Artigo em destaque. Origamis nanométricos: deformação organizada de materiais bidimensionais.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Crystal-oriented wrinkles with origami-type junctions in few-layer hexagonal boron nitride. Oliveira, Camilla K.; Gomes, Egleidson F. A.; Prado, Mariana C.; Alencar, Thonimar V.; Nascimento, Regiane; Malard, Leandro M.; Batista, Ronaldo J. C.; de Oliveira, Alan B.; Chacham, Helio; de Paula, Ana M.; Neves, Bernardo R. A. Nano Research. 2015, 8(5): 1680–1688. DOI: 10.1007/s12274-014-0665-y.

Origamis nanométricos: deformação organizada de materiais bidimensionais.

Camilla Oliveira operando o microscópio de força atômica na UFMG.

Camilla Oliveira estava na Universidade Federal de Minas Gerais (UFGM) estudando amostras de nitreto de boro hexagonal (h-NB) com um microscópio de força atômica (AFM), no marco de seu doutorado em Física, quando uma particularidade das amostras controle chamou a atenção dela e de seu orientador, o professor Bernardo Neves. Após passar por um tratamento térmico (annealing), o h-NB tinha ganhado dobras nanométricas dispostas num padrão geométrico que parecia seguir algum tipo de organização.

Os pesquisadores decidiram estudar essas dobras mais detalhadamente. Eles tinham uma pergunta importante para responder: existia alguma relação entre a disposição das dobras e a estrutura cristalina do h-NB?. Em outras palavras, tinham essas dobras uma orientação cristalográfica? Até o momento, não havia registros na literatura científica de materiais bidimensionais com dobras com orientação cristalográfica, mas essa propriedade poderia ser útil.

Rede cristalina do h-NB, bidimensional (1 átomo de altura).

Camilla e seu orientador se uniram a outros cientistas da UFMG e da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) para realizar a pesquisa. A equipe fabricou amostras formadas por algumas camadas de h-NB ancoradas sobre um substrato de silício e as submeteu a um tratamento térmico consistente em aquecimento a 1.000 °C e posterior resfriamento. Durante esse tipo de processo, o silício e o nitreto de boro apresentam comportamentos opostos entre si com relação à deformação. Em decorrência do aquecimento, enquanto o h-NB se contrai, o silício se expande, esticando o h-NB. Já no resfriamento, o h-NB expande e o silício contrai, dobrando o nitreto de boro como papel de origami.

Depois de muito trabalho experimental usando diversas técnicas e abordagens, e de várias simulações, os cientistas puderam confirmar que as dobras formavam-se em direções bem definidas dentro da rede cristalina. Analisando em detalhe o padrão de dobras, os cientistas repararam nas junções de formato triangular nas quais as dobras (geralmente três delas) se uniam.

Imagens de AFM de: um floco de h-NB de 10 nm de espessura após o tratamento térmico apresentando um padrão de dobras com orientação cristalográfica (esquerda); detalhe de uma típica junção (direita). A altura média das dobras é de 10 nm.

Detalhe: segundo comprovaram os cientistas de Minas Gerais, para que sejam formados padrões de dobras com orientação cristalográfica, o tratamento térmico deve consistir em um aquecimento rápido seguido de um esfriamento lento (por exemplo, citando as taxas usadas na pesquisa, de 50 °C por minuto para aquecer e 8 °C por minuto para resfriar). Taxas de esfriamento mais rápidas produzem dobras dispostas de maneira desordenada e sem orientação cristalográfica.

Os pesquisadores também concluíram que esse tipo de deformação organizada poderia acontecer não apenas com o h-NB, mas também com outros materiais bidimensionais, como o grafeno, e que poderia ter interessantes aplicações na “straintrônica” (straintronics) – área do conhecimento que estuda e explora a condição de alguns materiais de ter algumas de suas propriedades profundamente alteradas em consequência de processos de deformação.

