A fabricação dos aceleradores do LNLS e os materiais nacionais, por Cylon Gonçalves da Silva.


Foto do anel de armazenamento da fonte de luz síncrotron, no LNLS (Campinas, SP), em dezembro de 1996, época do início de seu funcionamento, 7 meses antes da inauguração do laboratório. (Crédito M.B.Jr)

Quando demos a partida na construção do LNLS, em 1986, e muito antes disto, na sua “pré-história”, havia já a intenção de envolver a indústria nacional na construção dos equipamentos. Olhando de 2015, é difícil imaginar o que era a indústria brasileira em 1985. Ainda é mais difícil conceber que, em alguns setores, entre eles o metal-mecânico, ela era mais sofisticada do que é hoje. A abertura da economia brasileira, necessária, porém conduzida de forma atabalhoada e amadora pelo Governo Collor, acabou com boa parte da indústria mais sofisticada que havia no País então. De todos os materiais necessários para construir os aceleradores, dois se destacavam por seu peso (literalmente): aço e cobre. Para os imãs e câmaras de vácuo necessitávamos de aço e para as bobinas dos eletroímãs, de cobre OFHC de baixo conteúdo de oxigênio.

Lembro-me da visita feita a nosso galpão, por um especialista em ultra-alto vácuo da Balzers que nos declarou, de forma arrogante, que “é impossível fabricar câmaras de ultra-alto-vácuo” com o aço brasileiro. “Vocês vão ter de importar.” Não é necessário dizer que isto foi um belo incentivo para que procurássemos um fornecedor brasileiro para nossas necessidades. Ricardo e eu compartilhávamos um saudável desprezo por este tipo de especialista. Acho que nós dois pensávamos, sem falar em voz alta, quando ouvíamos declarações deste tipo, mais ou menos a mesma coisa: “Ah é! Não dá? Você vai ver!”. Para a fabricação dos ímãs e das câmaras de vácuo, havia duas perguntas não respondidas. Haveria no Brasil aço com as características requeridas? E o método de corte a laser que pretendíamos utilizar não afetaria negativamente as propriedades magnéticas do material nas suas bordas? Ninguém tinha utilizado esta técnica para fabricar eletro-ímãs de precisão até o LNLS considerá-la como uma opção, dadas as condições muito especiais que enfrentávamos. Quando começamos, ninguém tinha as respostas para estas perguntas. A experiência mostrou que havia o aço necessário no Brasil, tanto para os ímãs (SAE1006, adquirido no mercado nacional e relaminado  pela Mangels) quanto para as câmaras (AISI 316L), e que o corte a laser era uma técnica viável e muito flexível para a produção de lotes relativamente pequenos de eletro-ímãs*. Isto, naturalmente, não aconteceu da noite para o dia. Eventualmente, a longa história do desenvolvimento dos processos para os aços, por exemplo, no caso das câmaras de vácuo, de limpeza e soldagem, e no caso dos ímãs, da melhoria das propriedades magnéticas, poderia muito bem ser contada.

Uma outra história, mais divertida, é a do cobre para as bobinas dos eletro-ímãs. O CERN nos havia recomendado a empresa finlandesa Outokumpu, que era a fornecedora deles. É claro que, com esta recomendação, estávamos tranquilos quanto à qualidade do produto finlandês. Mas, eu não estava satisfeito em ter de importar cobre. Uma pesquisa revelou a existência em São Paulo da Termomecânica, de propriedade de Salvador Arena. Consultados os meus “especialistas”, todos foram unânimes em dois pontos: tratava-se de uma empresa da melhor qualidade e de um empresário excepcional, dos mais dedicados ao desenvolvimento tecnológico de seus produtos, apenas um tantinho temperamental. Achei que ele se encaixava no perfil de um fornecedor potencial para o LNLS e lá fui eu explicar-lhe o projeto do LNLS e suas necessidades. Fui muito bem recebido, ouvi durante algumas horas uma exposição sobre o belo programa educacional que era o seu projeto do coração, pude expor nosso projeto brevemente, mas neste, Arena foi taxativo – “Neste negócio não me meto. Não quero nada com o governo. Não vai dar certo. Esqueça, vocês não vão conseguir. A Termomecânica não vai fornecer para vocês.” (Coloco entre aspas o texto, com a ressalva de que podem não ter sido as palavras exatas de Arena, mas o sentido é o mesmo.)

Confesso que fiquei decepcionado, mas a conversa não foi em vão. Serviu para eu entender como ele pensava e para traçar uma estratégia para dobrá-lo. Importamos, com a ajuda do CERN, uma tonelada de cobre OFHC da Outokumpu (uma fração do que precisaríamos) nas especificações necessárias para as bobinas dos dipolos do anel. O cobre fornecido pela Outokumpu foi OFHC/OFE – 99,99 % mínimo Cu com até 0,0010 % max de oxigênio.  Assim que o material chegou, liguei para Salvador Arena para dizer-lhe: “O Sr. não quis nos fornecer, importei da Outokumpu, sua concorrente.” O que se ouviu do outro lado da linha não pode ser reproduzido na riqueza dos palavrões nos quais Arena era pródigo. Por baixo, fui chamado de moleque, e ele me assegurou nos termos mais enfáticos que nunca tinha dito que a Termomecânica não iria nos fornecer o cobre de baixo conteúdo de oxigênio que precisávamos. E praticamente ordenou que eu voltasse lá imediatamente com as especificações que eles desenvolveriam o material para nós. E foi o que fizeram. Graças à estratégia da importação da Outokumpu, o cobre fornecido pela Termomecânica está até hoje cumprindo seu papel com galhardia não apenas nos dipolos, mas em todos os eletro-ímãs do LNLS (certificado OFHC/OF – 99.95 % mínimo Cu + Ag com  até 0,0010 % max de oxigênio, mas com qualidade OFE). Aqui também, há uma longa história de desenvolvimento feito pela equipe do LNLS dos materiais até o produto acabado. Mas, isto fica para outra ocasião.

