupo de Materiais Complexos do ETH (Suíça). Acima à direita, o professor André Studart
O Grupo de Materiais Complexos do ETH (Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, Suíça), fundado pelo brasileiro André Studart, de 38 anos, está dedicado a esse tipo de desafios. Studart se formou em 1997 em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), onde também realizou seu doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais, sob orientação do professor Victor Pandolfelli, desenvolvendo uma pesquisa sobre métodos de processamento de concretos refratários e cerâmicas avançadas próximas do formato final desejado. Durante o doutorado, teve sua primeira experiência como pesquisador na Suíça, no ETH, com uma bolsa de doutorado-sanduíche. A ETH é conhecida, especialmente, por contar com 21 ganhadores de prêmios Nobel entre seus ex-alunos, ex-professores e professores, como o próprio Albert Einstein.
Logo após defender o doutorado na UFSCar, Studart voltou ao ETH, onde ficou por cinco anos trabalhando no grupo de materiais inorgânicos não metálicos. Da Suíça foi para os Estados Unidos fazer um pós-doutorado na Universidade de Harvard. Ali estudou materiais inorgânicos porosos obtidos usando técnicas de microfluidos. No início de 2009, Studart retornou novamente ao ETH para ser professor assistente e fundou o Laboratório de Materiais Complexos, que lidera até hoje. O grupo reúne jovens de cinco nacionalidades diferentes – uma mistura interessante não apenas para a pesquisa, mas também para os eventos sociais que a equipe realiza, como a picanha invertida e a competição de tortas multifuncionais e complexas.
A seguir, uma breve entrevista com Studart sobre materiais complexos e biomimética, a imitação do mundo biológico por parte do ser humano.
Boletim da SBPMat (B.S.): – Qual a relação entre materiais complexos e biomimética? Seu grupo de pesquisa estuda materiais complexos biomiméticos?
André Studart (A.S.): – O termo “materiais complexos” é bem amplo. Eu diria que os materiais biológicos e os biomiméticos exibem estruturas bastante complexas em escala nano e micrométrica, e por isso podem ser considerados materiais complexos. Mas esse termo pode também ser utilizado para descrever muitos outros tipos de materiais sintéticos ou naturais, incluindo, por exemplo, as emulsões e espumas que estudamos no grupo. Portanto, a nossa pesquisa é centrada em alguns tipos de materiais complexos, dentre os quais se incluem os materiais biomiméticos.
B.S.: – Como ocorre, na prática do grupo de pesquisa, a inspiração na Natureza?
A.S.: – A inspiração acontece buscando na literatura exemplos de materiais biológicos que apresentam propriedades especiais que normalmente são difíceis de se obter com materiais sintéticos. Essa literatura inclui tanto artigos antigos escritos por zoólogos interessados principalmente em evolução como também trabalhos mais recentes de pesquisadores de varias áreas que buscam extrair princípios de design dos materiais biológicos utilizando técnicas mais avançadas para sua caracterização.
B.S.: – Comente um pouco sobre a evolução mundial da pesquisa em materiais complexos biomiméticos.
A.S.: – A pesquisa em materiais biomiméticos começou com alguns trabalhos nos anos 80, em que a estrutura de conchas marinhas começou a ser investigada por uns poucos pesquisadores sob a perspectiva da ciência de Materiais (não da zoologia), com o objetivo de entender o seu design e possivelmente utilizá-lo em materiais artificiais. Na verdade, a maior parte desses pesquisadores não tinham esse tópico como foco principal da pesquisa, mas o estudavam motivados puramente pela curiosidade cientifica. Com o passar dos anos, percebeu-se que os materiais biológicos são exemplos muito ricos de como se pode “engenheirar” a microestrutura de materiais para resolver problemas mecânicos desafiadores impostos pelo meio ambiente, e isso desencadeou o forte interesse nessa área dos últimos anos. Atualmente, é até difícil acompanhar todos os avanços, tamanha a quantidade de artigos no assunto. Tem-se avançado muito na área de caracterização de materiais biológicos com técnicas elaboradas, como tomografia in situ de materiais sob tensão mecânica, mapeamento com espectroscopia Raman, entre várias outras.
B.S.: – Na sua opinião, quais são os próximos desafios da pesquisa e desenvolvimento em materiais complexos biomiméticos?
A.S.: – No meu ponto de vista, o grande desafio atualmente é desenvolver técnicas sintéticas de processamento para possibilitar a fabricação de fato de materiais que reproduzam alguns desses princípios de design já encontrados em materiais biológicos. A natureza fabrica esses materiais utilizando processos biológicos muito complexos coordenados pelas células, como a biomineralização. Apesar do grande interesse e avanços em pesquisas que estudam o processo de biomineralização, acredito que o desenvolvimento de técnicas artificiais terá um impacto mais rápido na área. Esse é o foco atual da pesquisa no nosso grupo.