Os resultados do trabalho foram recentemente publicados pelo prestigiado periódico científico Nano Research.

“Na minha opinião, a principal contribuição do artigo é mostrar uma propriedade que pode ser comum a muitos materiais bidimensionais: a deformação organizada, isto é, em direções cristalográficas bem definidas, de um material na escala nanométrica”, resume o professor Neves, que é o autor correspondente do artigo.

A pesquisa contou com financiamento da Capes, CNPq, Fapemig e do INCT-Nanocarbono.

Gente da nossa comunidade: entrevista com o pesquisador Helio Chacham.


Durante sua infância e adolescência em Belo Horizonte, nas décadas de 1960 e 1970, não faltaram estímulos para que começasse a crescer em Helio Chacham a semente de cientista.  Na fase dos estudos universitários, após iniciar o curso de Engenharia Elétrica, Chacham acabou optando pela Física. E foi nessa área que realizou, na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), sua graduação, mestrado e doutorado.

Pouco depois de finalizar o doutorado, ingressou na UFMG como professor adjunto e, em seguida, partiu para os Estados Unidos para fazer um estágio de pós-doutorado de cerca de dois anos na Universidade de Califórnia em Berkeley. De volta a Minas Gerais, coordenou o programa de pós-graduação em Física da UFMG, entre 1995 e 1997. De 1999 a 2000 retornou aos Estados Unidos para realizar um segundo estágio de pós-doutorado, na Universidade de Texas em Austin. Em 2004, tornou-se professor titular da UFMG.

Ao longo de 30 anos de atividade científica, o professor Chacham tem estudado diversos materiais a partir da investigação teórica, baseada no uso intensivo de cálculos computacionais, embora em numerosas oportunidades ele tenha trabalhado em colaboração com grupos de pesquisa experimental. No início de sua carreira, Chacham fez aportes importantes ao estudo das propriedades de materiais sob ultra-alta pressão. Desde meados da década de 1990, o pesquisador tem se dedicado, junto a seu grupo e colaboradores, a prever, verificar e explicar fenômenos que ocorrem em nanomateriais e materiais bidimensionais, realizando, também nesse tema, contribuições significativas.

Atualmente com 55 anos, Helio Chacham é bolsista de produtividade do CNPq de nível 1 A. É autor de cerca de 100 artigos publicados em periódicos internacionais de revisão por pares, os quais contam com mais de 1.800 citações. Chacham é subcoordenador do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) de Nanomateriais de Carbono. Em dezembro de 2014, foi eleito membro titular da Academia Brasileira de Ciências (ABC).

Segue uma entrevista com o cientista.

Boletim da SBPMat: – Como se despertou seu interesse pela ciência? O que o levou a se tornar um cientista e a trabalhar em Física da Matéria Condensada?

Helio Chacham: – Minha infância se passou nas décadas de 60 e 70, quando havia um grande interesse por ciência e tecnologia – em parte devido à corrida espacial e a ida à lua. Na infância e adolescência, sempre tive acesso a livros de divulgação científica – lembro-me do “O Universo” de Isaac Asimov – e também de ficção científica (vários também do Asimov). Nesta época também colecionei kits de experimentos de ciência que eram vendidos em bancas de jornal – eram ótimos kits com materiais e instruções para experimentos, incluindo também pequenos textos sobre os cientistas associados aos experimentos.  Nas escolas que frequentei a partir da 5ª série (Centro Pedagógico da UFMG e Colégio Técnico da UFMG) havia bons laboratórios e bons professores de ciência, que também me estimularam nesta direção.

Ao entrar na universidade (UFMG) iniciei como estudante de Engenharia Elétrica, mas após o primeiro ano verifiquei que meu interesse maior era nas áreas e Física e Computação. Mudei para o curso de Física e fiquei por algum tempo como estudante de iniciação em Ciência da Computação. Passei na seleção ao mestrado em ambos – Física e Computação – e acabei optando pelo primeiro. A partir daí, dediquei-me à pesquisa em Física da matéria condensada, talvez por estar de alguma forma relacionada aos meus interesses anteriores (engenharia e computação).