Prof. Cylon Gonçalves da Silva

*Agradeço a Guilherme Franco, Osmar Bagnato e Ricardo Rodrigues, da equipe do LNLS, por me refrescar a memória sobre os tipos de aço empregados, bem como os detalhes técnicos do cobre OFHC.

[Artigo enviado para publicação no Boletim da SBPMat pelo professor Cylon Gonçalves da Silva, primeiro diretor do LNLS (1986-1998). Para mais informações sobre a implantação do LNLS, convidamos os leitores a acessarem a reportagem “A construção, no Brasil, da fonte de luz síncrotron e de suas primeiras estações experimentais“]

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Aniversário da Área de Materiais da CAPES. Parte 1.


Neste final de janeiro de 2014, a comunidade brasileira de pesquisa em Materiais tem um aniversário para comemorar: a área de Materiais da CAPES/MEC (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior do Ministério da Educação) completa seu sexto ano de existência.

De fato, foi no dia 30 de janeiro de 2008 que a Assessoria de Imprensa da CAPES publicou uma nota em que anunciava a introdução de modificações na tabela das áreas do conhecimento. Essa tabela estabelece uma relação das áreas do conhecimento, organizadas em grandes áreas, áreas, subáreas e especialidades, e é utilizada nas avaliações dos programas de pós-graduação no Brasil. Entre as mudanças divulgadas na nota em questão, consta a inserção da área “Materiais”, até então inexistente, que a partir daquele momento faria parte da grande área “Multidisciplinar”, a qual havia sido criada recentemente.

Um dia antes dessa divulgação, o ofício circular 014/2008 da Diretoria de Avaliação da CAPES tinha sido enviado a todos os coordenadores de programas de pós-graduação identificados previamente como possíveis aderentes a serem agrupados na nova área.  O ofício informava que uma reunião recente do Conselho Superior da CAPES aprovara a criação da nova área de avaliação “Materiais”, e também que tinha sido nomeado para coordenador pró-tempore o físico Lívio Amaral, professor da UFRGS. Além disso, o ofício pedia aos coordenadores que, se fosse do interesse de seus programas vincular-se à nova área de avaliação, comunicassem essa decisão.

Os antecedentes

Em setembro de 2002, o professor Amaral participara de uma reunião na sede do CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) convocada pelo professor Celso de Melo, que era diretor no conselho. O tema da reunião era a área de Ciência e Engenharia de Materiais e os Comitês Assessores daquele órgão, e os outros participantes eram os professores Glória de Almeida Soares (COPPE-UFRJ), Elson Longo (UFSCar) e João Marcos Alcoforado Rebello (COPPE-UFRJ).

Um documento assinado pelos participantes da reunião explicita problemas na avaliação de projetos de pesquisa da área de Materiais. Em poucas palavras, ao não existir, nesse momento, Comitê de Assessoramento da área de Materiais, os projetos e pedidos de bolsa de produtividade referentes à Ciência ou Engenharia de Materiais eram muitas vezes avaliados com parâmetros discutíveis ou encaminhados de área em área até achar quem pudesse avaliá-los, situação que aumentava significativamente o número de recursos recebidos pelo CNPq e o tempo de resposta para o pesquisador proponente. Para resolver este problema, propunha-se no documento, inicialmente, criar uma comissão com representantes das diferentes áreas do conhecimento que envolvem “Materiais” e, igualmente, que deveriam ser chamadas ao debate  as sociedades científicas com alguma relação com materiais, para que, qualquer que fosse o encaminhamento futuro, o mesmo contasse com amplo respaldo da comunidade técnico-científica.

“Desde a metade dos anos 1990 esta questão de uma área de Materiais nas agências de fomento já era considerada”, diz Lívio Amaral. “Isto se dava no contexto da criação de uma sociedade brasileira de Materiais tendo como referência a MRS, o que acabou ocorrendo no início dos anos 2000. Na época havia bastante debate em várias situações como, por exemplo, nos Encontros Nacionais de Física da Matéria Condensada da Sociedade Brasileira de Física”, completa.

Em paralelo, o professor Amaral estava acompanhando essa questão dentro da CAPES, onde era coordenador da área de Física e Astronomia. De acordo com Amaral, por meio das avaliações trienais, era possível verificar que vários programas de pós-graduação, independentemente do nome que tinham e em quais áreas da CAPES estavam abrigados, formavam mestres e doutores com produção intelectual em Materiais. “Como, além de coordenador de área, eu participava do Conselho Técnico-Científico da CAPES, tinha a oportunidade de levar toda esta questão para debate naquele Conselho”, lembra o professor.

