Sócio da SBPMat é distinguido com título de Professor Honoris Causa da UFC.


Prof. Oswaldo Luiz Alves
Prof. Oswaldo Luiz Alves

O professor Oswaldo Luiz Alves (IQ – UNICAMP), sócio da SBPMat, foi agraciado com o título de Professor Honoris Causa da Universidade Federal do Ceará (UFC). O título lhe foi outorgado pelo Conselho Universitário da instituição no dia 17 de dezembro de 2018. Além de ser professor titular da UNICAMP, Alves é docente colaborador do Programa de Pós-Graduação em Física da UFC há mais de 30 anos.

Em outubro de 2018, o professor Alves recebeu mais uma importante distinção, a admissão na Ordem Nacional do Mérito Científico na classe Grã-Cruz.

Artigo em destaque: Pontos quânticos com regras únicas.


O artigo científico com participação (liderança) de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Evidence of Band-Edge Hole Levels Inversion in Spherical CuInS2 Quantum Dots. Gabriel Nagamine, Henrique B. Nunciaroni, Hunter McDaniel, Alexander L. Efros, Carlos H. de Brito Cruz, and Lazaro A. Padilha. Nano Lett., 2018, 18 (10), pp 6353–6359. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02707.

Pontos quânticos com regras únicas

glossarioUm trabalho liderado por pesquisadores da Unicamp revelou surpreendentes novidades sobre as regras que determinam os níveis de energia dos elétrons em pontos quânticos de dissulfeto de cobre e índio (CuInS2), os quais se destacam na família dos pontos quânticos por serem atóxicos. O trabalho foi recentemente reportado no periódico científico Nano Letters (fator de impacto 12,08).

Os resultados do estudo, confirmados por métodos experimentais e teóricos, mostraram uma situação na estrutura de bandas de energia que nunca antes tinha sido observada em outros materiais.

Diagrama simplicado da estrutura de bandas de um semiconductor. https://en.wikipedia.org/wiki/Valence_and_conduction_bands#/media/File:Semiconductor_band_structure_(lots_of_bands_2).svg
Diagrama simplicado da estrutura de bandas de um semiconductor. Link da fonte.

A estrutura de bandas é um modelo científico bem estabelecido que mostra quais estados ou níveis de energia os elétrons podem ocupar em um determinado material. Esses estados de energia são representados em forma de bandas permitidas (aquelas que os elétrons podem atingir) e bandas proibidas (aquelas em que os elétrons não podem ser encontrados).

Em semicondutores, as bandas de energia que são permitidas para um elétron e que determinam as propriedades de um material são a banda de valência e a de condução. Ambas estão separadas por uma banda proibida (band gap). Para que elétrons “pulem” da banda de valência à de condução, transpondo a banda proibida num processo denominado transição, é necessário que recebam energia extra, o que pode ocorrer quando o material absorve fótons. Ao perderem energia, esses elétrons podem voltar a ocupar seus lugares na banda de condução, e a energia excedente pode ser emitida em forma de fótons (luz). Essa emissão de luz decorrente da absorção de fótons é conhecida como fotoluminescência.

Foto dos estudantes Gabriel Nagamine (na frente) e Henrique Nunciaroni, os dois primeiros autores do paper, trabalhando no laboratório.
Foto dos estudantes Gabriel Nagamine (na frente) e Henrique Nunciaroni, os dois primeiros autores do paper, trabalhando no laboratório.

Fazendo experimentos no Laboratório de Fenômenos Ultrarrápidos do Instituto de Física Gleb Wataghin (UNICAMP), os pesquisadores brasileiros descobriram que os pontos quânticos que estavam estudando não seguiam as mesmas regras de transição que os demais materiais e nanomateriais semicondutores. “De forma geral, em semicondutores, bulk ou nanoestruturados, os estados que formam o topo da banda de valência e o fundo da banda de condução são tais que uma transição entre esses estados, por absorção de um fóton, é permitida”, contextualiza Lázaro Aurélio Padilha Junior, professor da UNICAMP e autor correspondente do artigo. “O que mostramos foi que, no material estudado (pontos quânticos de CuInS2), essa transição é proibida por absorção de um fóton, sendo necessária a interação com dois fótons para que essa transição ocorra. Até onde sabemos, esse é o primeiro sistema semicondutor que apresenta essa inversão de estados”, conta Padilha.