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

Helio Chacham: – Nos anos 90 dediquei-me principalmente à investigação teórica de propriedades de materiais sob ultra-alta pressão. Estas propriedades são relevantes, por um lado, sob o ponto de vista acadêmico, porque permitem investigar condições similares às de interiores planetários. Por outro, estas propriedades determinam limites de dureza de materiais, como o diamante. Minhas maiores contribuições nesta área foram a determinação da pressão acima da qual o hidrogênio se torna um metal – o que ocorre no interior de Júpiter – e a determinação teórica de uma das medidas de dureza do diamante, o ideal shear strength.

A partir de meados dos anos 90 iniciei uma linha de pesquisa em nanomateriais. Esta tem sido uma das áreas de pesquisa mais ativas em materiais, desde a descoberta dos fulerenos e nanotubos de carbono. Minhas primeiras contribuições na área, em colaboração com estudantes, foram a previsão de morfologias de fulerenos de nitreto de boro e a previsão da transformação das propriedades eletrônicas de nanotubo de carbono – de isolante para metálico – quando submetidos a compressão. Este último fenômeno só foi comprovado experimentalmente vários anos depois, em um trabalho em colaboração com experimentais em meu próprio departamento – o departamento de Física da UFMG. Estas colaborações teórico/experimental tiveram uma profícua continuidade até os dias de hoje, o que nos tem permitido prever, verificar e explicar diversos novos fenômenos em nanotubos de carbono, grafeno e materiais bidimensionais, fenômenos estes tais como: a compressibilidade dinâmica negativa em grafeno; a cristalização de rugas em nitreto de boro; e a exfoliação do talco até o limite de única camada, de maneira semelhante à do grafeno, e a determinação das propriedades deste novo material bidimensional.

Durante todos estes projetos sempre me preocupei em formar mestres e doutores, cujas teses versaram em propriedades eletrônicas e estruturais de nanotubos, fulerenos, DNA, nanopartículas, nanofios, grafeno, e outros materiais bidimensionais. Estes ex-estudantes são agora professores e pesquisadores tanto na UFMG como em outras universidades, e tem realizado diversos projetos, principalmente na área de nanomateriais.

Boletim da SBPMat: – No ano passado você foi eleito membro titular da Academia Brasileira de Ciências (ABC). Comente o que significa para você essa distinção e como você vê seu papel dentro da ABC.

Helio Chacham: Agradeço profundamente o apoio de meus colegas da Academia na eleição. Tomarei posse em maio, e poderei a partir de então procurar formas de contribuição à ABC, seja pela participação em comissões ou em projetos específicos da Academia, como a colaboração com Academias de Ciências de outros países, em uma das quais já participei (Brasil/Índia) antes de ingressar como membro. Como já venho prestado serviços à comunidade, seja por exemplo como membro de comitê assessor do CNPq ou coordenando projetos em nanomateriais, creio que minha eleição me permitirá continuar a contribuir para a comunidade de pesquisadores em diversas formas.

Boletim da SBPMat: –  Deixe uma mensagem para nossos leitores que estão iniciando suas carreiras de cientistas.

Helio Chacham: – Baseando-me em minha experiência profissional até o momento, eu talvez possa dar algumas sugestões – que podem ser úteis ou não dependendo da personalidade de cada um, é claro:

a)      Trabalhe naquilo que realmente o entusiasme – a carreira de pesquisador é uma das poucas que lhe permitem isto.

b)      Procure áreas de pesquisa em que há muitos problemas a serem resolvidos, ou novos materiais sendo produzidos, e que estejam consistentes com o ítem (a) acima. Para isto, é importante estar sempre em dia com a literatura científica da área.

c)       Domine as metodologias que usa tão profundamente quanto possível. Isto lhe permitirá atacar problemas difíceis e relevantes.

d)      Esteja disposto a sempre estudar e aprender novas metodologias – isto lhe dará a flexibilidade e a habilidade de procurar novos problemas e áreas de pesquisa, assim como colaborar com pesquisadores que utilizam outras metodologias. A ciência evolui continuamente, e sempre.

