Gente da comunidade: entrevista com o cientista Adalberto Fazzio, diretor do LNNano.


Prof. Adalberto Fazzio
Prof. Adalberto Fazzio

Desde abril deste ano, o Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) é dirigido pelo cientista Adalberto Fazzio, 66 anos, natural de Sorocaba.

Há mais de quatro décadas dedicado a estudar materiais por meio de ferramentas computacionais, Adalberto Fazzio foi pioneiro no Brasil no uso de cálculos ab initio, hoje amplamente utilizados no estudo de propriedades dos materiais, e fez significativas contribuições à compreensão de metais de transição, sistemas amorfos, filmes finos de ouro (Au) e prata (Ag), nanoestruturas de carbono, silício e isolantes topológicos, entre outros materiais. Para isso, Fazzio tem contado com seu grupo de pesquisa no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP), conhecido como SAMPA (acrônimo de “Simulações Aplicadas a Materiais: Propriedades Atomísticas”), e com vários colaboradores do Brasil e do exterior, tanto teóricos quanto experimentais.

Formado em Física na graduação e pós-graduação, Adalberto Fazzio cursou o bacharelado (1970-1972) e o mestrado (1973-1975) na Universidade de Brasília (UnB) e o doutorado (1975-1978) na USP.

Fazzio tornou-se professor do Instituto de Física da USP em 1979, pouco depois de terminar o doutorado. Em 1985 obteve o título de livre-docente dessa universidade e, em 1991, o cargo de professor titular. Em maio de 2015, aposentou-se da USP.  Foi pesquisador visitante no National Renewable Energy Laboratory (Estados Unidos) de 1983 a 1984 e no Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (Alemanha) de 1989 a 1990. Também foi professor visitante sênior na Universidade Federal do ABC (UFABC) em 2016.

Ao longo de sua trajetória, Fazzio ocupou diversos cargos de gestão. Citando apenas alguns deles, foi presidente da Sociedade Brasileira de Física (SBF) de 2003 a 2007; reitor pro tempore da UFABC de 2008 a 2010; coordenador geral de micro e nanotecnologias da Secretaria de Desenvolvimento Tecnológico e Inovação do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) em 2011; secretário adjunto na Secretaria de Desenvolvimento Tecnológico e Inovação do MCTI de 2011 a 2013, e diretor do Instituto de Física da USP de 2014 a 2015.

Entre outras distinções, recebeu a comenda da Ordem Nacional do Mérito Científico em 2006 e, em 2010, foi promovido à classe de Grã-Cruz. Além disso, foi eleito fellow da TWAS (The World Academy of Sciences) em 2013. É membro de diversas sociedades científicas, como a Academia Brasileira de Ciências e a Academia de Ciências do Estado de São Paulo no Brasil, e a American Physical Society, American Chemical Society e Materials Research Society nos Estados Unidos.

Bolsista de produtividade 1 A do CNPq, Fazzio é autor de mais de 270 artigos publicados em periódicos científicos indexados. Sua produção científica conta com cerca de 8000 citações, de acordo com o Google Scholar. Orientou aproximadamente 40 trabalhos de mestrado e doutorado.

Segue uma entrevista com o cientista.

Boletim da SBPMat: –  Conte-nos o que o levou a se tornar um cientista e, em particular, a atuar na área de Física da Matéria Condensada.

Adalberto Fazzio: – Quando terminei meu curso de Física na Universidade de Brasília, em 1972, conheci o professor José David Mangueira Vianna, que havia chegado da Suíça com muitos projetos sobre Física Molecular. Na época falávamos de Química Quântica. Apresentou um projeto de mestrado que era um melhoramento nos modelos semi-empíricos baseado no método de Hartree-Fock. Devido à baixa capacidade computacional existente naquele tempo, esses métodos originários da aproximação ZDO (Zero Differential Overlap) eram os mais utilizados para desvendar as propriedades eletrônicas de moléculas. Após meu mestrado, fui ao Instituto de Física da USP no grupo dos professores Guimarães Ferreira e José Roberto Leite (meu orientador de doutorado), mudando das moléculas para os sólidos e do Hartree-Fock para o DFT (Density Functional Theory). Nesse momento virei um Físico de Matéria Condensada em um Departamento de Física dos Materiais criado pelo prof. Mário Schemberg. Minha tese foi sobre impurezas profundas em semicondutores (deep levels). É importante observar que estávamos em 1976 e a questão era como tratar um cristal que perdeu a sua simetria translacional. Enfim, desenvolvi um modelo, ”Modelo de Cluster Molecular para Impurezas em Semicondutores Covalentes”.