A descoberta, além de mostrar que as normas que regem os estados dos elétrons em semicondutores não valem para todos os materiais, pode ter impacto nas aplicações dos pontos quânticos estudados. De acordo com Padilha, as condições descobertas favorecem a emissão simultânea de dois fótons no material quando os elétrons voltam à banda de condução. “Isso poderia ser atrativo para sistemas lasers que emitiriam luz em duas cores distintas ao mesmo tempo, e com ajuste de cor em uma larga faixa espectral”, diz o professor. Além disso, acrescenta Gabriel Nagamine, primeiro autor do artigo, entender a estrutura de bandas do material pode melhorar o desempenho de aplicações já existentes, como os concentradores solares luminescentes – uma tecnologia que podem ser utilizadas tanto para gerar energia elétrica a partir da luz solar quanto para aumentar a produção de alimentos em estufas. “Todas essas aplicações advêm das características únicas das bandas eletrônicas desses materiais”, diz Nagamine.

História de um resultado experimental teoricamente anunciado

A história desta descoberta remonta ao ano de 2015, quando o professor Padilha, que trabalha com pontos quânticos desde 2010, seu aluno de mestrado Gabriel Nagamine e outros membros do grupo de pesquisa decidiram investir esforços em estudar os pontos quânticos de CuInS2. “Esse material chamou nossa atenção por não possuir metal pesado em sua composição, o que o tornava interessante para aplicações em Biologia e Medicina, como, por exemplo, marcadores biológicos fluorescentes”, conta Padilha. De fato, os pontos quânticos, que foram descobertos na década de 1980 e já estão presentes em produtos como telas de TV, apresentam propriedades muito interessantes para serem usados na detecção de doenças e outras aplicações na área de saúde, mas quase todos eles são tóxicos devido a sua composição química.

Esta figura mostra o espectro de absorção de dois fótons (pontos amarelos) e o espectro de absorção de um fóton (línea azul) em pontos quânticos de CuInS2 esféricos. As setas indicam os picos de absorção de dois fótons (setas amarelas) e de um fóton (seta azul). No canto superior esquerdo, há uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão mostrando um dos pontos quânticos.
Espectro de absorção de dois fótons (pontos amarelos) e espectro de absorção de um fóton (línea azul) em pontos quânticos de CuInS2 esféricos. Setas: picos de absorção de dois fótons (setas amarelas) e de um fóton (seta azul). No canto superior esquerdo, imagem de MET mostrando um dos pontos quânticos.

A equipe da UNICAMP fez então uma colaboração com a empresa UbiQD, localizada em Los Álamos (Estados Unidos) e especializada na produção de pontos quânticos, pela qual a firma forneceu amostras de pontos quânticos esféricos e piramidais. A caracterização das amostras foi realizada parcialmente na empresa e também no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do CNPEM, na cidade de Campinas (SP, Brasil).

Inicialmente, Padilha e sua equipe se propuseram a investigar quão forte era a absorção de dois fótons no material escolhido, já que esse processo óptico permite fazer imagens tridimensionais de material, que podem ser muito úteis na sua caracterização e também em sua aplicação em diversas áreas. Para isso, no início de 2016, a equipe realizou os experimentos principais do trabalho no IFGW-UNICAMP usando uma técnica de espectroscopia que permite detectar emissão de luz proveniente da absorção de dois fótons. “As primeiras medidas revelaram um pico de absorção de dois fótons a energias menores que as da absorção linear – fato nunca antes observado experimentalmente”, conta Padilha. “Achamos que poderia ser algum problema em nossa fonte laser e repetimos o experimento, obtendo os mesmos resultados”, relata. Esses resultados, que são exibidos na figura ao lado, surgiram dos experimentos realizados com pontos quânticos esféricos. Já nas amostras de pontos quânticos com formato de pirâmide, a predominância da absorção de dois fótons não foi observada.

Em maio do mesmo ano, Padilha encontrou-se com o Dr. Alexander Efros, do National Research Laboratory (EUA) em uma conferência na Coréia do Sul. “Ele, que é um dos mais respeitados teóricos que trabalham com estrutura eletrônica de pontos quânticos semicondutores, mencionou que havia feito uns cálculos que previam uma inversão na paridade dos estados nesses nanomateriais. Imediatamente notamos que eu tinha provado a teoria dele”, relata o professor da UNICAMP. Os cientistas começaram então a trabalhar juntos e a tentar entender outros aspectos do problema, até submeter o artigo à Nano Letters. O paper foi aceito em menos de dois meses.