Artigo em destaque: Engenharia precisa na fabricação de válvulas de spin.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:

T. E. P. Bueno, D. E. Parreiras, G. F. M. Gomes, S. Michea, R. L. Rodríguez-Suárez, M. S. Araújo Filho, W. A. A. Macedo, K. Krambrock and R. Paniago. Noncollinear ferromagnetic easy axes in Py/Ru/FeCo/IrMn spin valves induced by oblique deposition. Appl. Phys. Lett. 104, 242404 (2014). DOI: 10.1063/1.4883886.

Artigo de divulgação:

Engenharia precisa na fabricação de válvulas de spin.

A produção e caracterização de válvulas de spin é o tema de um trabalho de colaboração entre pesquisadores do Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG),  do Laboratório de Física Aplicada do Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN) e da Pontifícia Universidade Católica do Chile, cujos resultados foram recentemente publicados no prestigiado periódico Applied Physics Letters (APL).

Válvulas de spin são dispositivos formados por três ou mais camadas de espessura nanométrica compondo um sanduíche de materiais magnéticos e não magnéticos. Sensores constituídos por tais estruturas cumprem papel fundamental na leitura das informações gravadas nos discos rígidos, entre outras aplicações.

O funcionamento das válvulas de spin se baseia num efeito chamado “magnetorresistência gigante”, que foi o motivo do Prêmio Nobel de Física de 2007. A magnetorresistência gigante nas válvulas de spin consiste numa grande alteração da resistência elétrica frente à ação de um campo magnético. Essa resistência depende da orientação relativa entre as magnetizações das camadas compostas por material magnético.

A magnetização de um material magnético é determinada pela orientação dos spins de seus elétrons. Os elétrons possuem duas características intrínsecas: carga elétrica e momento magnético, esta última conhecida como spin. Explorar o grau de liberdade do spin do elétron em adição à sua carga levou ao surgimento de um novo campo de pesquisa, denominado spintrônica.

Então, na magnetorresistência gigante das válvulas de spin, quando as camadas de material magnético têm a mesma direção e sentido de magnetização, o dispositivo diminui sua resistência elétrica e se torna um melhor condutor da eletricidade. Já quando as camadas magnéticas adquirem sentidos opostos de magnetização, acontece um significativo aumento da resistência elétrica.

Para compreender melhor esse efeito e, mais adiante, os resultados apresentados no artigo da APL, é importante lembrar que a magnetização é uma grandeza física vetorial e que, portanto, além de possuir uma intensidade (chamada módulo), ela tem uma direção (paralela, perpendicular) e um sentido (indicado pela ponta da seta que representa o vetor). Geralmente, multicamadas metálicas compostas por materiais magnéticos separados por uma camada não magnética, como as válvulas de spin, têm as magnetizações das camadas ferromagnéticas acopladas, explica Thiago Bueno, primeiro autor do artigo da APL e aluno do Doutorado em Física da UFMG, orientado pelo professor Roberto Magalhães Paniago. Esse acoplamento pode resultar em magnetizações paralelas (chamadas “colineares”) com mesmo sentido ou com sentidos opostos, e também em magnetizações não colineares, como mostra esta figura:

Camadas ferromagnéticas “sanduichando” uma camada não magnética de rutênio. As setas vermelhas e verdes representam a direção e o sentido da magnetização das camadas compostas por Py e FeCo, respectivamente. (a) Magnetizações paralelas e com mesmo sentido; (b) Magnetizações paralelas com sentidos opostos; (c) Magnetizações perpendiculares entre si.

