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Artigo em destaque: Rumo ao diamante bidimensional.

Posted on terça-feira 31 de outubro de 2017

O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Raman evidence for pressure-induced formation of diamondene. Luiz Gustavo Pimenta Martins, Matheus J. S. Matos, Alexandre R. Paschoal, Paulo T. C. Freire, Nadia F. Andrade, Acrísio L. Aguiar, Jing Kong, Bernardo R. A. Neves, Alan B. de Oliveira, Mário S.C. Mazzoni, Antonio G. Souza Filho, Luiz Gustavo Cançado. Nature Communications 8, Article number: 96 (2017). DOI:10.1038/s41467-017-00149-8. Disponível em: https://www.nature.com/articles/s41467-017-00149-8

Rumo ao diamante bidimensional

Materiais bidimensionais, aqueles cuja espessura vai de um átomo até alguns poucos nanometros, possuem propriedades únicas ligadas à sua dimensionalidade e são protagonistas do desenvolvimento da nanotecnologia e da nanoengenharia.

Uma equipe de cientistas de cinco instituições brasileiras e uma estadunidense deu um passo importante no desenvolvimento, ainda incipiente, da versão bidimensional do diamante. Esse trabalho sobre diamante 2D foi reportado em artigo publicado na Nature Communications (fator de impacto 12,124) com acesso aberto.

“Nosso trabalho apresentou uma evidência espectroscópica da formação de um diamante bidimensional, ao qual demos o nome de diamondeno”, destaca Luiz Gustavo de Oliveira Lopes Cançado, professor da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e autor correspondente do paper. Ao escolher o nome do novo material, os cientistas seguiram a tradição de usar o sufixo “eno” para materiais bidimensionais, como ocorreu com o grafeno, versão 2D do grafite.

box ptAliás, foi a partir da compressão de folhas de grafeno que o diamondeno foi obtido pela equipe liderada pelo professor Cançado. Inicialmente, o time depositou duas camadas de grafeno uma em cima da outra e transferiu a bicamada de grafeno para um substrato de Teflon, escolhido por ser quimicamente inerte, impedindo a formação de ligações com o grafeno.

A amostra de grafeno bicamada sobre Teflon foi então submetida a altas pressões e simultaneamente analisada por espectroscopia Raman no Laboratório de Espectroscopia Vibracional e Altas Pressões do Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará (UFC). O sistema experimental utilizado foi uma célula de bigornas (anvil em inglês) de diamante com espectrômetro Raman acoplado. Esse equipamento permite aplicar altas pressões a pequenas amostras que se encontram imersas em um meio transmissor da pressão (neste caso, água). A pressão é aplicada através de duas peças de diamante (material escolhido por ser um dos mais duros e resistentes à compressão), as quais comprimem o meio transmissor, que repassa a pressão para a amostra. Ao mesmo tempo, o espectrômetro permite monitorar as mudanças que ocorrem na estrutura do material da amostra frente às diversas pressões aplicadas. “Na espectroscopia Raman, a luz se comporta como uma sonda que mede estados vibracionais do material”, explica Cançado. Como resultado da sondagem, o espectrômetro gera gráficos (espectros), por meio dos quais é possível identificar a estrutura do material que está sendo estudado.

Analisando os espectros, a equipe de cientistas observou mudanças no material bidimensional que indicaram a transição de uma estrutura de grafeno para uma estrutura de diamante. Os pesquisadores puderam concluir que o diamondeno foi obtido a uma pressão de 7 gigapascals (GPa), valor dezenas de milhares de vezes superior ao da pressão atmosférica. “A evidência que apresentamos nesse trabalho é uma assinatura no espectro vibracional obtido a partir de um material de carbono bidimensional que indica a presença de ligações do tipo sp3, típicas da estrutura do diamante”, precisa o professor Cançado.

Para explicar a formação do diamondeno, a equipe acudiu a cálculos de primeiros princípios seguindo a Teoria do Funcional da Densidade e simulações de Dinâmica Molecular. “Foram esses resultados teóricos que guiaram os experimentos e permitiram o entendimento dos resultados experimentais”, diz Cançado.