No período, Jorge Almeida Guimarães, que se tornaria presidente da CAPES em 2004, era coordenador da área de Biológicas II, e, da mesma forma que o professor Amaral, participava do Conselho Técnico-Científico e era professor da UFRGS. “Nós discutíamos bastante sobre a necessidade de se criar duas novas áreas, a de Materiais e a de Biotecnologia”, relata Lívio Amaral.

Além disso, lembra Amaral, ocorria então outra favorável coincidência. O presidente da CAPES nesse momento era o professor Abílio Afonso Baeta Neves, que tinha sido anteriormente pró-reitor de pós-graduação da UFRGS no período em que fora encaminhado o programa de pós-graduação em Ciência dos Materiais na universidade por iniciativa de professores dos departamentos de Física, inclusive Amaral, Engenharia e Química. “Em síntese, neste quadro, a discussão sobre novas áreas, dentro e fora do Conselho Técnico-Científico, era bastante frequente por essas circunstâncias”, resume o professor Amaral.

Reunião do Conselho Técnico-Científico da CAPES no período da presidência do professor Abílio Baeta Neves. Sentados à mesa, o terceiro a partir da esquerda é o presidente; o sexto, falando, é o professor Jorge Guimarães; o sétimo é o professor Lívio Amaral. (Foto cedida por Lívio Amaral)

 A decisão da criação

De acordo com Amaral, em julho de 2007, a CAPES realizou uma reunião em Brasília tendo em vista a possível criação de uma nova área do conhecimento, a se denominar “Materiais”. Representantes de vários programas de pós-graduação foram convidados, inclusive o professor Lívio, que, à época, era coordenador do programa da UFRGS.

No ofício-convite enviado pela Diretoria de Avaliação da CAPES, constava: “A agência tem conferido a essa área a importância merecida, dada a relevância que tem, na ciência e na tecnologia atuais, a criação de novos materiais. O Conselho Superior da CAPES, além disso, já autorizou a Diretoria a criar a área em questão. Para tal decisão, a reunião do dia 31 de julho será decisiva, porque permitirá concluir se é ou não do interesse dos programas – e da ciência e tecnologia brasileiras – essa medida inovadora. A nova área reuniria todos os programas que – repartidos hoje por distintas áreas do conhecimento – destacam esse tema prioritário para o País e para a ciência aplicada”.

“A reunião, então, foi conclusiva para criação da nova área e desenhou os marcos iniciais para a mesma”, afirma Amaral. Assim, na data de 25 de janeiro de 2008 foi publicada no Diário Oficial da União a portaria 09 da CAPES, que no seu artigo 3o criava duas novas áreas de conhecimento, “Materiais” e “Biotecnologia”, e designava seus coordenadores pro tempore.

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Anexo

Relação dos programas de pós-graduação que aderiram à área de Materiais (situação de março de 2008).

1. Programa de Pós-Graduação em Materiais – UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL
2. Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais – UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
3. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais – UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
4. Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais – UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNANBUCO
5. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia dos Materiais – UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” – UNESP-BAURÚ
6. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais – UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
7. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais – UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
8. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais – UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – SÃO CARLOS
9. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia dos Materiais – UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” – UNESP- CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA
10. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais – UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA.

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Alguns dados sobre a obra científica do professor Gross.


Grande parte da atividade científica do prof. Bernhard Gross que vem antes dos seus estudos sobre eletretos é pouco comentada, mas tem um valor inestimável. Os trabalhos sobre eletretos ganham destaque e repercussão internacional a partir dos anos 1970, e continuaram nos primeiros anos de 1980. Vou comentar um pouco o que ele produziu desde o início de sua carreira até a década de 1960.

Ainda na Alemanha, em Stuttgart, ele publicou alguns trabalhos sobre correções de latitude em detectores usados nos estudos de raios cósmicos na atmosfera [referências 1 e 2]. Esses artigos foram publicados em alemão. Seu trabalho foi logo generalizado por E. J. Williams e publicado na revista Nature [3]. Posteriormente essa correção ficou conhecida como “transformação de Gross”. Num célebre livro sobre raios cósmicos, publicado em 1950 [4], o capítulo 3 é dedicado à “transformação de Gross”.

Seu primeiro trabalho no Brasil foi sobre propriedades elétricas de zeólitas [5], que junto ao trabalho sobre efeitos retardados em sólidos dielétricos [6] e, mais tarde, sobre cargas estáticas em dielétricos [7], marcaram o início de suas pesquisas na área de Materiais, que culminaria com os famosos estudos sobre eletretos a partir dos anos 1960. No entanto, foram marcantes os trabalhos seminais que realizou sobre modelos matemáticos aplicados a sistemas viscoelásticos. Esses trabalhos foram publicados nos últimos anos da década de 1940 [8-11]. Como resultado desse trabalho, Gross publicou um livro sobre o assunto que ainda hoje é referência fundamental na área de reologia de sólidos [12].

Em meados da década de 1950, Gross realizou uma série de trabalhos sobre efeitos da radiação em sistemas vítreos e poliméricos [13,14]. Com esses trabalhos foi descobridor de uma corrente elétrica em sólidos dielétricos, a qual estava relacionada ao efeito Compton, e que gerou outro célebre e seminal trabalho [15]. Esse efeito explicou o fenômeno até então sem explicação que ocorria em usinas nucleares. As janelas de vidro usadas como proteção de radiação estilhaçavam espontaneamente depois de algum tempo de uso. Gross foi convidado pelo Centro de Pesquisa em Radiação, em Nova Iorque, e em conjunto com os pesquisadores locais provou que as correntes Compton eram responsáveis pela degradação dos vidros [16]. Logo depois, Gross inventou o dosímetro Compton [17], o qual patenteou nos Estados Unidos, mas perdeu o direito da patente para o exército americano depois de uma batalha judicial.

