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.

Boletim SBPMat – edição 25 – setembro 2014 – especial XIII Encontro da SBPMat.


Edição nº 25 – Setembro de 2014

Especial XIII Encontro da SBPMat – João Pessoa, 28 de setembro a 2 de outubro

Saudações, .

Últimos preparativos para o encontro de João Pessoa!

– Veja a mensagem dos coordenadores do evento, que neste ano conta com 2.141 trabalhos aceitos e cerca de 2.000 inscrições de 28 países até o momento. Na mensagem, os professores Ieda Garcia e Severino de Lima apontam os destaques da programação do encontro deste ano! Aqui.

– Depois do almoço a antes das plenárias da tarde, você poderá assistir em João Pessoa às palestras técnicas de patrocinadores do encontro: a Shimadzu falará sobre MEV com feixe de íons e detector TOF SIMS, e a FEI abordará DualBeam TEM. Saiba mais.
João Pessoa, a “porta do sol”. Saiba mais sobre a cidade, uma das mais antigas do Brasil, e suas atrações naturais e culturais. E prepare-se para mergulhar em águas verdes a 28° C! Leia sobre João Pessoa.
– O que levar na mala? Acompanhe a previsão do tempo, cujas temperaturas devem ficar entre os 22° C e os 30° C. Mas atenção, a organização adverte que, no Centro de Convenções, o ar condicionado deixará o ambiente friozinho… Link para clima em João Pessoa.
Inscrições para participar do evento: aqui.
– Panorama geral da programação: aqui.
– Busca de horários e locais das apresentações dos simpósios: aqui.

–  Algumas opções de hospedagem, locação de carros, transporte desde aeroportos da região, transporte hotéis-centro de convenções e passeios: veja na página inicial do site do evento. Aqui.

– E a festa? Neste ano, será realizada na noite da quarta-feira no Espaço da Caixa Econômica Federal no Cabo Branco. Os ingressos poderão ser comprados na secretaria a partir da segunda-feira às 13h00.

Entrevistas com plenaristas (em português)

Entrevistamos Robert Chang, professor do primeiro departamento de Ciência de Materiais do mundo, na Northwestern University. Além de possuir uma notória carreira como pesquisador (seu índice H é de 56), “Bob” tem se dedicado, nos últimos 20 anos, a conduzir o desenvolvimento do programa Materials World Modules, que desenvolve material educativo de caráter interativo e lúdico (por exemplo, jogos de cartas) sobre Materiais e Nanotecnologia para estudantes do Ensino Básico e seus professores. Na sua palestra plenária no XIII Encontro da SBPMat, o professor Chang tentará mobilizar cidadãos do mundo a solucionar problemas globais, juntos. Veja nossa entrevista com o cientista.

Também falamos com o professor Colin Humphreys, professor da University of Cambridge.  Entre outras honrarias, o cientista recebeu da Rainha de Inglaterra o título de “Sir”, por seus serviços prestados à ciência. Além de ser autor de mais de 600 publicações, o professor desenvolveu materiais para a indústria que hoje voam em motores de aviões e criou LEDs de baixo custo baseados em nitreto de gálio, material no qual é especialista. Em João Pessoa, mostrará, entre outras questões, como o nitreto de gálio poderia reduzir o consumo de eletricidade do mundo em 25%. Veja nossa entrevista com Colin Humphreys.
Entrevistamos o físico alemão Karl Leo, especialista em semicondutores orgânicos. Além de ser autor de mais de 550 papers com mais de 23.000 citações e de 50 famílias de patentes, o cientista já participou da criação de 8 empresas spinoff. Na sua palestra plenária no XIII Encontro da SBPMat, Karl Leo falará sobre dispositivos orgânicos de alta eficiência, como OLEDs e células solares. Veja nossa entrevista com Karl Leo.
Também falamos com o físico português Luís António Ferreira Martins Dias Carlos, da Universidade de Aveiro, que dará uma palestra plenária em nosso encontro de João Pessoa sobre luminescência aplicada à nanomedicina. Na entrevista, o professor compartilhou conosco seus trabalhos mais destacados na área de Materiais. Ele também nos falou sobre alguns desafios da área de luminescência para aplicações médicas, tanto no diagnóstico por imagens quanto no mapeamento da temperatura intracelular, e citou exemplos de aplicações de materiais luminescentes que estão no mercado e já são utilizadas no diagnóstico e tratamentos de diversas doenças. Veja nossa entrevista com Luís Dias Carlos.
Conversamos com o cientista francês Jean-Marie Dubois, especialista em quasicristais (estruturas ordenadas mas não periódicas de materiais sólidos) e pioneiro no patenteamento de aplicações dos quasicristais. Ele nos contou um pouco quais são suas principais contribuições à área de Materiais e adiantou o tema da sua plenária, na qual falará sobre essa ordem não periódica que está presente em ligas metálicas, polímeros, óxidos e nanoestruturas artificiais e que gera propriedades sem precedentes. Na foto, Jean-Marie Dubois (esquerda) e Dan Shechtman, quem recebeu um Prêmio Nobel em 2011 pelos quasicristais, usando gravatas iguais, decoradas com um mosaico de Penrose – um exemplo típico de aperiodicidade. Veja nossa entrevista com Jean-Marie Dubois.
Também entrevistamos o químico italiano Roberto Dovesi, um dos criadores de CRYSTAL, ferramenta computacional para cálculos quânticos ab initio usados no estudo de diversas propriedades de materiais sólidos. O código CRYSTAL hoje é utilizado em mais de 350 laboratórios no mundo. Na sua palestra plenária, Dovesi tentará demonstrar que, atualmente, simulações quânticas podem ser ferramentas muito úteis para complementar os experimentos. Veja nossa entrevista com Roberto Dovesi.
Entrevistamos o professor Alberto Salleo, da Universidade de Stanford, que falará no XIII Encontro da SBPMat sobre dispositivos eletrônicos orgânicos. Jovem, porém dono de uma carreira que já se destaca internacionalmente, Salleo nos contou sobre os trabalhos de seu grupo, que tem se aprofundado no estudo do papel exercido pelas imperfeições no transporte de cargas em semicondutores orgânicos. Ele também compartilhou conosco seus papers mais destacados, publicados na Nature Materials. Finalmente, Salleo falou sobre os próximos desafios e aplicações da eletrônica orgânica e adiantou o que pretende abordar na sua plenária, que promete ser informativa e amena para um amplo público. Veja nossa entrevista com Alberto Salleo.
Nosso perfil no TwitterNossa página no Facebook
Para divulgar novidades, oportunidades, eventos ou dicas de leitura da área de Materiais, escreva para comunicacao@sbpmat.org.br.
Descadastre-se caso não queira receber mais e-mails.