Esquema do mecanismo de formação do diamondeno a partir de duas camadas de grafeno submetidas a altas pressões (setas azuis) em água como meio transmissor de pressão. As bolas de cor cinza representam os átomos de carbono; as vermelhas, os átomos de oxigênio e as azuis, os átomos de hidrogênio.
Esquema do mecanismo de formação do diamondeno a partir de duas camadas de grafeno submetidas a altas pressões (setas azuis) em água como meio transmissor de pressão. As bolas de cor cinza representam os átomos de carbono; as vermelhas, os átomos de oxigênio, e as azuis, os átomos de hidrogênio.

De acordo com os resultados teóricos, quando o sistema de grafeno bicamada sobre substrato inerte com água como meio transmissor de pressão é submetido a altas pressões, as distâncias entre os elementos do sistema diminuem e ocorrem novas ligações entre eles. “Ao se aplicar esse nível de pressão sobre o grafeno, o mesmo pode ter suas ligações modificadas, passando da configuração sp2 para a configuração sp3”, explica o professor Cançado. Os átomos de carbono da camada superior de grafeno passam então a estabelecer ligações covalentes com quatro átomos vizinhos: os átomos da camada inferior e os grupos químicos oferecidos pela água (OH– e H). Estes últimos são fundamentais para estabilizar a estrutura. Na camada inferior, em contato com o substrato inerte, a metade dos átomos de carbono fica ligada a apenas três átomos vizinhos. “As ligações pendentes dão origem a abertura de gap na estrutura eletrônica, e também a bandas de spin polarizado”, acrescenta Cançado.

Essa característica faz do diamondeno um material promissor para o desenvolvimento da spintrônica (vertente emergente da eletrônica na nanoescala que se baseia no aproveitamento do spin). De acordo com Cançado, o diamondeno também poderia ser utilizado em computação quântica, sistemas micro-eletromecânicos (MEMS), supercondutividade, eletrodos para tecnologias relacionadas à eletroquímica, substratos para engenharia de DNA e biossensores –  aplicações nas quais filmes finos de diamante já provaram ter bom desempenho.

Entretanto, ainda há um longo caminho a percorrer até demonstrar as aplicações do diamondeno. Em primeiro lugar, porque o diamondeno apresentado no artigo se desmancha em condições normais de pressão. Para superar essa limitação, o grupo do professor Cançado na UFMG está montando um sistema experimental que permitirá aplicar pressões muito maiores às amostras, da ordem dos 50 GPa, e analisa-las por espectroscopia Raman. “Com isso pretendemos produzir amostras estáveis de diamondeno, que permaneçam sob essa forma mesmo depois de ter a pressão reduzida ao nível de pressão ambiente”, conta Cançado.

Além disso, como a espectroscopia Raman fornece evidências indiretas da estrutura do material, seria necessário realizar medidas diretas do diamondeno para se conhecer em detalhe sua estrutura. “As técnicas mais promissoras neste caso seriam a difração de raios X em fontes de luz sincrotron ou a difração de elétrons”, sugere Cançado. “O fator complicador nesse experimento é a necessidade de se ter a amostra submetida a altas pressões”, completa.

História do diamondeno é brasileira

A ideia da formação do diamante 2D surgiu na pesquisa de doutorado de Ana Paula Barboza, realizada com orientação do professor Bernardo Ruegger Almeida Neves e defendida em 2012 no Departamento de Física da UFMG. Nesse trabalho, conta Cançado, foram utilizadas pontas de microscopia de força atômica (AFM) para se aplicar altas pressões sobre grafenos de uma, duas e várias camadas. Evidências indiretas da formação de um diamante bidimensional foram obtidas por meio de microscopia de força elétrica (EFM). O trabalho mostrou a importância da presença de duas camadas de grafeno e de água para a formação da estrutura bidimensional de tipo sp3. Os principais resultados da pesquisa foram reportados no artigo Room-temperature compression induced diamondization of few-layer graphene [Advanced Materials 23, 3014-3017 (2011)].

Autores principais do artigo. À esquerda, Luiz Gustavo Pimenta Martins (mestre pela UFMG e doutorando no MIT). À direita, o professor Luiz Gustavo Cançado (UFMG).
Autores principais do artigo. À esquerda, Luiz Gustavo Pimenta Martins (mestre pela UFMG e doutorando no MIT). À direita, o professor Luiz Gustavo Cançado (UFMG).