Ainda no Brasil, Gross iniciou seus primeiros estudos sobre eletretos [18, 19], sendo o primeiro a fabricar os chamados radioeletretos. Ao se aposentar do Instituto Nacional de Tecnologia, foi convidado para ocupar a direção do Departamento de Informação Científica e Técnica da Agência Internacional de Energia Atômica, em Viena, onde fica até o final da década de 1960. Publica alguns trabalhos relevantes sobre informação científica [20], e volta à ativa como pesquisador na área de eletretos na década de 1970.

Professor Roberto Mendonça Faria
Pesquisador do Grupo de Polímeros “Prof. Bernhard Gross” (USP São Carlos)
Estudante de doutorado do prof. Bernhard Gross entre 1980 e 1984

Veja também

Nossa matéria “Bernhard Gross: pai da pesquisa em eletretos no Brasil”: http://sbpmat.org.br/bernhard-gross-pai-da-pesquisa-em-eletretos-no-brasil/

 Referências

[1] For the Pressure Dependence of the Ionization by Cosmic Ray (Zur Druckabhängigkeit der Ionisation durch. Ultrastrahlung), B. Gross, ZEITSCHRIFT FUR PHYSIK Volume: 78 Issue: 3-4 Pages: 271-278 DOI: 10.1007/BF01337596 Published: MAR 1932.
[2] For the absorption of the ultra radiation (Zur Absorption der Ultrastrahlung), ZEITSCHRIFT FUR PHYSIK, B. Gross,  Volume: 83 Issue: 3-4 Pages: 214-221 DOI: 10.1007/BF01331141 Published: MAR 1933.
[3] Spectrum and latitude variation of penetrating radiation, E. J. Williams, Nature, 512 (1933).
[4] Cosmic rays, L. Janossy (1950), Oxford at Clarendon Press.
[5] On the electric conductivity of Zeolite, B. Gross, ZEITSCHRIFT FUR KRISTALLOGRAPHIE Volume: 92 Issue: 3/4 Pages: 284-292 Published: DEC 19.
[6] On after-effects in solid dielectrics, B. Gross, PHYSICAL REVIEW Volume: 57 Issue: 1 Pages: 57-59 DOI: 10.1103/PhysRev.57.57 Published: JAN 1940.
[7] STATIC CHARGES ON DIELECTRICS, B. Gross, BRITISH JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Volume: 1 Issue: OCT Pages: 259-267 DOI: 10.1088/0508-3443/1/10/304 Published: 1950.
[8] ON CREEP AND RELAXATION, B. Gross, PHYSICAL REVIEW Volume: 71 Issue: 2 Pages: 144-144 Published: 1947.
[9] ON CREEP AND RELAXATION, B. Gross, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Volume: 18 Issue: 2 Pages: 212-221 DOI: 10.1063/1.1697606 Published: 1947.
[10] ON CREEP AND RELAXATION .2, B. Gross, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Volume: 19 Issue: 3 Pages: 257-264 DOI: 10.1063/1.1715055 Published: 1948.
[11] FRICTIONAL LOSS IN VISCO-ELASTIC SUBSTANCES, B. Gross, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Volume: 21 Issue: 2 Pages: 185-185 DOI: 10.1063/1.1699622 Published: 1950.
[12] Mathematical structure of the theories of Viscoelasticity, B. Gross, Paris, Hermann Press (1953).
[13] IRRADIATION EFFECTS IN BOROSILICATE GLASS, B. Gross, PHYSICAL REVIEW Volume: 107 Issue: 2 Pages: 368-373 DOI: 10.1103/PhysRev.107.368 Published: 1957.
[14] IRRADIATION EFFECTS IN PLEXIGLAS, B. Gross, JOURNAL OF POLYMER SCIENCE Volume: 27 Issue: 115 Pages: 135-143 DOI: 10.1002/pol.1958.1202711511 Published: 1958.
[15] THE COMPTON CURRENT, B. Gross, ZEITSCHRIFT FUR PHYSIK Volume: 155 Issue: 4 Pages: 479-487 DOI: 10.1007/BF01333129 Published: 1959.
[16] BETA-PARTICLE TRANSMISSION CURRENTS IN SOLID DIELECTRICS, B. Gross, A. Bradley & A. P. Pinkerton, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Volume: 31 Issue: 6 Pages: 1035-1037 DOI: 10.1063/1.1735740 Published: 1960.
[17] Compton Dosimeter for measurements of penetrating x-rays and gamma rays, B. Gross, RADIATION RESEARCH Volume: 14 Issue: 2 Pages: 117-& DOI: 10.2307/3570883 Published: 1961.
[18] GAMMA IRRADIATION EFFECTS ON ELECTRETS, B. Gross & R. J. D. Moraes, PHYSICAL REVIEW Volume: 126 Issue: 3 Pages: 930-& DOI: 10.1103/PhysRev.126.930 Published: 1962.
[19] POLARIZATION OF ELECTRET, B. Gross & R. J. D. Moraes, JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS Volume: 37 Issue: 4 Pages: 710-& DOI: 10.1063/1.1733151 Published: 1962.
[20] PRESENT AND FUTURE TRENDS OF SCIENTIFIC INFORMATION, B. Gross, ATOMIC ENERGY REVIEW Volume: 4 Issue: DEC Pages: 85-& Published: 1966.