A pesquisa que originou o artigo faz parte da dissertação de mestrado de Gabriel Nagamine, defendida em 2017 pelo IFGW-UNICAMP, e recebeu apoio financeiro de agências brasileiras de apoio à pesquisa (a paulista FAPESP e a federal CNPq), do serviço de apoio ao estudante (SAE) da UNICAMP e do Office of Naval Research (Estados Unidos).

Cientista em destaque: entrevista com Fernando Galembeck, que proferirá a palestra memorial no XVII Encontro da SBPMat (reedição atualizada de entrevista de maio de 2015).


Fernando Galembeck.
Fernando Galembeck.

Em Fernando Galembeck, o interesse por pesquisa começou a se manifestar na adolescência, quando percebeu o valor econômico do conhecimento científico enquanto trabalhava na empresa do segmento farmacêutico do pai. Hoje, com 75 anos, Fernando Galembeck pode olhar para sua própria trajetória científica e contar muitas histórias de geração e aplicação de conhecimento.

Sócio fundador da SBPMat, Galembeck foi escolhido neste ano para proferir a Palestra Memorial Joaquim da Costa Ribeiro – distinção outorgada anualmente pela SBPMat a um pesquisador de trajetória destacada na área de Materiais. A honraria é também uma homenagem a Joaquim da Costa Ribeiro, pioneiro da pesquisa experimental em Materiais no Brasil. A palestra, intitulada “Materiais para um futuro melhor”, ocorrerá na abertura do XVII Encontro da SBPMat, no dia 16 de setembro deste ano, e abordará temas como necessidades, escassez e promessas na área de Materiais.

Galembeck gradou-se em Química em 1964 pela Universidade de São Paulo (USP). Após a graduação, permaneceu na USP trabalhando como instrutor (1965-1980) e, simultaneamente, fazendo o doutorado em Química (1965-1970), no qual desenvolveu uma pesquisa sobre dissociação de uma ligação metal-metal. Depois do doutorado, realizou estágios de pós-doutorado nos Estados Unidos, nas universidades do Colorado na cidade de Denver (1972-3) e da Califórnia na cidade de Davis (1974), trabalhando na área de Físico-Química de sistemas biológicos. Em 1976, de volta à USP, teve a oportunidade de criar um laboratório de coloides e superfícies no Instituto de Química, dentro de um acordo que envolveu o Instituto, a Unilever, a Academia Brasileira de Ciências e a Royal Society. A partir desse momento, Galembeck foi se envolvendo cada vez mais com o desenvolvimento de novos materiais, especialmente os poliméricos, e seus processos de fabricação.

Em 1980, ingressou como docente na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), onde se tornou professor titular em 1988, cargo no qual permaneceu até sua aposentadoria em 2011. Desde então, é professor colaborador da instituição. Na Unicamp, ocupou cargos de gestão, notadamente o de vice-reitor da universidade, além de diretor do Instituto de Química e coordenador do seu programa de pós-graduação. Em julho de 2011, assumiu a direção do recém-criado Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), no Centro Nacional de Pesquisas em Energia e Materiais (CNPEM), permanecendo no cargo até 2015.

Ao longo de sua carreira, exerceu funções de direção ou coordenação na Academia Brasileira de Ciências (ABC), Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCT), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), Sociedade Brasileira de Química (SBQ), Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência (SBPC) e Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise (SBMM), entre outras entidades.

Bolsista de produtividade de nível 1A no CNPq, Galembeck é autor de cerca de 279 artigos científicos publicados em periódicos com revisão por pares, os quais contam com mais de 3.700 citações, além de 35 patentes depositadas e mais de 20 livros e capítulos de livros. Orientou quase 80 trabalhos de mestrado e doutorado.

Fernando Galembeck recebeu numerosos prêmios e distinções, entre eles o Prêmio Anísio Teixeira, da CAPES, em 2011; o Telesio-Galilei Gold Metal 2011, da Telesio-Galilei Academy of Science (TGAS); o Prêmio Almirante Álvaro Alberto de Ciência e Tecnologia 2006, do CNPq e Fundação Conrado Wessel; o Troféu José Pelúcio Ferreira, da Finep, em 2006; a Grã-Cruz da Ordem Nacional do Mérito Científico, em 2000, e a Comenda Nacional do Mérito Científico, em 1995, ambos da Presidência da República. Também recebeu uma série de reconhecimentos de empresas e associações científicas e empresariais, como a CPFL, Petrobrás, Union Carbide do Brasil, Associação Brasileira dos Fabricantes de Tintas, Associação Brasileira da Indústria Química, Sindicato da Indústria de Produtos Químicos para fins Industriais do Estado do Rio de Janeiro, Associação Brasileira de Polímeros, Sociedade Brasileira de Química (que criou o Prêmio Fernando Galembeck de Inovação Tecnológica), Sindicato dos Engenheiros no Estado de São Paulo e da Electrostatic Society of America.

