Artigo em destaque: Nanotubos que se espiralam ao som de tango ou chorinho.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Defect-Free Carbon Nanotube Coils. Nitzan Shadmi, Anna Kremen, Yiftach Frenkel, Zachary J. Lapin, Leonardo D. Machado, Sergio B. Legoas, Ora Bitton, Katya Rechav, Ronit Popovitz-Biro, Douglas S. Galvão, Ado Jorio, Lukas Novotny, Beena Kalisky, and Ernesto Joselevich. Nano Lett., 2016, 16 (4), pp 2152–2158. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03417.

Nanotubos que se espiralam ao som de tango ou chorinho

Entre as numerosas aplicações que se vislumbram para os nanotubos de carbono, constam alguns dispositivos nanoeletrônicos que aproveitariam a excelente capacidade de conduzir a eletricidade que os diminutos tubos de grafeno podem apresentar. Para que os nanotubos tenham um bom desempenho em algumas aplicações desse tipo, um dos formatos mais adequados seria o espiralado, formado por um nanotubo único, com suas duas pontas livres de modo a poder fazer contato com outros componentes dentro de um dispositivo. Além disso, para não perder condutividade, a bobina de nanotubo deveria apresentar baixa densidade de defeitos estruturais.

Contudo, na prática, conseguir que tubinhos de 1 nm de diâmetro se enrolem em espirais sem gerar imperfeições e deixando suas pontinhas separadas do feixe não é tarefa simples para o ser humano.

Capa da Nano Letters. Representação de uma espiral formada por um único nanotubo de carbono enrolado. Acima à direita, a inserção destaca, por meio de uma imagem de microscopia eletrônica de varredura, o corte transversal de uma espiral real obtida pela equipe de cientistas.

Num artigo publicado na prestigiada revista Nano Letters, destacado na capa da edição de abril deste ano, uma equipe de 14 cientistas reportou a formação de espirais de nanotubos, sem defeitos e com pontas livres, a partir de um mecanismo de enrolamento espontâneo de nanotubos de carbono de parede única. O trabalho foi liderado por pesquisadores do Weizmann Institute of Science (Israel) e contou com participação de quatro cientistas de universidades brasileiras (Unicamp, UFMG e Universidade Federal de Roraima), do ETH Zürich (Suíça) e da israelense Bar-Ilan University.

A equipe dispôs nanopartículas de ferro sobre substratos de dióxido de silício e acrescentou um gás contendo carbono – uma combinação conhecida por promover o crescimento de longos nanotubos de parede única, que podem chegar a mais de 100 micrometros de altura. Os nanotubos crescem como árvores, de forma perpendicular ao substrato.

Nessas condições, os cientistas geraram uma série de nanotubos de carbono nas amostras, sendo que alguns deles se apresentaram espontaneamente em formato de espiral. Os autores analisaram as espirais de nanotubos por meio de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão e de microscopia de força atômica, obtendo informações como o diâmetro, altura e quantidade de voltas das espirais. Usando a técnica de espectroscopia Raman, os autores continuaram investigando as espirais de nanotubos e concluíram que a concentração de defeitos estruturais era muito baixa e que o diâmetro e quiralidade dos nanotubos eram os mesmos ao longo de toda a espiral. As análises por Raman foram parcialmente realizadas na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) pelo professor Ado Jorio.

Para compreender o mecanismo de formação das espirais, a equipe apelou para simulações atomísticas de dinâmica molecular, que estudam os movimentos físicos de átomos e moléculas. Essas simulações foram dirigidas pelo professor Douglas Soares Galvão (Instituto de Física Gleb Wataghin- Unicamp) e realizadas pelo pós-doc Leonardo Dantas Machado, ex-orientando de Galvão, e pelo professor Sergio Benites Legoas (Universidade Federal de Roraima), ex-bolsista de pós-doutorado do grupo de Galvão. No IFGW – Unicamp, Douglas Galvão coordena um grupo de pesquisa especializado em simulação e modelagem computacional de propriedades de nanoestruturas, em especial envolvendo nanofios e nanotubos, que colabora frequentemente com grupos experimentais de diversos países. Por meio das simulações, o grupo consegue estudar, compreender e prever fenômenos que às vezes não conseguem ser diretamente visualizados ou experimentalmente acessados na escala de tempo em que ocorrem.

Em grandes linhas, as simulações realizadas mostraram que, depois de crescerem verticalmente, os nanotubos que tinham formado espirais começaram a se depositar de baixo para cima sobre o substrato formando uma primeira volta, como resultado da sua interação com o fluxo de gás de carbono e com o substrato. Depois desse passo inicial, os nanotubos continuaram a se depositar em formato de espiral, espontaneamente e com constância, completando até 74 voltas.