Bernhard Gross: pai da pesquisa em eletretos no Brasil.


Em junho de 1933, desembarcava na cidade do Rio de Janeiro o engenheiro e físico de Sttutgart (Alemanha) Bernhard Gross.  Após ter desenvolvido algumas pesquisas sobre raios cósmicos, como colaborador, e constatando que era difícil conseguir um emprego como físico em seu país de origem, o jovem de 28 anos tinha decidido tentar a vida no Brasil. Nesse momento Gross já possuía algumas publicações científicas.

Por que Gross veio ao Brasil, um país que, na época, tinha pouquíssimas instituições, infraestrutura e recursos humanos para pesquisa? Numa entrevista realizada em 1976, Gross relatou que seu interesse pelo Brasil surgiu na infância, durante uma viagem que realizou com a família pelas cidades do Rio de Janeiro, São Paulo, Porto Alegre e Pelotas, e na qual sentiu um gostinho de aventura e romantismo.

Logo após a sua chegada ao Rio, Gross deu algumas palestras sobre raios cósmicos na Escola Politécnica do Largo de São Francisco e, assim, começou a conhecer pessoas ligadas à ciência na cidade.  Em janeiro de 1934 obteve seu primeiro emprego, no Instituto de Meteorologia. No mesmo ano, publicou o primeiro de seus artigos científicos escritos no Brasil. Em 1999, com 94 anos, publicaria o último de cerca de duzentos.

Em vários temas, tais como raios gama, circuitos elétricos e materiais dielétricos, Gross fez contribuições de relevância e impacto internacional com trabalhos de pesquisa desenvolvidos no Brasil. Gross abordava os desafios científicos com muita competência, tanto do ponto de vista teórico quanto do experimental, e dava uma particular atenção à aplicação da Matemática à Física.

Além de fazer ciência de acordo com padrões internacionais, Gross, desde as décadas de 1930-40, publicava os resultados de seus trabalhos em periódicos do Brasil e do exterior, como os Anais da Academia Brasileira de Ciências, o Journal of Applied Physics, Physical Review, Journal of Chemical Physics e a revista alemã Zeitschrift für Angewandte Physik, entre outros periódicos.  Ademais, Gross circulou bastante pelo mundo, tendo passado alguns períodos trabalhando nos Estados Unidos (nos laboratórios Bell e no Massachusetts Institute of Technology), na Inglaterra (na Electrical Research Association) e na Áustria (como membro do comitê científico da Agência Internacional de Energia Atômica, organização internacional dedicada aos usos pacíficos da energia atômica), entre outros destinos. Finalmente, Gross conseguiu, em várias oportunidades, trazer para o Brasil pesquisadores do exterior.

Trabalhando continuamente em diversos temas, Gross iniciou no Brasil, de forma pioneira, a pesquisa em Física da Matéria Condensada, pilar da Ciência e Engenharia dos Materiais.

Os eletretos

Fotografia de Bernhard Gross da galeria de fotos da página http://www.canalciencia.ibict.br/notaveis/bernhard_gross.html

Um dos campos que recebeu mais contribuições científicas de Bernhard Gross é o estudo dos eletretos, materiais dielétricos (isolantes) que, por estarem permanentemente polarizados, possuem carga elétrica permanente.

A gênese das pesquisas de Gross sobre eletretos remonta a um dos primeiros trabalhos feitos por Gross no Brasil, em 1934: um pedido da empresa de energia elétrica e telefonia Light, que queria saber qual era a resistência do isolamento de seus cabos telefônicos. Fazendo medidas, Gross notou que os fios apresentavam um fenômeno que o fascinava havia tempo, conhecido como “absorção dielétrica”.

Na entrevista de 1976, Gross relata: “Aquilo que a Light queria saber, eu podia resolver em tempo razoável. Agora, aproveitei isto para estudar o comportamento de isoladores, de maneira mais básica”. Gross enxergava como muito importante o interesse tecnológico das atividades de pesquisa, sem que isso significasse uma limitação da curiosidade científica à mera resolução do problema tecnológico.

No início da década de 1940, Gross e seu grupo ainda pesquisavam os materiais dielétricos no Instituto Nacional de Tecnologia (INT), no Rio de Janeiro. Bernhard Gross tinha lido sobre os eletretos e, por mera curiosidade, começou a fazer uma série de medidas junto a uma pesquisadora francesa, Line Ferreira – Denard, que estava trabalhando no INT. O trabalho, de base experimental, gerou duas publicações iniciais em 1945 e em 1948 e permitiu explicar, pela primeira vez, o comportamento dos eletretos. Em 1957, Gross realizou ainda um estudo sistemático sobre o comportamento dos campos que se produzem quando, ao injetar elétrons em sólidos carregados, os elétrons ficam presos em “armadilhas”.

Foi também nesse contexto dos estudos sobre dielétricos e eletretos que Joaquim da Costa Ribeiro desenvolveu a compreensão do efeito termodielétrico ou “efeito Costa Ribeiro”, no qual um dielétrico adquire polarização e carga permanente sem aplicação de um campo elétrico externo.