O cientista é fellow da TWAS (The World Academy of Sciences) desde 2010 e da Royal Society of Chemisty desde 2014.

Nesta entrevista, você poderá conhecer um pouco mais sobre este pesquisador brasileiro e o trabalho dele.

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

Fernando Galembeck: – Meu interesse pela atividade de pesquisa começou na minha adolescência quando eu percebi a importância do conhecimento novo, da descoberta. Eu percebi isso quando trabalhava, depois das aulas, no laboratório farmacêutico do meu pai e eu via a importância que tinham os produtos mais novos, os mais recentes. Eu via também como pesava economicamente para o laboratório o fato de depender de matérias-primas importadas que não eram fabricadas no Brasil, e que no país não havia competência para produzir. Aí percebi o valor do conhecimento novo, a importância que tinha e o significado econômico e estratégico das descobertas.

Isso se incrementou quando eu fiz o curso de Química. Eu fui fazer o curso de Química porque um professor meu no colégio, Hermann Nabholz, sugeriu que eu procurasse uma carreira ligada à pesquisa. Ele deve ter percebido alguma inclinação, alguma tendência minha. E eu fiz o curso de Química na Faculdade de Filosofia, num ambiente em que a atividade de pesquisa era muito forte. Por causa disso eu resolvi fazer o doutorado na USP. Naquela época não havia ainda cursos de pós-graduação regulares no Brasil. O orientador com quem eu defendi a tese, o professor Pawel Krumholz, era um pesquisador muito bom e também tinha se destacado trabalhando em empresa. Ele foi diretor industrial da Orquima, uma empresa muito importante na época. Isso aumentou meu interesse por pesquisa.

Trabalhei em Química por alguns anos. Meu interesse por Materiais veio de uma situação curiosa. Eu estava praticamente me formando, nas férias do meu último ano da graduação. Estava num apartamento, depois do almoço, descansando. Lembro-me de ter olhado as paredes do apartamento e percebido que, com tudo que eu tinha aprendido no curso de Química, eu não tinha muito a dizer sobre as coisas que eu enxergava: a tinta, os revestimentos etc. Aquilo era Química, mas também eram Materiais, e naquela época não havia no curso de Química muito interesse por materiais. De fato, materiais se tornaram muito importantes em Química por causa dos plásticos e borrachas, principalmente, que nessa época ainda não tinham a importância que têm hoje. Estou falando de 1964, quando a petroquímica era praticamente inexistente, no Brasil

Bem, aí comecei a trabalhar em Físico-Química, depois trabalhei um pouco numa área mais voltada à Bioquímica, a Físico-Química Biológica, e, em 1976, recebi uma tarefa do Departamento na USP, que era a de instalar um laboratório de coloides e superfícies. Um dos primeiros projetos foi de modificação de superfície de plásticos, no caso, o teflon. E aí eu percebi que uma grande parte da Química de coloides e superfícies existia por causa de Materiais, porque ela se prestava para criar e desenvolver novos materiais. A partir daí eu fui me envolvendo cada vez mais com materiais, principalmente com polímeros, um pouco menos, com cerâmicos e, menos ainda, com metais.