“A ideia de se medir o espectro Raman dos grafenos em condições de altas pressões (utilizando células de diamante tipo anvil) veio posteriormente, após o Luiz Gustavo Pimenta Martins, estudante de iniciação científica à época, ter desenvolvido um método bastante eficaz de transferência de grafenos para diferentes substratos”, relata o professor Cançado. Esse desenvolvimento foi realizado em uma visita que o estudante fez ao laboratório da professora Jing Kong, no Massachusetts Institute of Technology (MIT), após ter ganhado uma bolsa de estudos para mobilidade internacional do Prêmio Fórmula Santander. Durante seu mestrado no Departamento de Física da UFMG, realizado com orientação do professor Cançado e defendido em 2015, Pimenta Martins fez um extenso e sistemático trabalho de obtenção de espectros Raman de grafenos submetidos a altas pressões. “Foram muitas visitas à UFC e muito estudo até entendermos os mecanismos de formação do diamondeno”, conta Cançado.

A pesquisa reportada no paper da Nature Communications foi possível graças ao trabalho colaborativo de diversos grupos de pesquisa brasileiros com reconhecida expertise em diversos assuntos, além da participação da pesquisadora do MIT na preparação de amostras. Os cientistas dos departamentos de Física da UFMG e UFC aportaram sua reconhecida competência em espectroscopia Raman aplicada a nanomateriais de carbono e, no caso da UFC, em experimentos realizado sob altas pressões. Também participaram desses experimentos pesquisadores do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará e da Universidade Federal do Piauí (UFPI). Além disso, físicos teóricos da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) e da UFMG realizaram os cálculos e simulações computacionais.

A pesquisa teve financiamento do CNPq, FAPEMIG, FUNCAP, Programa Fórmula Santander e UFOP.

Gente da comunidade: entrevista com Rodrigo Fernando Bianchi.

Posted on quinta-feira 31 de março de 2016
Rodrigo Fernando Bianchi.

No mês em que o programa University Chapters (UCs) da SBPMat completa 2 anos de existência, entrevistamos seu coordenador, o professor da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) Rodrigo Fernando Bianchi, diretor científico da SBPMat.

Curioso desde criança por compreender os fenômenos da natureza, Rodrigo Bianchi escolheu a Física como área de sua graduação, a qual cursou entre 1992 e 1995 na sua cidade nata, no Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP). As oportunidades de pesquisa que foram surgindo o encaminharam para realizar mestrado e doutorado na área de Materiais, também no IFSC-USP, com orientação do professor Roberto Mendonça Faria. Defendeu o mestrado em 1997. No ano 2000, no meio do doutorado, passou seis meses nos Estados Unidos, na Universidade de Carolina do Norte em Chapel Hill, fazendo estágio de pesquisa (conhecido como “sanduíche de doutorado”). Em 2002, obteve o diploma de doutor pelo IFSC-USP.

Desde a época dos estudos de graduação, Bianchi complementava suas atividades acadêmicas com monitorias na USP, até que se tornou docente da instituição, do departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos, em 2004. Em 2006, tornou-se professor do Departamento de Física da UFOP. No mesmo ano, fundou o Laboratório de Polímeros e Propriedades Eletrônicas de Materiais (LAPPEM). De 2011 a 2013, foi pesquisador visitante do departamento de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação da Universidade da California em Berkeley, EUA. Entre 2013 e 2014, desempenhou-se como coordenador do Núcleo de Inovação Tecnológica e Empreendedorismo da UFOP.

Desde a criação do LAPPEM, trabalhos de pesquisa e desenvolvimento realizados pelo grupo de pesquisa e colaboradores do laboratório vêm gerando artigos científicos, patentes e empreendimentos, e recebendo distinções em nível nacional. Por exemplo, em 2008, o grupo recebeu o 3º Prêmio Werner von Siemens de Inovação Tecnológica na modalidade “Saúde” e o Prêmio de Incentivo em Ciência e Tecnologia para o SUS, do Ministério da Saúde, pelo desenvolvimento dos neostickers. Criados para serem usados na fototerapia com luz azul com a qual se trata a icterícia neonatal, os neostickers são sensores baseados em material orgânico luminescente que indicam o ponto ótimo de acumulação de radiação azul para o tratamento.