O microfone de eletretos

O conhecimento desenvolvido por Gross sobre eletretos permitiu o avanço nas aplicações industriais desses materiais, das quais uma das mais difundidas é o microfone de eletretos, criado no contexto dos laboratórios Bell por Gerhard Sessler e James West, que solicitaram a patente da invenção em 1962. Este tipo de microfone vem sendo produzido em milhões ou bilhões de unidades por ano.

Para chegar ao microfone de eletretos, Sessler e West utilizaram a teoria desenvolvida por Gross e o método descrito por ele para carregar materiais por meio de feixes de elétrons. Mas os pesquisadores dos laboratórios Bell utilizaram como matéria-prima folhas de teflon, material cujas propriedades mecânicas, baixíssima condutividade e possibilidade de ser fabricado em finas folhas permitiram sua aplicação no microfone. A fina folha de teflon, carregada, move-se pela ação das vibrações sonoras e induz cargas elétricas, transformando vibrações sonoras em vibrações elétricas.

“Admito que na ocasião não pensava em aplicações práticas”, disse Gross na entrevista de 1976, a respeito das pesquisas sobre eletretos. O cientista explicou os motivos: não dispunha de materiais adequados a aplicações industriais (usava cera de carnaúba e plexiglás), a dificuldade de realizar um pedido de patente na época era grande e ele precisaria reunir diversas competências para chegar num dispositivo como o microfone.

O microfone de Sessler não foi o único baseado nos conhecimentos desenvolvidos por Gross. Na história do físico de Sttutgart e os eletretos, existiu um caso de transferência tecnológica mais direta, o de Preston Murphy, seu assistente estadunidense especializado em eletrostática. Gross o conheceu numa de suas viagens e conseguiu para ele um contrato para trabalhar no Rio de Janeiro pela Comissão Nacional de Energia Nuclear. Murphy veio ao Brasil por volta de 1957 e ficou por cerca de seis anos, nos quais adquiriu conhecimentos e técnicas.  De acordo com Gross, “quando voltou aos Estados Unidos, associou-se a uma companhia, onde desenvolveu um tipo de microfone de eletreto com base nos conhecimentos que adquirira aqui, valendo-se daquela facilidade extraordinária dos americanos para fazer gadgets, virtude que não possuo. Arranjou contratos por lá e montou uma grande linha de produção de microfones de eletretos.”

O reconhecimento às contribuições de Gross em eletretos

Os avanços promovidos por Gross na pesquisa em eletretos foram e são reconhecidos mundialmente. O próprio Gerhard Sessler dedicou o livro “Electrets”, editado por ele inicialmente em 1980, a Bernhard Gross. Em um artigo publicado no Brazilian Journal of Physics em 1999, Sessler afirma que Gross assentou as pedras fundamentais da pesquisa moderna em eletretos, guiou a sua evolução durante mais de meio século e ajudou a estabelecer esse campo como uma disciplina respeitada da ciência moderna.

Além disso, eventos internacionais na área também homenagearam o físico alemão, como o 3º e 5º Simpósio Internacional sobre Eletretos, realizados respectivamente em São Carlos (Brasil) e Heidelberg (Alemanha) na ocasião do 70º e 80º aniversário de Gross.

No Brasil, muitos cientistas se formaram sob sua influência. Entre outros, pode-se mencionar Armando Dias Tavares, Francisco Oliveira Castro, Guilherme Leal Ferreira, Joaquim Costa Ribeiro, Plínio Sussekind Rocha, Roberto Faria, Sérgio Mascarenhas, Yvonne Mascarenhas. Grupos de pesquisa se constituiram inspirados por Gross, principalmente no Rio de Janeiro e em São Carlos, como o Grupo de Polímeros “Bernhard Gross“, criado em meados da década de 1970 na USP São Carlos, a partir das visitas do físico de Sttutgart a essa universidade.

Em 2002, Bernhard Gross faleceu em São Carlos, aos 97 anos.

Veja também

Texto do professor Roberto Mendonça Faria sobre outros trabalhos do professor Bernhard Gross, feito para o boletim da SBPMat: http://sbpmat.org.br/?p=999

Saiba mais

Material sobre Bernhard Gross (resumo da entrevista de 1976, fotografias etc.): http://www.canalciencia.ibict.br/notaveis/bernhard_gross.html
Gerhard. M. Sessler. Bernhard Gross and the evolution of  modern electret research. Braz. J. Phys., vol. 29 n.2, São Paulo, June 1999. http://dx.doi.org/10.1590/S0103-97331999000200003.
Sergio Mascarenhas. Bernhard Gross and his contribution to physics in Brazil. Braz. J. Phys., vol.29, n.2, São Paulo, June 1999. http://dx.doi.org/10.1590/S0103-97331999000200002.
Gerhard M. Sessler. Bernhard Gross and Electret Research: His Contributions, our Collaboration, and what Followed. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation    Vol. 13, No. 5, October 2006.

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História da pesquisa em Materiais: Joaquim da Costa Ribeiro e o efeito termodielétrico.


Sergio Mascarenhas na “Memorial Lecture”, no XI Encontro da SBPMat.

Desde o ano passado, 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, a distinção foi outorgada na noite da abertura do XI Encontro da SBPMat ao professor Sergio Mascarenhas, apresentado pelo presidente da SBPMat, professor Roberto Faria, como “uma pessoa que inspirou muitas gerações de jovens pesquisadores, principalmente na área de Materiais”.