Boletim da SBPMat: –  Quais são, na sua própria avaliação, as suas principais contribuições à área de Materiais? Gostaríamos de pedir que você vá além da enumeração de resultados e descreva brevemente as contribuições que considera de mais impacto ou mais destacadas. Ao refletir sobre sua resposta, sugerimos que considere todos os aspectos da atividade científica. Fique à vontade para compartilhar referências de artigos e livros, se pertinente.

Adalberto Fazzio: – Sempre que pensamos nas principais contribuições em uma determinada área, olhamos para os artigos mais citados, que nem sempre coincidem com os artigos que os autores esperariam que fossem os mais citados. Mas vou tentar fazer uma breve descrição de alguns temas nos quais acho que dei uma contribuição que se destacou. No estudo de defeitos e impurezas em semicondutores, destaco o estudo de metais de transição (MT) em semicondutores. Na época – até 1984 -, havia uma riqueza de dados experimentais referente à posição dos níveis de impurezas no gap e às excitações óticas de toda linha dos MT-3d. E os cálculos teóricos baseados em uma teoria de campo médio não explicavam esses dados. Quando estava em meu pós-doc no NREL (National Renewable Energy Laboratory) em 1983/84, desenvolvemos um modelo para a descrição dos dados experimentais. Era um modelo que acoplava a teoria de campo cristalino com DFT, que descrevia efeitos de multipletos oriundos das impurezas de MT. Foram vários artigos publicados aplicando este modelo. No Phys. Rev. B 30, 3430 (84) o modelo é apresentado em detalhes. Esse trabalho foi em colaboração com os pesquisadores Alex Zunger e Marilia Caldas. E esses resultados levaram a uma letter no Appl. Phys. Lett. (1984) que seria de grande interesse para os físicos experimentais, cujo título foi “A Universal trend in the binding energies of deep impurities in semiconductors”. Uma grande mudança nesta área ocorre no final da década de 80, com os cálculos de “Large Unit Cell”, método DFT e pseudo potenciais. Hoje chamamos simplesmente de “métodos ab initio” ou “parameters free”. Acompanhando esse desenvolvimento, na época, eu estava no Instituto Max Planck, em Berlim, trabalhando com Matthias Scheffler. Com meus alunos de doutoramento (T. Schmidt e P. Venezuela), fomos pioneiros no Brasil no uso desse tipo de metodologia, até hoje amplamente utilizada. Depois desses trabalhos, comecei a trabalhar com sistemas amorfos. Como podíamos trabalhar agora com sistemas contendo uma célula unitária de muitos átomos, decidimos acoplar os cáculos ab initio utilizando estruturas geradas por simulações de Monte Carlo. Destaco dois trabalhos: um em a-SiN (PRB, 58, 8323 (1998)) e a-Ge:N (PRL 77, 546 (96)).

Já no final da década de 90, no LNLS, o professor Daniel Ugarte executava belos experimentos com HTEM, onde observava em filmes finos de Au e  Ag a formação de cadeias lineares de átomos. Nosso grupo na USP, em cooperação com Edison Zacarias da UNICAMP, iniciou estudos para entender a formação das cadeias lineares de átomos de Au. Algumas das perguntas eram como essas cadeias se rompem e como poderíamos explicar as grandes distâncias que apareciam entre os átomos. Foi um momento muito rico, essa interação experimento-teoria. Vários trabalhos foram publicados, um bastante citado “How do gold nanowire break?” (PRL 87, 196803 (2001)). Esse trabalho foi capa do PRL e destaque pelo editor da Science. E, posteriormente, mostramos como o oxigênio atua para prender os átomos de Au nos fios (PRL 96, 01604 (2006)) e quais são os efeitos da temperatura e os efeitos quânticos na ruptura e estabilidade dos fios, importantes aspectos para entender as observações experimentais (PRL 100, 0561049 (2008)).