Outro entre vários reconhecimentos ocorreu no início deste ano, quando um empreendimento de membros do LAPPEM criado para levar ao mercado desenvolvimentos do laboratório foi classificado no quarto lugar entre 1.500 startups do Brasil no ranking “100 Open Startups”. Neste caso, o produto destacado foi um adesivo, também baseado em material orgânico luminescente, que permite monitorar o nível de radiação ultravioleta (UV) solar que a pele humana absorve.

Atualmente, e desde 2014, Rodrigo Bianchi é diretor científico da SBPMat. Quando assumiu a diretoria, recebeu a atribuição de criar e liderar o programa University Chapters (UCs) da sociedade, que conta hoje com oito grupos participantes, sediados em universidades de cinco estados brasileiros. Bianchi também é pró-reitor de Planejamento e Desenvolvimento da UFOP e docente permanente dos programas de pós-graduação em Engenharia de Materiais e em Ciências: Física de Materiais.

Bolsista de produtividade do CNPq, nível 2, Bianchi é autor de 7 patentes depositadas e mais de 40 artigos publicados em periódicos indexados internacionais. O professor já orientou 19 dissertações de mestrado e 6 teses de doutorado.

Segue uma entrevista com o pesquisador.

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

Rodrigo Bianchi: – Sempre fui uma criança curiosa na compreensão dos fenômenos da natureza. Essa “curiosidade” tem me acompanhado em toda minha formação como cientista, desde os ciclos básicos e secundários, passando pela graduação em Física pelo Instituto de Física de São Carlos, USP, e pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, também pela USP, até as linhas de pesquisa que coordeno na UFOP, em dispositivos eletrônicos poliméricos aplicados à área de saúde. As oportunidades de pesquisa em polímeros que tive desde a graduação me levaram a atuar mais próximo da área aplicada. Consequentemente, da Física migrei para Ciência e Engenharia de Materiais, e hoje me considero um “físico – engenheiro de materiais” com linhas de pesquisa voltadas tanto ao estudo fundamental dos fenômenos de transporte de cargas em dispositivos eletrônicos orgânicos, como também à idealização de sensores aplicados a neonatologia, à área de alimentos e ao monitoramento e controle de radiação.

Boletim da SBPMat: –  Quais são, na sua própria avaliação, as suas principais contribuições à área de Materiais? Não deixe de comentar os casos em que você participou da transformação de conhecimento científico em produtos.

Rodrigo Bianchi: – Sem dúvida, na minha avaliação, a principal contribuição foi utilizar fenômenos que inviabilizavam o mercado dos dispositivos eletrônicos orgânicos, tais como os processos de fotodegradação, que levavam à baixa durabilidade e fraco desempenho de diodos emissores de luz orgânicos (OLEDS), para desenvolver sensores inovadores. Algo como conhecer os princípios de funcionamento e de limitação de dispositivos que ainda estavam em fase de maturação para criar novos sensores com aplicações distintas. Um exemplo dessa estratégia foi o uso da alteração de cor dos OLEDs, gerada pela exposição de oxigênio e luz, que inviabilizava muitas das aplicações comerciais desses sistemas, para desenvolver sensores colorimétricos de radiação na forma de nanofibras, filmes e géis. Ou seja, desenvolver sensores em escala 1, 2 e 3D para uso em diferentes áreas da saúde: do controle da fototerapia para icterícia neonatal ao monitoramento de radiação UV para banhistas e trabalhadores civis e rurais, até o monitoramento dos processos de cobaltoterapia, radioterapia e radiação de alimentos. Assim, estimulados por essas pesquisas, parcerias e orientações, atualmente há, além do nosso grupo na UFOP, outros grupos de pesquisa trabalhando na área, no Brasil e no exterior. Além disso, hoje nosso grupo é composto por físicos, químicos, engenheiros de alimentos, farmacêuticos e diversos estudantes e profissionais focados no desenvolvimento de pesquisas multidisciplinares na área de eletrônica orgânica. O grupo já gerou dezenas de artigos, patentes e orientações, cujo foco sempre foi a compreensão de fenômenos fundamentais para o desenvolvimento de dispositivos orgânicos inovadores. Por essa característica, membros da nossa equipe já foram contemplados com prêmios de inovação importantes, como, por exemplo, os do Ministério da Saúde, da Empresa Siemens e do Governo do Estado de Minas Gerais.