B.S.: – Conte um pouco sobre como você começou a pesquisar materiais complexos e biomiméticos após vários anos estudando cerâmicas avançadas.
A.S.: – O interesse em materiais biomiméticos começou ainda no doutorado quando me deparei com esses trabalhos muito interessantes sobre as conchas marinhas. Naquela época, o foco da minha pesquisa eram as cerâmicas refratárias com altas propriedades mecânicas. Apesar de não serem refratárias, conchas contêm em torno de 95% de carbonato de cálcio, e por isso podem ser consideradas um material cerâmico com microestrutura muito rica e elaborada. Não cheguei a utilizar esse conceito nas cerâmicas refratárias. A oportunidade só apareceu no final do meu primeiro pós-doc em Zurique, junto com um aluno de doutorado que se interessou em tentar obter estruturas com a organização em lamelas da concha. Vi então os enormes desafios encontrados quando se tenta replicar essa estrutura artificialmente e percebi que o meu conhecimento em processamento de pós cerâmicos poderia ser de grande utilidade para abordar esses desafios. Então, isso se tornou a parte central da minha pesquisa quando tive a oportunidade de iniciar o meu próprio grupo independente.
B.S.: – Há grupos no Brasil estudando esses temas?
A.S.: – Acredito que alguns grupos tenham começado a explorar essa área no Brasil, com foco em materiais orgânicos supramoleculares. A expectativa é de que em breve o tópico terá um impulso importante no país. A ideia é que um dos primeiros alunos de doutorado do meu grupo estabeleça um laboratório nessa área no estado de São Paulo ainda neste ano.
Para saber mais.
Artigos científicos do grupo selecionados por André Studart para os interessados em materiais complexos biomiméticos:
– Studart, A. R., Towards High-Performance Bioinspired Composites. Advanced Materials 2012, 24, (37), 5024-5044.
– Libanori, R.; Erb, R. M.; Reiser, A.; Le Ferrand, H.; Süess, M. J.; Spolenak, R.; Studart, A. R., Stretchable heterogeneous composites with extreme mechanical gradients. Nature Communications 2012, 3, 1265.
– Erb, R. M.; Libanori, R.; Rothfuchs, N.; Studart, A. R., Composites Reinforced in Three Dimensions by Using Low Magnetic Fields. Science 2012, 335, (6065), 199-204.
O artigo científico de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:
D. S. Oliveira, L.H.G. Tizei, D. Ugarte, M. A. Cotta. Spontaneous Periodic Diameter Oscillations in InP Nanowires: The Role of Interface Instabilities. Nano Letters, 2013, 13 (1), pp 9–13. DOI: 10.1021/nl302891b.
Texto de divulgação:
Nanofios semicondutores com variações periódicas de diâmetro: instabilidades no crescimento dos nanofios.
Ao produzir nanofios do composto semicondutor fosfeto de índio (InP), pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp observaram no microscópio eletrônico de varredura uma particularidade interessante. Um dos grupos de nanofios exibia marcadas variações de seu habitual formato cônico, apresentando partes mais grossas, tipo pneuzinhos, periodicamente ao longo do nanofio.
As variações no diâmetro apareciam em quase 80% dos nanofios de cinco nanometros de diâmetro no ápice, os mais finos, e eram muito mais visíveis perto do topo do nanofio do que na base dele. As variações tinham se gerado de maneira espontânea, mas os pesquisadores tinham mantido constantes os parâmetros de produção durante todo o processo. Por que, então, essas variações morfológicas? Os cientistas tinham pela frente o desafio de elucidar os detalhes da cinética de crescimento dos nanofios. O modelo desenvolvido por eles seria publicado, em janeiro deste ano, no periódico Nano Letters.
Imagem de microscopia de varredura de um nanofio de InP com oscilações (acima) e sem oscilações (abaixo). Barra de escala de 1 micrometro.
O crescimento dos nanofios de fosfeto de índio
Para compreender a explicação desenvolvida pelos pesquisadores brasileiros sobre a origem dessas oscilações periódicas de diâmetro, é necessário entender o processo de produção dos nanofios.
Dentre as diferentes formas de produzir um nanofio, a mais popular atualmente utiliza o mecanismo de crescimento “vapor-líquido-sólido”, conhecido pela sigla VLS. No VLS, uma pequena partícula catalisadora é depositada em um substrato dentro de uma câmera de crescimento, na qual se introduz vapor do material que vai compor o nanofio.
Na pesquisa do artigo da Nano Letters, os pesquisadores utilizaram uma nanopartícula de ouro como catalisador, um substrato de arseneto arseneto de gálio (GaAs) e uma câmera de crescimento epitaxial por feixe químico (CBE). Como o intuito era fazer nanofios de fosfeto de índio, usaram, como vapor, fosfina (PH3) e trimetil-índio (TMI), que são os precursores do índio e do fósforo para o crescimento.