Na sua palestra, sobre passado e futuro da pesquisa em Materiais no Brasil, Mascarenhas mostrou e comentou uma série de fotografias dos primórdios da pesquisa científica brasileira. Entre muitas imagens de físicos, brasileiros e estrangeiros, apareceu um engenheiro carioca, lembrado inicialmente pelo palestrante como seu primeiro professor de Física do Estado Sólido, “que era considerada pelos físicos uma disciplina para engenheiros”. Tratava-se, justamente, de Joaquim da Costa Ribeiro.

Formatura de Costa Ribeiro, 1928. Engenheiro Mecânico Eletricista. Fonte: Acervo Costa Ribeiro/ Arquivos Históricos em História da Ciência/CLE-Unicamp.

O efeito termodielétrico ou efeito Costa Ribeiro

Diplomado engenheiro civil e engenheiro mecânico-eletricista em 1928 pela Escola Nacional de Engenharia, Costa Ribeiro se tornou docente da recém-fundada Universidade do Brasil (atual UFRJ) e passou a formar parte do ambiente do Instituto Nacional de Tecnologia, que tinha um pouco mais de infraestrutura laboratorial que a universidade. Dessa maneira, Costa Ribeiro participou de duas das pouquíssimas instituições voltadas ao ensino e pesquisa de ciências que existiam no país na época.

Desde 1943, Costa Ribeiro trabalhou junto ao físico alemão Bernard Gross, que chegou ao Brasil em 1933 e organizou o primeiro curso de Física do Rio de Janeiro, dois anos depois. De acordo com o professor Mascarenhas, Costa Ribeiro e Gross, “gigantes da ciência brasileira”, podem ser considerados os pioneiros nacionais da Física da Matéria Condensada, disciplina que está entre os pilares da área de Materiais. Na época em que eles desenvolveram seus estudos, a pesquisa em Física no Brasil focava as áreas Nuclear e de Partículas, desenvolvidas por cientistas como Cesar Lattes, Mário Schenberg e Jayme Tiomno.

Inicialmente, Costa Ribeiro estudou novos métodos para medir radioatividade e aplicá-los a minerais brasileiros, conseguindo notáveis contribuições. Em seguida, passou a estudar materiais dielétricos (isolantes elétricos sólidos), como o naftaleno e a cera de carnaúba (palmeira típica da região nordeste do Brasil), e eletretos (sólidos com carga elétrica quase permanente).

Foi então que Costa Ribeiro observou pela primeira vez um efeito interessante, enquanto trabalhava com alguns materiais dielétricos. A fusão por aquecimento, sem aplicação de campos elétricos externos, fazia aparecer uma corrente elétrica no material isolante. Depois de solidificadas, as amostras permaneciam carregadas, constituindo eletretos. Em conclusão, para o eletreto se formar, bastava a natural solidificação do material dielétrico após ser derretido por aquecimento. Na lembrança de Bernard Gross, recuperada num artigo do professor Guilherme Leal Ferreira, essa primeira experiência foi realizada com cera de carnaúba.

A elucidação do fenômeno

Em entrevista dos Arquivos Históricos do CLE/Unicamp, realizada em 1988, os cientistas Jayme Tiomno e Elisa Frota Pessoa, que foram alunos de Costa Ribeiro e auxiliares dele na pesquisa do efeito termodielétrico, compartilharam suas lembranças sobre o processo que levou à elucidação do fenômeno. De acordo com eles, em 1943, Costa Ribeiro decidiu fazer o concurso de cátedra na Universidade do Brasil, para o qual tinha que preparar uma tese com uma pesquisa original. O professor seguiu então a sugestão de Bernand Gross de estudar eletretos orgânicos puros.

“Ele começou repetindo a preparação de eletreto usando naftaleno e observando suas propriedades. (…) Trabalhava intensamente, em geral à tarde e noitinha. Uma noite, após colocar o naftaleno fundido numa célula para solidificar  e aplicar  o  campo  elétrico, teve  de interromper e sair. No dia seguinte retirou o disco sólido de naftaleno para fundir e recomeçar, mas resolveu  examiná-lo  ao  eletrômetro.  Era  um  eletreto!”

Mas esse ainda não era o efeito termodielétrico, e sim um efeito estático, segundo Tiomno, que descreveu: “Depois de preparar vários eletretos sem aplicação de campo elétrico externo, ele percebeu que o efeito era mais intenso quando o resfriamento era mais rápido – era um efeito da velocidade de solidificação. Construiu então uma aparelhagem engenhosa e de acabamento muito bem feito em que podia observar o movimento da interface do naftaleno líquido com o solidificado por resfriamento, medindo simultaneamente a velocidade de solidificação (ou fusão) e a intensidade da corrente elétrica detectada num eletrômetro de Wulf. Verificada a correlação dessas grandezas, estava descoberto o fenômeno termodielétrico ou efeito Costa Ribeiro”.

Divulgação da pesquisa

A primeira publicação de Ribeiro descrevendo o efeito data de 1943. Intitulada “Sobre a eletrização da cera de carnaúba na ausência de campo elétrico exterior”, a comunicação foi feita na forma de uma apresentação à Academia Brasileira de Ciências e, em seguida, num artigo publicado nos anais da instituição.  Em 1945, o efeito termodielétrico foi objeto da tese apresentada por Costa Ribeiro à Faculdade Nacional de Filosofia da Universidade do Brasil no concurso para professor da cadeira de Física Geral e Experimental.  Em 1953, a Academia Brasileira de Ciências lhe outorgou o Prêmio  Einstein pelo efeito termodielétrico.