Do ponto de vista tecnológico, a startup As31 criada pelos estudantes para comercializar esses produtos foi classificada recentemente em quarto lugar no ranking das 100 Open Startups brasileiras, e tem se reunido periodicamente com grandes empresas para estabelecer parcerias B2B (business-to-business) para lançar produtos no mercado. Essa foi a segunda startup criada por membros do nosso grupo de pesquisa. Como lição tiramos que as dificuldades encontradas para geração de produtos tecnológicos e inovadores são imensas. Logo, ter uma equipe bem formada e competente do ponto de vista científico e tecnológico é o primeiro passo para se lançar uma startup. Não obstante, ter a coragem de mudar e alterar o rumo da empresa é fundamental. Por exemplo, a As31 tem hoje duas etiquetas inteligentes como carro chefe de produtos: uma para indicar ao consumidor possíveis processos de contaminação de carne in natura, causada por variações de temperatura em prateleira, e outra, por sua vez, para indicar quando os banhistas, sobretudo crianças, devem reaplicar o filtro solar. Ou seja, duas aplicações que surgiram da observação dos problemas dos OLEDs há mais de dez anos e que hoje são atualíssimas.

Boletim da SBPMat: – O programa University Chapters (UCs) da SBPMat, que você coordena desde o início, comemora dois anos de existência neste mês. Compartilhe conosco sua avaliação pessoal dos resultados conseguidos até o momento e conte-nos quais são seus planos para o programa daqui para frente.

Rodrigo Bianchi: – Sobre o programa UC da SBPMat, digo que foi um enorme prazer participar dessa criação e empreitada. Estabelecer uma rotina de trabalho e de envolvimento de estudantes que serão o futuro da área de Materiais no país não é um desafio simples e fácil. Ao contrário, hoje temos grupos de Materiais espalhados e concentrados em todas as regiões do país, de norte a sul, de leste a oeste. Logo, unir esses estudantes numa causa única e, consequentemente, propiciar a eles seu valor na sociedade é de grande importância. Como fazer isso? Nossa estratégia foi estimular os estudantes a formarem seus grupos, e para isso foram inúmeras palestras e divulgações dos UCs por todo o país. Uma vez criada o programa UC, o mais importante foi estimular os estudantes a organizarem um simpósio no encontro anual da SBPMat, no qual os estudantes passassem a ter o papel de protagonistas na sociedade, envolvendo-se tanto na escolha da programação, como também na organização do evento. Uma inovação, pois desconheço outra entidade de Materiais que tenha propiciado tal oportunidade até este momento. Isso aconteceu no Rio de Janeiro em 2015 e foi evidente o sucesso da ação e do envolvimento dos estudantes. Foram palestras científicas de altíssimo nível envolvendo não apenas temas de Materiais e de ciência, mas também ética e escrita científica, por exemplo. Ou seja, temas de interesse direto dos estudantes que serão o futuro da área de Materiais do país. Para o próximo encontro, em Campinas, os estudantes já se organizaram para coordenar novamente este simpósio. Como futuro? A resposta é estimular a formação de novos grupos, a interação entre os estudantes e consolidar a participação de todos na SBPMat.

Boletim da SBPMat: – Sempre convidamos os entrevistados desta seção do boletim a deixarem uma mensagem para os leitores que estão iniciando suas carreiras científicas. Gostaria de falar algo em particular para esses futuros cientistas/ cientistas juniores?

Rodrigo Bianchi: – Como mensagem final aos leitores, sobretudo aos mais jovens: “a área de Materiais é riquíssima e nos dá a oportunidade de interagir com profissionais e temas das mais diversas áreas do conhecimento. Portanto, usufrua dessa importante característica. Junte-se a pessoas competentes e motivadoras, e tenham a coragem de inovar e trazer suas ideias ao mercado. O Brasil precisa disso e você pode fazer a diferença!”