A equipe também investigou o desempenho das espirais como indutores (dispositivos espiralados ao longo dos quais passa corrente elétrica, gerando um campo magnético, também conhecidos como bobinas eletromagnéticas) – uma aplicação dos nanotubos que não tinha sido estudada até esse momento. As espirais de nanotubos do artigo da Nano Letters demonstraram que, apesar de altamente condutoras, não estão prontas ainda para serem usadas como indutores eficientes. Contudo, por meio da análise de seu comportamento elétrico e magnético, o artigo trouxe valiosas e novas informações que podem ser utilizadas no desenvolvimento de dispositivos indutores a partir de nanotubos.

Capa da Physical Review Letters destacou em 2013 outro artigo da equipe internacional de cientistas, liderada na ocasião por Galvão, sobre serpentinas de nanotubos de carbono.

De acordo com o professor Galvão, o trabalho publicado na Nano Letters é uma continuação de um projeto anterior sobre serpentinas de carbono, que envolveu seu grupo, o grupo de Israel, liderado por Ernesto Joselevich, e o professor Ado Jorio (UFMG). Esse primeiro trabalho também gerou um artigo destacado na capa de uma prestigiada revista, no caso, a Physical Review Letters (Dynamics of the Formation of Carbon Nanotube Serpentines, L. D. Machado, S. B. Legoas, J. S. Soares, N. Shadmi, A. Jorio, E. Joselevich, and D. S. Galvão, Phys. Rev. Lett. 110, 105502 – Published 8 March 2013).

A história da colaboração entre os brasileiros e o grupo de Israel, conta Galvão, começou em uma conferência na Espanha, na qual o brasileiro assistiu a uma apresentação de Joselevich sobre os nanotubos de carbono com formato de serpentina. “Eu achei o problema muito interessante”, diz Galvão. Por coincidência, os dois cientistas se encontraram novamente num evento brasileiro de física da matéria condensada e almoçaram juntos na companhia de Ado Jorio. Ali nasceu a colaboração. “Do ponto de vista de simulação, era um projeto bastante desafiador e difícil (além da necessidade de desenvolver novos protocolos especificamente para o problema, as simulações envolveram milhões de átomos), mas o Leonardo e o Legoas conseguiram resolver”, relata Galvão.

Além de consistentes do ponto de vista científico, as simulações ficaram interessantes do ponto de vista estético. A esse respeito, o professor Galvão compartilha uma anedota. “O Joselevich, que é argentino de nascimento, conhece bem o Brasil e a cultura brasileira. A primeira vez que ele viu as simulações das serpentinas, ele disse que se lembrou da música “Brasileirinho”. Nós fizemos umas versões dos vídeos incorporando o Brasileirinho como trilha musical e, em homenagem a ele, dentro da rivalidade Brasil-Argentina, outras com tangos. O Brasileirinho, ganha, claro”, brinca o professor.

Dois vídeos de nanotubos dançando e formando espirais podem ser acessados sem custo nas informações de apoio (supporting info) publicadas junto ao paper da Nano Lettershttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b03417

Gente da comunidade: entrevista com Ado Jorio de Vasconcelos, que proferirá palestra plenária no XV Encontro da SBPMat.


Há 16 anos, nos Estados Unidos, o físico brasileiro Ado Jorio de Vasconcelos, em estágio de pós-doutorado no Massachusetts Institute of Technology (MIT) no grupo da professora Mildred Dresselhaus, encabeçava um trabalho que geraria o primeiro resultado bem-sucedido da aplicação da Óptica, mais precisamente da espectroscopia Raman, na caracterização individual de nanotubos de carbono – cujas paredes, vale lembrar, têm apenas 1 átomo de espessura e cujo diâmetro costuma ser de 1 nanometro. Uma olhada no site do MIT, na página da professora Mildred, que vem estudando nanoestruturas de carbono no MIT há mais de 50 anos, reforça a relevância do trabalho realizado junto ao brasileiro: 5 das 6 publicações selecionadas pela professora emérita têm coautoria dele.

Quando começou o pós-doc, Ado Jorio tinha 28 anos de idade e acabava de obter o diploma de doutor em Física pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), com uma tese sobre transições de fase em sistemas incomensuráveis, realizada com orientação do professor Marcos Assunção Pimenta. Antes disso, graduara-se em Física, também pela UFMG, depois de cursar 3 anos de Engenharia Elétrica.

Finalizado o pós-doutorado no MIT, Jorio voltou à UFMG ao ser aprovado em concurso público, tornando-se professor adjunto da universidade em 2002. De 2007 a 2009 ocupou um cargo no Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro) para realizar atividades relacionadas ao desenvolvimento da nanometrologia. Em 2010, tornou-se professor titular da UFMG e, no mesmo ano, assumiu, até 2012, a direção da Coordenadoria de Transferência e Inovação Tecnológica da universidade. Em 2013, esteve no ETH Zurich (Suíça) como professor visitante, realizando atividades docentes e de pesquisa. Em agosto deste ano, assumiu a direção da Pró-Reitoria de Pesquisa da UFMG.