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

Fernando Galembeck: – Eu vou falar mais ou menos seguindo a história. Eu acho que o primeiro resultado importante na área de Materiais foi justamente uma técnica voltada à modificação de superfície de teflon, que é um material no qual é muito difícil alguma coisa grudar. Tanto que tem a expressão do “político teflon”, que é aquele em que nenhuma denúncia “gruda”. Só que, em determinadas situações, a gente quer conseguir adesão no teflon, para fazer algum equipamento. E por um caminho um pouco complicado, eu acabei percebendo que eu já sabia fazer uma modificação de teflon, mas que eu nunca tinha percebido que era importante. Eu conhecia o fenômeno; tinha observado ele durante meu trabalho de tese. Eu sabia que acontecia uma transformação do teflon. Mas foi quando estava visitando um laboratório da Unilever em 1976, conversando com um pesquisador, que eu percebi que havia gente se esforçando justamente para modificar a superfície do teflon e conseguir adesão. Aí, juntando o problema com a solução, logo que voltei ao Brasil tentei verificar se aquilo que eu tinha observado anteriormente realmente serviria, e deu certo. Isso deu origem à minha primeira publicação sozinho e a meu primeiro pedido de patente, numa época em que praticamente não se falava em patentes no Brasil, principalmente no ambiente universitário. Eu fiquei muito entusiasmado depois, quando fui procurado por empresas que tinham interesse em aproveitar aquilo que eu tinha feito; uma no próprio teflon, outra em outro polímero. Então eu me senti muito bem, porque tinha uma descoberta, tinha uma patente e tinha empresas que, pelo menos, queriam saber o que era para ver a possibilidade de utilizá-la. E mais uma coisa, logo depois da publicação do artigo eu recebi um convite para participar de um congresso nos Estados Unidos que abordava justamente a questão de modificação de superfícies. Superfícies de polímeros, de plásticos e borrachas passaram a ser um tema com o qual fiquei envolvido praticamente durante todo o resto da minha vida, até agora.

Eu vou mencionar um segundo fato, que até o momento não teve consequências do mesmo tipo. Eu descobri um método que permite fazer uma caracterização e uma separação de partículas muito pequenas. Foi um trabalho bastante interessante, que foi publicado, também gerou um depósito de patente, mas não teve uma consequência prática. Recentemente surgiram problemas ligados com nanopartículas, que é um assunto muito importante hoje em Materiais, e que representam uma possibilidade de aplicação daquilo que eu fiz há mais de 30 anos. O nome da técnica é osmossedimentação.

Em seguida veio um trabalho que fiz trabalhando em projetos junto com a Pirelli Cabos. Com essa história de superfícies e polímeros acho que eu tinha me tornado mais ou menos conhecido e fui procurado pela Pirelli, que me contratou como consultor em projetos que fiz na Unicamp. O resultado desses projetos que eu acho mais importante foi o desenvolvimento de um isolante para tensões elétricas muito altas. Esse não foi um trabalho só meu, mas sim de uma equipe bastante grande, da qual fiz parte. Tinha várias pessoas da Pirelli e várias na Unicamp. O resultado desse projeto foi que a Pirelli brasileira conseguiu ser contratada para fornecer os cabos de alta tensão do Eurotúnel, ainda nos anos 80. Eu acho que esse foi um caso bem importante que teve um produto e significou um resultado econômico importante. Aqui eu quero insistir que isso foi feito no Brasil, por uma equipe brasileira. A empresa não era brasileira, mas a equipe estava aqui.

Depois teve vários trabalhos feitos com nanopartículas, numa época em que a gente nem as chamava de nanopartículas; chamávamo-las de partículas finas ou simplesmente de partículas coloidais pequenas. O primeiro trabalho que eu publiquei sobre nanopartículas foi em 1978. Teve outras coisas feitas em seguida que, no fim, acabaram desaguando num trabalho sobre fosfato de alumínio, que deu origem a teses feitas no laboratório e publicações, e também foi licenciado por uma empresa do grupo Bunge, que explora, basicamente, fosfatos. O assunto começou em meu laboratório, ficou no laboratório por vários anos, depois uma empresa do grupo Bunge aqui no Brasil se interessou, passou a participar, nós colaboramos. Este se tornou um projeto bastante grande de desenvolvimento. A Bunge depois achou inviável tocar o projeto no Brasil e hoje está lá nos Estados Unidos. Eu acho uma pena que esteja lá, mas aí teve outras questões envolvidas, inclusive de desentendimento com a Unicamp, que é a titular das patentes. Recentemente, a empresa do grupo que trabalhava com esses fosfatos era a Amorphic Solutions, que oferecia o produto na Internet, para várias aplicações. Pelo que percebo, atualmente estão enfatizando o uso como material anticorrosivo para proteção de aço. Tenho informação recente de que a Bunge negociou os direitos sobre esses produtos com uma grande empresa do setor químico, mas não sei detalhes.

Mais ou menos na mesma época, num trabalho ligado também a nanopartículas, trabalhei no desenvolvimento de nanocompósitos de borracha natural com argilas. Isso foi licenciado por uma empresa brasileira chamada Orbys, que lançou um produto chamado Imbrik, que se mostrou vantajoso em rolos de borracha para fabricação de papel.