No mesmo período, no nosso grupo na USP, focamos o estudo de nanoestruturas de carbono, silício, etc. Embora tínhamos fortes ferramentas para a descrição das propriedades eletrônicas, magnéticas, ópticas e mecânicas, para o entendimento dos materiais faltavam as propriedades de transporte eletrônico. Nesse contexto, desenvolvemos um código computacional baseado na teoria de Landauer-Büttiker. Esse código envolveu vários alunos de doutorado, e é conhecido como TRANSAMPA. E, na minha opinião, vários trabalhos importantes foram feitos para melhor entender o comportamento das propriedades de transporte eletrônico. Para exemplificar, fomos pioneiros em descrever o transporte em fitas de grafeno dopadas (PRL 98,196803 (2007)). Aqui também vale a pena destacar a colaboração com o prof. Alexandre Reilly do IFT (Instituto de Física Teórica da UNESP), que na época era pós-doc, para um melhoramento muito importante nesse código, que permitiu tratar materiais com as dimensões realísticas utilizadas nos experimentos. Em 2008, em um trabalho intitulado ”Designing Real Nanotube-based Gas Sensor” (PRL 100, 176803), mostramos como os nanotubos podem funcionar como sensores de tamanhos realísticos, com defeitos. Usando cálculos de primeiros princípios, podíamos ter sistemas de dimensões micrométricas ao nosso alcance.

Atualmente, minha pesquisa está mais voltada para a busca de dispositivos formados por materiais 2D cuja interface é construída por interações prioritariamente van der Waals. Por exemplo, recentemente, como o grafeno, foi isolado um novo material 2D a partir da exfoliação do black-fosforo chamado fosforeno. Estudamos a interface grafeno/fosforeno (PRL 114, 066803(20015)), mostrando como é possível construir um dispositivo.

Outra classe de materiais que venho trabalhando são os badalados isolantes topológicos. Um Isolante Topológico (TI) é um material que apresenta estados sem gap de energia “nas bordas” e cujo “bulk” é isolante! Estes estados são topologicamente protegidos e robustos contra perturbações. No caso de materiais bidimensionais (2D), são conhecidos como isolantes que apresentam Quantum Spin Hall (QSH). O espalhamento em estados da borda é protegido por simetria de reversão temporal (TR), levando a um transporte eletrônico sem dissipação de energia. Juntamente com o grupo da UFU, em 2011, mostramos como as impurezas magnéticas em isolantes topológicos têm sua textura de spin modificada (PRB 84, 245418 (2011)). Recentemente, em colaboração com o grupo do prof. Zhang do Rensseler Polytecnic Institute, apresentamos um modelo geral para a descrição da interface topologico/trivial. No caso, mostramos, como exemplo, a interface do Bi2Se3/GaAs. Havia réplicas do cone de Dirac que surgiam da interação na interface incluindo estados do semiconductor (Nature Comm. 6, 7630(2015)). O fosforeno é um material 2D que tem propriedades semicondutoras. Em cooperação com o grupo do prof. Alez Zunger, da University of Colorado, estudamos esse material sob ação de um campo elétrico e mostramos que para três ou quatro camadas de fosforeno, sob a ação do campo, este apresenta uma transição topológica (NanoLett. 15, 1222 (2015)).

Finalmente, gostaria de salientar uma atividade que estou iniciando, que é a utilização de técnicas de Machine-Learning para propriedades de materiais. Em particular, tenho focado os isolantes topológicos. Enfim, como disse no início, ao mencionar os trabalhos de maior impacto certamente deixei muitos de fora.

Quanto a contribuições de outros tipos, construí junto com José Roque um grupo muito produtivo no IF-USP, conhecido como SAMPA (Simulação Aplicada a Materiais – Propriedades Atomísticas) onde formamos inúmeros doutores e mestres, e com vários pós-docs. Posso dizer que tudo isso foi possível graças principalmente ao apoio da Fapesp, via projetos temáticos. Fui chefe do departamento de Física dos Materiais, Diretor do IFUSP e Reitor pro tempore da Universidade Federal do ABC. Do ponto de vista de gestão, gostaria de destacar minha passagem pelo Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação, onde fui sub-Secretário da Setec (Secretaria de Inovação Tecnológica) e da SCUP (Secretaria das Unidades de Pesquisa). E me orgulho de ter coordenado a criação da Iniciativa Brasileira de Nanotecnologia, onde um dos braços é o sistema SISNANO – um conjunto de laboratórios dedicados a pesquisa e desenvolvimento tecnológicos.

Também escrevi dois livros que vêm sendo adotados: “Introdução à Teoria de Grupos: aplicada em moléculas e sólidos”, em conjunto com Kazunori Watari e “Teoria Quântica de Moléculas e Sólidos”, em conjunto com José David Vianna e Sylvio Canuto.

Boletim da SBPMat: –  Você acaba de assumir a direção do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano). Compartilhe com a comunidade de Materiais seus planos para o LNNano. Como você enxerga o cenário da pesquisa em nanociência e nanotecnologia no Brasil frente aos mais recentes cortes orçamentários?