Costa Ribeiro em seu laboratório, 1952. Fonte: Acervo Costa Ribeiro/ Arquivos Históricos em História da Ciência/CLE-Unicamp.

Na entrevista do CLE/Unicamp, Jayme Tiomno e Elisa Pessoa falam também sobre a divulgação do efeito no exterior. Segundo eles, ela começou a ser feita por Costa Ribeiro na Argentina, em reuniões da Associação Física Argentina em 1945 e 1948. Também em 1948, a convite da Universidade de Paris, Costa Ribeiro realizou na Sorbonne uma série de três palestras. Em 1951, um resumo de seu trabalho, que tinha sido publicado em inglês nos Anais da Academia Brasileira de  Ciências, foi indexado no “Physics Abstracts”. Em 1954, o cientista realizou nos Estados  Unidos  quatro palestras sobre suas  pesquisas  no Massachussets  Institute  of  Technology, no Bureau of Standards (atual National Institute of Standards and Technology), na Yale University e na General Electric.

Em maio de 1950, os cientistas estadunidenses Everly J. Workman e Steve E. Reynolds publicaram um artigo no periódico Physical Review descrevendo o mesmo fenômeno, observado por eles na transição de fase entre a água e o gelo. Em consequência, o fenômeno da eletrificação de materiais isolantes na mudança de fase é citado na literatura com diversos nomes, ora “efeito Costa Ribeiro” ora “efeito Workman-Reynolds” ou, simplesmente, “efeito termodielétrico”.

O artigo do professor Leal Ferreira sobre o efeito Costa Ribeiro cita que hoje se sabe que o fenômeno da eletrização dos dielétricos gerada pela sua solidificação tinha sido mencionado no século XVIII por Stephen Gray, um dos pioneiros dos estudos experimentais em condução elétrica. Ferreira destaca nesse artigo que, muito além do mérito da prioridade da descoberta, existe o mérito da persistência de Joaquim Costa Ribeiro em estudar experimentalmente o efeito encontrado – mérito aumentado pelas precárias condições de trabalho existentes na época no Brasil.

Apesar de ter uma tendência a “se virar” sozinho, desde a construção de seus instrumentos laboratoriais até a interpretação dos resultados, Costa Ribeiro contou com colaboradores em seus estudos sobre o efeito termodielétrico. Tiomno, por exemplo, contribuiu bastante com a parte teórica, a ponto de merecer um agradecimento especial do professor na tese apresentada à Universidade do Brasil. Armando Dias Tavares e Sergio Mascarenhas também fizeram parte dos colaboradores e dos continuadores das pesquisas no tema.

Quanto às aplicações do efeito, Mascarenhas comenta que o fenômeno tem mais valor de ciência fundamental do que em aplicações tecnológicas, apesar de existir algumas aplicações, como a descrita em um artigo de 1968 sobre seu uso em radiômetros do setor aeronáutico (L.D. Russel and B.H. Beam, Journal of Spacecraft and rockets, vol. 5, pg. 1501, 1968). “Infelizmente, o efeito é pouco ensinado nos cursos tradicionais”, lamenta Mascarenhas.

Costa Ribeiro e esposa. Fonte: Acervo Costa Ribeiro/ Arquivos Históricos em História da Ciência/CLE-Unicamp.

Mais sobre Joaquim Costa Ribeiro

Casado com uma mulher francesa, a quem dedicou muitas de suas poesias, Costa Ribeiro foi pai de oito filhos. Para sustentar a família, numa época em que o professor universitário ganhava uns poucos salários mínimos, o cientista tinha vários empregos simultâneos. Dava aulas em diversas instituições e colégios.

Os colegas de trabalho e parentes o descrevem com adjetivos como estes: humanista, sereno, humilde, inventivo, autodidata, habilidoso com as mãos, intuitivo, inteligente e minucioso.

II Reunião Consultiva da ONU para aplicações pacíficas da Energia Atômica, maio 1955. Fonte: Acervo Costa Ribeiro/ Arquivos Históricos em História da Ciência/CLE-Unicamp.

Muito católico, questionado por alunos seus sobre como conseguir conciliar religião e ciência, respondeu: “É simples, eu separo  completamente.  Quando estou na religião, estou na religião; quando estou na ciência, estou na ciência”

Além de suas contribuições científicas, Costa Ribeiro desempenhou papeis importantes na criação do CBPF (1949) e do CNPq (1951) e participou de várias iniciativas nacionais e internacionais sobre o uso da energia nuclear.

Faleceu em 1960 no Rio de Janeiro.

Saiba mais.

  • G. F. Leal Ferreira. Ha 50 Anos: O Efeito Costa Ribeiro. Revista Brasileira de Ensino de Fsica, vol. 22, no. 3, Setembro, 2000. Disponível aqui.
  • Arquivos históricos em História da Ciência. CLE-Unicamp. Acervo Joaquim da Costa Ribeiro. Disponível aqui.
  • Arquivos históricos em História da Ciência. CLE-Unicamp. Depoimentos orais. Entrevista com Jayme Tiommo e Elisa Frota Pessoa. Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, 18 de maio de 1988. Disponível aqui.

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