Outro caso de produto. Eu tinha feito um projeto com a Oxiteno, que fabrica matérias primas para látex, os tensoativos. Ela queria ter uma ideia de quanto se consegue mudar o látex mudando o tensoativo. Eu fiz um projeto com eles, que considero um dos mais interessantes daqueles em que estive envolvido. O resultado foi que percebemos que, mudando um pouco o tensoativo, nós mudávamos muito o látex. Esses látex são usados em tintas, adesivos, resinas. Então a gente via que tinham uma versatilidade enorme. Esse trabalho foi divulgado, foi publicado. Não deu patente porque foi um trabalho de entendimento. Entretanto, uma outra empresa, a Indústrias Químicas Taubaté (IQT) me procurou para fazer um látex catiônico, mas por um caminho novo. Látex catiônicos em geral são feitos com sais de amônio quaternários, os quais têm algumas restrições ambientais. A empresa queria uma alternativa que não tivesse essas restrições. No fim do projeto nós fizemos os látex catiônicos sem as restrições ambientais e a IQT colocou o produto no mercado.

Minha participação em um projeto da Marinha, de desenvolvimento de fibras de carbono, foi um grande desafio que me deu muita satisfação. Meu grupo participou sintetizando copolímeros de acrilonitrila, até a escala de dez litros. Os resultados foram transferidos para uma empresa que fez a produção em escala piloto, na antiga planta da Rhodia-Ster e Radicci, em São José dos Campos. O copolímero selecionado foi fiado e depois pirolisado, no Centro Tecnológico da Marinha, em São Paulo. Resultou uma fibra de carbono de alto desempenho, que foi usada na fabricação de centrífuga, usada em Aramar. O desafio era encontrar o copolímero que mostrasse bom desempenho nas etapas posteriores de produção da fibra, o que foi conseguido.

Teve outro caso, que também foi muito interessante, apesar de que acabou morrendo. Aqui no Brasil havia uma grande fabricante de polietileno tereftalato, o PET, que é usado para muitas coisas, inclusive para garrafas. Eles souberam do trabalho que eu tinha feito com nanocompósitos, aquele da Orbys que eu mencionei, e me procuraram querendo fazer nanocompósitos do PET. Nós tivemos que procurar escapar daquilo que já estava patenteado no exterior e conseguimos um caminho totalmente novo. A empresa chamava-se Rhodia-Ster, e foi vendida para uma outra empresa, italiana, chamada Mossi e Ghisolfi. A empresa se entusiasmou e acabou patenteando isso no Brasil, e, em seguida depois, no exterior. Numa certa altura, eles resolveram que iam tocar o trabalho internamente, e o fizeram durante alguns anos. Um dia o meu contato na empresa me telefonou para me dizer o seguinte: “Olha, nós estávamos trabalhando com duas tecnologias; uma era essa aí com a Unicamp e a outra, em outro país. As duas estão funcionando, mas agora a empresa chegou num ponto em que optou por completar o desenvolvimento de uma”. Quando se chega na fase final de um desenvolvimento de materiais, os custos dos projetos ficam muito altos. Tem que usar grandes quantidades de materiais, fazer muitos testes com clientes. Então, a empresa decidiu tocar uma das alternativas, que infelizmente não era aquela na qual eu tinha trabalhado. No fim das contas, foi um pouco frustrante, mas acho que foi interessante porque durante esse tempo todo, a empresa apostou bastante no caminho que a gente tinha iniciado aqui. Além disso, cada projeto desses significa recursos para o laboratório, significa dinheiro para contratar gente, empregos na Unicamp e na empresa, etc. Então, esses projetos acabam dando muitos benefícios, mesmo quando não chegam até o fim.

Agora, pulando alguns pedaços, vou chegar num resultado mais recente, do meu trabalho no CNPEM, onde estive até 2015. Um objetivo do CNPEM é o aproveitamento de materiais de fonte renovável para fazer materiais avançados. Tem toda uma filosofia por trás disso, relacionada ao esgotamento de recursos naturais, à sustentabilidade… Uma meta era fazer coisas novas com materiais derivados da biomassa, e o principal interesse está na celulose. Ela é o polímero mais abundante do mundo, mas é um polímero muito difícil de trabalhar. Você não consegue processar celulose como processa polietileno, por exemplo. Uma meta é plastificar a celulose; ou seja, trabalhar a celulose da forma mais parecida possível àquela que usamos para trabalhar com polímeros sintéticos. Um primeiro resultado dentro dessa ideia foi a criação de adesivos de celulose em que o único polímero é a própria celulose. Em seguida, já fora do CNPEM, obtivemos a esfoliação de grafite, o que gerou uma família de tintas, pastas e adesivos condutores, que são o objeto de um projeto PIPE recém-aprovado pela Fapesp.