Desde 2002, Jorio vem ampliando o tema de seu trabalho de pós-doutorado. O cientista mineiro tem realizado pesquisa em Óptica e desenvolvimento de instrumentação científica, visando ao estudo de nanoestruturas de carbono com aplicações muito diversas. Um exemplo dessa diversidade é um trabalho do qual Jorio participa, no qual técnicas do campo da Nanotecnologia são utilizadas para compreender detalhes da composição da “terra preta de índio”, um solo de altíssima fertilidade e capacidade de sequestrar carbono, encontrado em locais antigamente habitados por índios na Amazônia brasileira.

Atualmente, Jorio é dono de um dos índices H mais altos entre os cientistas do Brasil: 74, segundo o Google Scholar. Ele é também um dos pesquisadores mais citados no mundo, como atesta a inclusão de seu nome na mais recente lista internacional da Thomson Reuters, que destacou, dentre todos os artigos científicos indexados entre 2003 e 2013, o 1% de papers mais citados em cada área do conhecimento. Jorio é autor de mais de 180 artigos científicos e de 20 livros ou capítulos de livros, além de 8 pedidos de patente. De acordo com o Google Scholar, suas publicações reúnem mais de 30 mil citações.

Suas contribuições receberam uma série de reconhecimentos de prestigiadas entidades, como o Somiya Award da International Union of Materials Research Societies em 2009; o ICTP Prize do Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics em 2011, e o Georg Forster Research Award da Humboldt Foundation em 2015, entre muitas outras distinções nacionais e internacionais.

No XV Encontro da SBPMat, Ado Jorio proferirá uma palestra plenária sobre um tema no qual é um dos principais especialistas do mundo, o uso de espectroscopia Raman para o estudo de nanoestruturas de carbono. O cientista brasileiro falará sobre a evolução que a técnica experimentou até chegar na escala nano. E promete revelar alguns truques que possibilitam o uso da luz, cujo comprimento de onda é de, no mínimo, centenas de nanometros, como sonda para investigar estruturas de apenas alguns nanometros.

Veja nossa entrevista com este membro da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais e plenarista do nosso evento anual.

Boletim da SBPMat: – Conte-nos o que o levou a se tornar um cientista e a trabalhar na área de Materiais.

Ado Jorio: – O caminho foi tortuoso! Entrei na universidade para cursar engenharia elétrica. Na época tocava em uma banda de rock progressivo, e procurei iniciação científica na área de música. Fui orientado a conversar com um professor do departamento de física, que gostava de música, estudava acústica e materiais. Aí começou minha trajetória, que acabou na ciência dos materiais.

Boletim da SBPMat: – Quais são, na sua própria avaliação, as suas principais contribuições à área de Materiais.

Ado Jorio: – Diria que são duas principais. A primeira, na área de nanotubos de carbono, demonstrei que a óptica poderia ser levada ao nível de nanotubos isolados. Isso abriu um campo de pesquisas muito amplo, porque os nanotubos podem ser de vários tipos, dependendo do seu diâmetro e quiralidade. Antes deste trabalho, as pessoas estudavam nanotubos. Após este trabalho, as pessoas passaram a estudar tipos específicos de nanotubos. Seria equivalente a dizer que pesquisadores estudavam o átomo, e se deram conta de que existem diversos tipos de átomos. O artigo que foi marco desta descoberta foi o [PRL86, 1118 (2001)]. A segunda contribuição foi o avanço da óptica para o estudo de nanoestruturas de carbono, de forma mais ampla. Trabalhei em diversas frentes, desde a instrumentação científica, para medidas ópticas abaixo do limite de difração, até o estudo e caracterização de defeitos, abordagem de materiais de interesse em ciências do solo, biotecnologia, biomedicina. Algumas referências importantes são os livros “Raman Spectroscopy in Graphene Related Systems” e “Bioengineering Applications of Carbon Nanostructures”.

Boletim da SBPMat: –  Sempre convidamos os entrevistados desta seção do boletim a deixarem uma mensagem para os leitores que estão iniciando suas carreiras científicas. Muitos desses leitores provavelmente almejam conseguir um dia um índice H como o seu. O que você diria a eles?

Ado Jorio: – Faça um grande esforço para participar de conferências, e faça excelentes apresentações, sempre! A ciência é um debate e você tem que ser ouvido. Nunca repita uma mesma apresentação. Cada público pede um foco. É certo que este conselho depende de financiamento, mas desde o início da minha carreira, sempre gastei dinheiro do meu salário financiando minhas viagens, e ainda faço isso.

Boletim da SBPMat: – Deixe uma mensagem ou convite para sua palestra plenária aos leitores que participarão do XV Encontro da SBPMat.

Ado Jorio: – Depois de tudo o que foi dito acima, e considerando que título e resumo estarão disponíveis, só me resta já deixar aqui, de prontidão, meu agradecimento àqueles que me prestigiarem com sua presença. Será uma honra ter os colegas no auditório.

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Link para o resumo da plenária de Ado Jorio, intitulada “Innelastic light scattering in carbon nanostructures: from the micro to the nanoscale”: http://sbpmat.org.br/15encontro/speakers/abstracts/7.pdf

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.