Entretanto, magnetizar as camadas magnéticas da válvula de spin não ocorre de forma homogênea em todas as direções; elas apresentam a chamada anisotropia magnética. “A anisotropia magnética é uma importante propriedade magnética, pois estabelece a direção fácil de magnetização”, destaca Thiago Bueno. “Esta propriedade é determinada por uma série de fatores, dentre eles os tipos de materiais, a espessura das camadas, e os detalhes do método de fabricação de amostras”.

No trabalho que originou o artigo da APL, a equipe de cientistas realizou alguns ajustes no método de fabricação das válvulas de spin, conseguindo interessantes resultados nas propriedades desses dispositivos.

Controlando a direção da magnetização

“Este trabalho só foi possível devido à ótima colaboração entre as partes, da preparação de amostras de ótima qualidade, medidas experimentais precisas, interpretação dos dados, até a publicação dos resultados”, destaca Thiago Bueno.

Inicialmente, no Laboratório de Física Aplicada do CDTN, localizado em Belo Horizonte (MG), a equipe fabricou filmes finos compostos por multicamadas com espessura de algumas dezenas de nanometros. Os filmes foram obtidos por meio da técnica conhecida como magnetron sputtering, na qual íons de argônio são acelerados contra os alvos que contêm os materiais a ser depositados, arrancando seus átomos. Com o auxílio dos magnetrons, esses átomos são depositados sobre um substrato, formando as camadas dos filmes. “Por meio dessa técnica é possível obter filmes com composição química, espessura e morfologia estrutural bem determinada”, explica Thiago Bueno.

Esquema de deposição oblíqua com 5 fontes de sputtering (magnetrons) fazendo um ângulo de 72o entre elas. O ângulo (β) entre a direção de deposição e a normal do filme é estimado em 38o para todas as fontes.

Neste estudo, os cientistas montaram um esquema de deposição oblíqua ao dispor os magnetrons do equipamento fazendo um ângulo de 72entre eles e inclinados com relação à amostra, conforme mostra a imagem à direita.Usando esse esquema de deposição oblíqua, os cientistas fabricaram válvulas de spin com camadas ferromagnéticas de até 10nm de espessura, compostas pelas ligas metálicas permalloy(Py) e FeCo, e separadas por uma camada não magnética de rutênio (Ru) de espessura entre 1 nm e 3,5 nm. Os dispositivos foram caracterizados no Departamento de Física da UFMG usando ressonância ferromagnética (FMR), uma técnica extremamente sensível que fornece relevantes informações sobre a magnetização dos materiais.

Após a interpretação dos resultados experimentais, da qual participaram pesquisadores da Pontifícia Universidade Católica do Chile, os cientistas concluíram que a deposição oblíqua induziu direções de magnetização não paralelas (não colineares) nas camadas ferromagnéticas das válvulas de spin fabricadas.  “O ângulo entre os eixos fáceis, aproximadamente igual ao ângulo entre os magnetrons, fora determinado pela geometria de fabricação”, reforça o autor Bueno. “Uma das principais contribuições do nosso trabalho é a demonstração de que é possível se fabricar válvulas de spin onde os eixos de fácil magnetização das camadas ferromagnéticas (Py e FeCo) são não colineares”, resume.

De acordo com o doutorando, que foi o idealizador do projeto, ao iniciar o trabalho os autores já conheciam os efeitos da deposição oblíqua em bicamadas ferromagnética/antiferromagnética. Com este estudo, a equipe deu um passo além e investigou esses efeitos em uma estrutura mais complexa, a válvula de spin.

“Acreditamos que nosso trabalho impulsionará outros pesquisadores a fabricar esses dispositivos buscando novas configurações magnéticas entre as camadas da válvula de spin, além das tradicionalmente usadas”, completa Bueno.