Vários outros projetos foram feitos com empresas, em questões do interesse das empresas. Revestir uma coisa, colar outra, modificar um polímero para conseguir um certo resultado. Mas essas foram respostas a demandas das empresas, não foram pesquisas iniciadas no laboratório.

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

Fernando Galembeck: – Em primeiro lugar, em qualquer carreira que a pessoa escolher, ela tem que ter uma dose de paixão. Não importa se a pessoa vai trabalhar no mercado financeiro, em saúde ou o que quer que ela vá fazer; antes de mais nada, o que manda é o gosto. A pessoa querer fazer uma carreira porque ela vai dar dinheiro, porque vai dar status… Eu acho que é ruim escolher assim. Se a pessoa fizer as coisas com gosto, com interesse, o dinheiro, o prestígio, o status virão, mas por outros caminhos. O objetivo é que a pessoa faça uma coisa que a deixe feliz, que se sinta bem fazendo o seu trabalho, que a deixe realizada. Isso vale não só para a carreira científica, mas para qualquer outra carreira também. Na científica, é fundamental.

Além disso, é preciso estar preparado para o trabalho duro. Não existe caminho fácil. Eu conheço pessoas jovens que procuram muito a grande sacada que vai lhes trazer sucesso com relativamente pouco trabalho. Bom, eu acho melhor não esperarem isso. Pode até acontecer, mas esperar isso é mais ou menos a mesma coisa do que esperar ganhar a Mega-Sena para ficar rico.

Eu já tenho 75 anos, conheci muita gente e vi muita coisa acontecer. Algo que me chama a atenção é o caso de jovens que pareciam muito promissores mas acabaram não dando muito certo. Francamente, eu penso que não é bom para um jovem dar muito certo muito cedo, porque eu tenho a impressão de que ele se acostuma com a ideia de que sempre vai dar certo. E o problema é que não tem nada, nem ninguém, nem nenhuma empresa que sempre dê muito certo. Sempre vai ter o momento do fracasso, o momento da frustação. Se a pessoa está preparada para isso, quando chega o momento, ela supera, enquanto outros são destruídos, não conseguem superar. Por isso tem que ter cuidado para não se iludir com o sucesso, achar que, porque deu certo uma vez, sempre dará certo. Tem que estar preparado para lutar.

Quando eu fiz faculdade, pensar em fazer pesquisa parecia uma coisa muito estranha, coisa de maluco. As pessoas não sabiam muito bem o que era isso nem por que uma pessoa iria fazer isso. Tinha gente que dizia que a pesquisa era como um sacerdócio. Eu trabalhei sempre com pesquisa, associada com ensino, associada com consultoria e, sem que eu nunca tenha procurado ficar rico, consegui ter uma situação econômica que eu acho muito confortável. Mas eu insisto, meu objetivo era fazer o desenvolvimento, fazer o material, não o dinheiro que eu iria ganhar. O dinheiro veio, ele vem. Então, eu sugiro que as pessoas focalizem o trabalho, os resultados e a contribuição que o trabalho delas pode dar para outras pessoas, para o ambiente, para a comunidade, para o país, para o conhecimento. O resto virá por acréscimo.

Resumindo, a minha mensagem é: trabalhem seriamente, dedicadamente e com paixão.

Finalmente, eu gostaria de dizer que acho que o trabalho de pesquisa, o trabalho de desenvolvimento ajuda muito a pessoa a crescer como pessoa. Ele afasta a pessoa de algumas ideias que não são muito proveitosas e a coloca dentro de atitudes que são importantes e realmente ajudam. Uma vez um estudante perguntou para Galileu: “Mestre, o que é o método? ”. A resposta de Galileu foi: “O método é a dúvida”. Eu acho que isso é muito importante em atividade de pesquisa, a qual, em Materiais, em particular, é especialmente interessante porque o resultado final é uma coisa que a gente pega na mão. Na atividade de pesquisa, a pessoa tem que estar o tempo todo se perguntando: “Eu estou pensando isto, mas será que estou pensando certo? ”, ou “Fulano escreveu aquilo, mas qual é a base do que ele escreveu? ”. Essa é uma atitude muito diferente da atitude dogmática, que é comum no domínio da política e da religião, e muito diferente da atitude da pessoa que tem que enganar, como o advogado do mafioso, do corrupto ou do traficante. O pesquisador tem que se comprometer com a verdade. Claro que também existem pessoas que se dizem pesquisadores e promovem a desinformação. Alguns anos atrás, falava-se de uma coisa chamada de “Bush science”, expressão que remete ao presidente Bush. “Bush science” eram os argumentos criados por pessoas que ganhavam dinheiro como cientistas e produziam argumentos para dar sustentação às políticas de Bush. Esse problema existe em ciência, e aí voltamos àquilo que falei no início. Uma pessoa não deve tornar-se cientista porque vai ganhar dinheiro, vai ter prestígio ou vai ser convidado para jantar com o presidente; ela tem que entrar nisto pelo interesse que ela tem pela própria ciência.


