Artigo em destaque: Vibrações de nanotubos manipulados.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:  Strain Discontinuity, Avalanche, and Memory in Carbon Nanotube Serpentine Systems. Muessnich, Lucas C. P. A. M.; Chacham, Helio; Soares, Jaqueline S.; Neto, Newton M.; Shadmi, Nitzan; Joselevich, Ernesto; Cancado, Luiz Gustavo; Jorio, Ado. Nano Lett. 2015, 15 (9), pp 5899–5904. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01982

Vibrações de nanotubos manipulados.

Cientistas de instituições brasileiras, em colaboração com pesquisadores de Israel, “manipularam” nanotubos de carbono de 1 nm de diâmetro depositados em cima de superfícies de quartzo e analisaram as deformações e deslocamentos produzidos por essa nanointervenção. A equipe identificou alguns padrões de comportamento do sistema nanotubos – quartzo e formulou um modelo matemático aplicável a sistemas formados por materiais uni e bidimensionais sobre diversos substratos. Os resultados do trabalho foram recentemente publicados no prestigioso periódico científico Nano Letters.

Para realizar os experimentos, os pesquisadores brasileiros usaram amostras idealizadas e produzidas no Instituto Weizmann de Ciência (Israel), nas quais os nanotubos são serpentiformes (compostos por segmentos paralelos entre si conectados por curvas em forma de “U”). Essas amostras ofereceram aos cientistas uma desejável complexidade, propiciada tanto pelo formato dos nanotubos, quanto pelo caráter anisotrópico do quartzo, que faz com que a adesão dos nanotubos ao substrato não seja a mesma em todos os pontos.

Para “manipular” o sistema, os pesquisadores utilizaram a ponta de um microscópio de força atômica (AFM) construído no próprio laboratório, que permite mudar a posição de partículas nanométricas e até mesmo de átomos, e medir, in situ, o espectro óptico das nanoestruturas. Em cada amostra, a ponta era encostada em um ponto do substrato de quartzo e empurrada em direção ao nanotubo, para então proceder à análise óptica.

Antes e depois da nanomanipulação, os cientistas analisaram uma série de pontos dos nanotubos usando a técnica de espectroscopia Raman, que fornece informação sobre a frequência em que os átomos vibram na área que está sendo estudada. Mais precisamente, os pesquisadores focaram as atenções na frequência da chamada “banda G”, que é usada para inferir as medidas de deformação (strain) de um ponto analisado, desde que as mudanças na frequência da banda G são proporcionais às mudanças na deformação.

Dessa maneira, os cientistas puderam identificar e analisar diferentes comportamentos dos nanotubos frente à nanomanipulação, como, por exemplo, o desprendimento do substrato e o intenso deslocamento de um trecho completo de um nanotubo que recebera duas manipulações no mesmo ponto.

Além de realizarem o trabalho experimental, os autores do artigo da Nano Letters conseguiram condensar a complexidade dos comportamentos observados num modelo matemático (uma equação) capaz de explicá-los teoricamente e de predizer esses fenômenos em sistemas similares.  “O artigo propõe um modelo relativamente simples para descrever efeitos complexos da adesão de nanoestruturas em matrizes de suporte”, diz Ado Jório, professor do Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) que assina a letter como autor correspondente.

A pesquisa que deu origem ao artigo da Nano Letters foi desenvolvida dentro dos trabalhos de mestrado, doutorado e pós-doutorado de três dos autores da letter, no contexto da Rede Brasileira de Pesquisa e Instrumentação em NanoEspectroscopia Optica, um projeto financiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e coordenado por Ado Jório. “Este é o resultado de um amplo projeto de instrumentação científica, para chegarmos ao nível de manipular nanoestruturas e medir, com precisão, o efeito deste processo na escala nanométrica”, diz Jorio.

A figura mostra um dos 34 nanotubos serpentiformes sobre substrato de quartzo cristalino estudados pelos autores do artigo. À esquerda de quem olha, o nanotubo antes da manipulação. À direita, na sequência, o mesmo nanotubo depois da intervenção, com a deformação consequente evidenciada. O segmento central do nanotubo, onde ocorreu a nanomanipulação, foi colorizado, os tons de cinza indicando a frequência da banda G naquele local. Finalmente, mais à direita, o gráfico que exibe a frequência de banda G medida por espectroscopia Raman em pontos sucessivos desse nanotubo (representação gráfica dos tons de cinza): os círculos pretos se referem ao nanotubo não manipulado e os de cor cinza, ao manipulado.

Artigo em destaque: Átomos unidos, filmes aderidos.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:  Identification of the Chemical Bonding Prompting Adhesion of a-C:H Thin Films on Ferrous Alloy Intermediated by a SiCx:H Buffer Layer. F. Cemin, L. T. Bim, L. M. Leidens, M. Morales, I. J. R. Baumvol, F. Alvarez, and C. A. Figueroa. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7 (29), pp 15909–15917. DOI: 10.1021/acsami.5b03554.