Seguindo o percurso normal do processo VLS, o vapor foi absorvido pela nanopartícula de ouro mais rapidamente do que pelo substrato. Dessa maneira, a nanopartícula ficou supersaturada de índio e fósforo, possibilitando a seguinte etapa do processo, a nucleação. Assim, um núcleo sólido de fosfeto de índio se formou entre a nanopartícula de ouro, que estava em fase líquida, e o substrato. Esse núcleo se propagou e formou uma monocamada de fosfeto de índio. Com sucessivas nucleações, novas monocamadas se formaram uma em cima da outra, gerando um nanofio cada vez mais comprido. A nanopartícula catalisadora, como em todo processo VLS, ficou no topo do nanofio.
O modelo da cinética de crescimento dos nanofios
A pesquisa abordada no artigo da Nano Letters foi realizada no contexto do mestrado do aluno Douglas Soares de Oliveira, realizado no IFGW – Unicamp e orientado pela professora Mônica Cotta. Douglas está agora fazendo o doutorado com a mesma orientadora, ainda em nanofios semicondutores – tema que vem estudando desde sua primeira iniciação científica, iniciada em 2008. Também participaram da pesquisa publicada na Nano Letters o professor Daniel Ugarte (IFGW-Unicamp) e seu ex-aluno de doutorado Luiz Tizei. “A participação deles foi imprescindível para o resultado final obtido”, diz Cotta.
Os grupos de Cotta e Ugarte têm uma longa história de colaborações e tinham publicado em 2011 um outro trabalho [Chiaramonte, T., Tizei, L. H. G., Ugarte, D., & Cotta, M. A. Kinetic Effects in InP Nanowire Growth and Stacking Fault Formation: The Role of Interface Roughening. Nano Letters, 2011, 11 (5), PP 1934–1940. DOI:10.1021/nl200083f] que motivou o tema do mestrado de Douglas. “Queríamos compreender melhor a rota de incorporação de átomos do grupo III, ao qual pertence o índio, na nanopartícula catalisadora, e o papel da deformação induzida na interface entre a nanopartícula e a fase sólida (substrato ou nanofio)”, contextualiza a professora Cotta.
Para isso, os pesquisadores introduziram um grande fluxo de TMI (o vapor do índio) durante o processo VLS. “Acreditamos que nesse regime ocorre uma competição entre as duas rotas mais prováveis para a incorporação de índio no nanofio durante o crescimento, que são: via interior da nanopartícula para o nanofio, ou, diretamente, da fase vapor no ambiente para o local de crescimento na interface”, justifica Cotta.
Segundo o modelo proposto pelos pesquisadores da Unicamp, essa competição entre as rotas pode modificar estruturalmente a interface entre a nanopartícula de ouro e o nanofio durante o crescimento, alterando assim o ângulo de contato entre eles ou, em outras palavras, gerando instabilidades. “Com um ângulo de contato diferente, não é mantido o equilíbrio de forças que mantém a nanopartícula no topo do nanofio. Isso induz a nanopartícula, líquida, a descer e englobar parte do nanofio. A descida da nanopartícula pela lateral do nanofio favorece a formação de novos núcleos de fosfeto de índio que aumentam o diâmetro do nanofio”, explica a professora.
Mas por que as oscilações do diâmetro são periódicas? Porque o processo é cíclico. A professora Cotta explica que, quando a nanopartícula engloba uma parte da lateral do nanofio, o balanço das forças muda novamente, empurrando a nanopartícula para o topo do nanofio. E tudo volta a começar.
Esquema do modelo proposto na Nano Letters. Em amarelo, a nanopartícula de ouro. Em azul, a parte superior do nanofio em crescimento.
Relevância do trabalho
O modelo da cinética foi desenvolvido com base na análise da geometria, morfologia e composição de pouco mais de 100 nanofios, usando as técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV) com dispersão de energia de raios X (EDS) e microscopia eletrônica de transmissão. A pesquisa foi inteiramente realizada em Campinas (SP), no IFGW-Unicamp e no Laboratório de Microscopia Eletrônica do LNNANO/CNPEM.
“O estudo da cinética de crescimento de nanofios por si só já é muito importante para o desenvolvimento de materiais semicondutores com novas propriedades”, afirma Cotta. Nesse sentido, o trabalho publicado na Nano Letters mostrou um novo mecanismo para o controle, não apenas morfológico, mas também cristalográfico, dos nanofios de fosfeto de índio. Mas o fato de os nanofios de Douglas e Cotta apresentarem ápices de até cinco nanometros de diâmetro agrega ainda mais valor ao trabalho. “Em estruturas tão pequenas, pesquisas recentes indicam que variações de diâmetro têm grande potencial para aplicações na conversão de energia, por exemplo, utilizando o efeito termoelétrico”, completa a professora.