Adalberto Fazzio: – Assumi a direção do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), um dos quatro Laboratórios Nacionais do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), há duas semanas. Esse é um laboratório de reconhecida excelência, dedicado à produção de conhecimento em nanotecnologia, passando da ciência básica à inovação tecnológica.

Fiquei muito contente e espero poder dar continuidade aos trabalhos dos pesquisadores que estiveram à frente do LNNano e que me antecederam, como Daniel Ugarte, Fernando Galembeck e Marcelo Knobel. Esse é o laboratório que mantém um contrato de gestão com o MCTIC integralmente dedicado à nanotecnologia.  Este tem como uma das suas missões o atendimento aos usuários externos através de equipamentos abertos. Como exemplo, o parque de microscopia eletrônica e de sondas é certamente o mais equipado da América Latina. O LNNano é o principal executor das políticas governamentais na área. Temos uma intensa atividade de pesquisas orientadas por missão in-house, com trabalhos de impacto. Atualmente estamos fazendo pequenas reestruturações para melhor atender os usuários externos e fortalecer as pesquisas em andamento.

A plataforma nanotecnológica tem angariado recursos consideráveis em todos países desenvolvidos do mundo. Por exemplo, o governo americano tem colocado anualmente algo da ordem de US$ 1.8 Bi. Infelizmente, no Brasil, temos tido dificuldades mesmo para dar continuidade a programas bem mais modestos. Entretanto, a comunidade tem respondido com muita competência com o desenvolvimento de produtos nanotecnológicos. Hoje, por exemplo, ancoradas no sistema SISNANO, temos cerca de 200 empresas buscando inovação na área de Nano; e, em particular, a atuação do LNNano tem sido de destaque.

O que não podemos é todo ano nos depararmos com cortes orçamentários em ciência e tecnologia. Estamos vivendo um momento muito delicado em nossa economia, com baixo crescimento, mas é imperioso preservar as conquistas obtidas nas últimas décadas no campo da ciência e tecnologia. Os programas na área de pesquisa e desenvolvimento tecnológico devem ser preservados. Pois, quando a crise passar, o país deve estar preparado para continuar crescendo. E, portanto, é fundamental continuar gerando novos conhecimentos, buscando a inovação tecnológica e formando recursos humanos qualificados. Ou seja, a desaceleração da economia não deve ser acompanhada com cortes no investimento em pesquisa e desenvolvimentos tecnológicos.

Boletim da SBPMat: –  Deixe uma mensagem para os leitores que estão iniciando suas carreiras científicas.

Adalberto Fazzio: – O que temos de mais rico em nosso país é o capital humano. O Brasil tem uma população grande de jovens que muitas vezes ficam no meio do caminho, em suas carreiras científicas e tecnológicas, por não vislumbrarem no horizonte um reconhecimento e um respeito a uma atividade fundamental, que é a busca pelo conhecimento. Aqueles que buscam a carreira científica devem ser perseverantes e bastante dedicados aos estudos.

Artigo em destaque: Nanofitas isolantes com regiões condutoras.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Topologically Protected Metallic States Induced by a One-Dimensional Extended Defect in the Bulk of a 2D Topological Insulator. Erika N. Lima, Tome M. Schmidt, and Ricardo W. Nunes. Nano Lett., 2016, 16 (7), pp 4025–4031. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00521

Nanofitas isolantes com regiões condutoras

Uma pesquisa realizada no Brasil faz uma relevante contribuição ao estudo dos isolantes topológicos, classe de materiais cuja existência foi prevista teoricamente em 2005 e confirmada experimentalmente em 2007. O estudo foi reportado em um artigo recentemente publicado na Nano Letters (fator de impacto 2015: 13,779).

Os isolantes topológicos possuem a interessante propriedade de se comportarem como isolantes em seu interior e como condutores em sua superfície ou borda. Conforme detalha Ricardo Wagner Nunes, professor da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e autor correspondente do artigo, “isolantes não-topológicos também podem ter superfícies condutoras, mas no caso dos isolantes topológicos é possível identificar que a condução de carga e spin na superfície é muito robusta, por ser “protegida” pela simetria de reversão temporal”.

No artigo da Nano Letters, o professor Nunes e seus colaboradores, Erika Lima, da Universidade Federal do Mato Grosso (UFMT) – campus Rondonópolis, e Tome Schmidt, da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), reportaram seu trabalho sobre um isolante topológico bidimensional, uma nanofita de bismuto formada por apenas duas camadas de átomos de bismuto, sobrepostas e ligadas, de um átomo de espessura cada uma. Usando métodos computacionais, os cientistas mostraram que o interior da nanofita de bismuto, em vez de ser totalmente isolante, pode ter estados condutores (também chamados de estados metálicos) gerados a partir de um determinado tipo de irregularidade na rede de átomos do material, conhecido como defeito estendido 558.