Átomos unidos, filmes aderidos

Partindo de um olhar inovador lançado sobre um problema acadêmico e industrial, uma pesquisa integralmente realizada no Brasil trouxe avanços significativos no entendimento da adesão de filmes de DLC (diamond-like carbon) a aços. Os resultados do trabalho, que foram recentemente publicados na revista Applied Materials and Interfaces da American Chemical Society (ACS), podem ajudar a otimizar essa adesão, prolongando assim a vida útil dos filmes de DLC e ampliando seu uso na indústria.

A equipe de cientistas se interessou, em particular, no potencial do DLC para aumentar a eficiência energética de motores de combustão interna. De fato, se todos os componentes do motor de um automóvel fossem revestidos com filmes de DLC, o dono desse carro gastaria de 5 a 10 % menos com combustível e pouparia o meio ambiente de uma boa dose de emissões de gases de efeito estufa e outros poluentes, entre outras vantagens. O motivo de tal economia reside no ultrabaixo atrito que o DLC apresenta, desde que o atrito é a força culpada por desperdiçar combustível ao oferecer resistência ao movimento que as peças do motor a combustão realizam entre si.

Entretanto, o DLC tem uma desvantagem: não adere ao aço, fazendo com que os filmes se soltem do substrato rapidamente. Para contornar esse problema, tanto no laboratório quanto na indústria, costuma-se depositar em cima do aço uma camada contendo silício, conhecida como camada intermediária. O filme de DLC deposita-se em cima dela. Como resultado, é obtido um “sanduíche” que não se desmancha facilmente.

No trabalho publicado no periódico da ACS, os autores analisaram experimentalmente um “sanduíche” formado por um substrato de aço, uma intercamada de carbeto de silício (SiC) e um filme de DLC. Tanto a intercamada quanto o filme foram depositados por um rápido processo, que gerou camadas muito finas, de alguns nanometros (até 10). Duas questões, principalmente, diferenciaram este estudo de outros trabalhos similares encontrados na literatura científica. Em primeiro lugar, o foco da equipe foi analisar o que ocorria em duas regiões, correspondentes às interfaces que a intercamada apresenta com o filme (superior) e com o aço (inferior). Em segundo lugar, os cientistas lançaram um olhar químico sobre a questão da adesão.

“Neste trabalho foi identificada a estrutura química que gera adesão nas interfaces inferior (SiCx:H/aço) e superior (a-C:H/SiCx:H) que compõem a estrutura sanduíche de a-C:H/SiCx:H/aço”, resume Carlos A. Figueroa, professor da Universidade de Caxias do Sul (UCS) e autor correspondente do artigo. “Os mecanismos encontrados na bibliografia levantavam aspectos físicos ou mecânicos, mas não químicos”, relata Figueroa, que se formou em Ciências Químicas pela Universidade de Buenos Aires (UBA) e fez doutorado em Física pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). “Entretanto, a adesão é gerada pela somatória de todas as ligações químicas individuais que existem entre o DLC, a intercamada e o aço”, completa.

Os cientistas mantiveram constante a temperatura de deposição do filme, mas variaram a temperatura de deposição da intercamada, gerando amostras depositadas a 100° C e outras a mais de 300° C. Após analisá-las por meio de uma série de técnicas, principalmente, a de espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X, conhecida como XPS, os pesquisadores identificaram que a interface inferior da intercamada, independentemente da temperatura de deposição, era amplamente composta por átomos de silício (da intercamada) ligados a átomos de ferro (do substrato). Na interface superior da intercamada, a equipe notou diferenças conforme a temperatura de deposição da intercamada. Nas amostras depositadas a 100° C, átomos de oxigênio apareciam ligados a muitos dos átomos de silício e carbono, impedindo que o carbono do filme se una fortemente ao silício da intercamada, e resultando num filme sem boa adesão. Já nas amostras depositadas a mais de 300° C, os cientistas não encontraram oxigênio na interface, e sim ligações entre átomos de carbono e de silício, as quais deixaram o filme bem aderido à intercamada.

Ilustração esquemática das ligações químicas presentes nas interfaces superior e inferior da intercamada depositada a 100° C (esquerda) e a mais de 300° C (direita). No centro, um pino de motor real exibe, na metade esquerda, um filme de DLC (em cor preta) delaminado sobre intercamada depositada a 100° C e, na metade direita, o mesmo filme bem aderido sobre a intercamada depositada a mais de 300° C.

Além de Figueroa e estudantes do grupo de pesquisa que ele lidera na UCS, assinam o artigo pesquisadores do Instituto de Física da Unicamp, onde foram realizadas as medidas de XPS, e um cientista da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) que, junto aos demais, participou da discussão dos resultados.

O trabalho recebeu financiamento de agências de fomento à ciência brasileiras (Capes, CNPq por meio do INCT Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, Fapergs), da Petrobras, UCS, da Comissão Europeia (Marie Skłodowska – Curie Actions) e da empresa Plasmar Tecnologia. Essa empresa está desenvolvendo, por meio de um projeto aprovado no edital TECNOVA RS, um reator industrial para depositar DLC sobre aço visando aumentar a eficiência energética de motores de automóveis.