Representação da nanofita de bismuto bicamada com o defeito 558, vista de cima (esquerda) e de lado (direta). As bolinhas verdes representam os átomos da camada superior do material e as azuis, os átomos da camada inferior. No centro da figura da esquerda, nota-se facilmente o defeito: pentágonos e um octógono interrompem a repetição de hexágonos.
Representação da nanofita de bismuto bicamada com o defeito 558, vista de cima (esquerda) e de lado (direta). As bolinhas verdes representam os átomos da camada superior do material e as azuis, os átomos da camada inferior. No centro da figura da esquerda, nota-se facilmente o defeito: pentágonos e um octógono interrompem a repetição de hexágonos.

“Em nosso trabalho, mostramos que um defeito linear no interior de um isolante topológico bidimensional pode gerar estados quânticos eletrônicos unidimensionais que conduzem carga e spin no interior do material”, precisam os autores.

Os autores chegaram aos resultados que sustentam essa conclusão por meio de cálculos feitos em supercomputadores, simulando o que aconteceria com os estados quânticos dos elétrons no material com a presença de defeitos. “Utilizamos cálculos de primeiros princípios dentro da Teoria do Funcional da Densidade”, detalham os autores. Para se ter uma ideia, a simulação computacional de defeitos em nanoestruturas de bismuto, relatam os autores, demandou um custo computacional de aproximadamente 400 horas em supercomputadores localizados no Departamento de Física da UFMG e no Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho em São Paulo (Cenapad), na UNICAMP.

A figura mostra a curva de dispersão dos estados topológicos metálicos, localizados no defeito 558, marcados em azul e vermelho.
A figura mostra a curva de dispersão dos estados topológicos metálicos, localizados no defeito 558, marcados em azul e vermelho.

No artigo, os autores também propõem a existência do pentaoctite, um novo isolante topológico bidimensional. Esse material, que ainda não foi sintetizado, seria uma bicamada de bismuto, com uma rede cristalina formada por átomos dispostos em pentágonos e octógonos. “Em nossos cálculos mostramos que essa nova “fase” do bismuto bidimensional tem baixa energia de formação, o que abre a possibilidade de ser sintetizada em laboratório”, afirmam os autores.

De acordo com os autores, o trabalho reportado na Nano Lettters suscita diversas questões do âmbito da pesquisa fundamental, como a influência de impurezas magnéticas e não-magnéticas sobre o transporte de carga e de spin nos estados topológicos propostos, e a conexão entre as simetrias da rede e a natureza dos estados topológicos de borda no pentaoctite. “Sob um ponto de vista aplicado, seria interessante se nosso trabalho viesse a motivar estudos experimentais sobre isolantes topológicos bidimensionais baseados em bismuto e outros materiais, que possibilitassem uma colaboração teórico-experimental nesse tema”, comentam os autores, deixando um convite aberto aos grupos de pesquisa experimental.

A história do trabalho de pesquisa

“O trabalho se originou de um casamento de meus interesses em defeitos topológicos estendidos em materiais bidimensionais e tridimensionais, com a experiência do professor Tome Mauro Schmidt (UFU) e da Erika Lima, que foi sua orientanda de doutorado no tema de isolantes topológicos”, relata Nunes.

Em 2012, Nunes e outros colaboradores tinham publicado um artigo na Nano Letters sobre estados magnéticos (não topológicos) gerados por defeitos estendidos lineares em uma monocamada de grafeno. Posteriormente, em conversas com Schmidt, foi definida uma colaboração visando investigar se um defeito estendido com a mesma morfologia levaria à formação dos estados topológicos em um isolante topológico bidimensional de bismuto.

Em seu pós-doutorado no grupo do professor Nunes, realizado em 2015, Erika Lima fez todos os cálculos computacionais. A interpretação dos resultados e a redação do artigo foram realizados pelos três pesquisadores, que são os autores do artigo.

A pesquisa que gerou o artigo contou com financiamento da CAPES, CNPq, FAPEMIG e do INCT de Nanomateriais de Carbono.

autores
Montagem de fotos dos autores do artigo. Começando pela esquerda do leitor, Erika Lima, atualmente professora da UFMT, Tome Schmidt, professor da UFU, e Ricardo Nunes, professor da UFMG.