Para mais informações sobre este palestrante e a palestra plenária que ele proferirá no XVII Encontro da SBPMat/B-MRS Meeting, clique na foto do palestrante e no título da palestra: https://www.sbpmat.org.br/17encontro/home/

Artigo em destaque: Nanopartículas movediças para nanofios assimétricos.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Exploring Au Droplet Motion in Nanowire Growth: A Simple Route toward Asymmetric GaP Morphologies. Bruno C. da Silva*, Douglas S. Oliveira, Fernando Iikawa, Odilon D. D. Couto Jr., Jefferson Bettini, Luiz F. Zagonel, and Mônica A. Cotta*. Nano Lett., 2017, 17 (12), pp 7274–7282. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02770

Nanopartículas movediças para nanofios assimétricos.

Imagem de microscopia eletrônica de varredura de nanofios assimétricos de fosfeto de gálio (GaP).
Imagem de microscopia eletrônica de varredura de nanofios assimétricos de fosfeto de gálio (GaP).

Em artigo recentemente publicado no periódico NanoLetters (fator de impacto 12,712), uma equipe de cientistas do Brasil apresentou um processo que permite produzir nanofios semicondutores de morfologia assimétrica, distintos dos tradicionais nanofios cônicos ou cilíndricos. Vale lembrar que nanofios são estruturas com diâmetro ou espessura nanométrica e sem limitações de tamanho quanto ao comprimento.

“Nossa principal contribuição consiste em demonstrar uma alternativa para o controle da morfologia no crescimento de nanoestruturas semicondutoras tipo nanofio”, afirma Bruno César da Silva, autor correspondente do artigo. Essa possibilidade de se produzir, de forma controlada, nanofios com formatos diferenciados e sem defeitos, pode ter impacto em diversas aplicações, inclusive a fabricação de células solares e LEDs.

Os autores descobriram o processo enquanto estudavam a produção de nanofios que fossem interessantes para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos. Entre os candidatos promissores, os cientistas escolheram, pelas suas propriedades, nanofios de fosfeto de gálio (GaP) com uma determinada estrutura cristalina conhecida como wurtzita. O trabalho estava sendo realizado dentro do mestrado de Bruno da Silva, iniciado em 2014 com orientação dos professores Luiz Fernando Zagonel e Mônica Alonso Cotta, ambos do Instituto de Física Glew Wataghin (Unicamp). Nos primeiros meses de trabalho, enquanto analisavam os nanofios obtidos, os cientistas encontraram uma quantidade significativa de nanoestruturas de fosfeto de gálio com formato assimétrico. “Além disso, vimos que esses nanofios, especificamente, tinham estrutura cristalina hexagonal (wurtzita) e baixíssima densidade de defeitos cristalográficos, o que nos motivou a estudar posteriormente em detalhes as causas da formação desta estrutura singular”, relata da Silva.

box aplicaçõesA técnica escolhida pela equipe da Unicamp para produzir os nanofios foi a epitaxia por feixe químico (CBE, na sigla em inglês), precedida por um aquecimento (annealing) do substrato no qual crescem os nanofios. Na CBE, coloca-se, dentro de uma câmara, um substrato de material adequado – neste caso, arseneto de gálio (GaAs). Depois são introduzidos na câmara, compostos químicos em forma de vapor, contendo elementos do material com o qual se deseja formar os nanofios – neste caso, fosfeto de gálio. O material vai se depositando em cima do substrato, camada sobre camada. Dessa maneira, a técnica gera filmes. Para promover o crescimento de nanofios, depositam-se no substrato nanopartículas metálicas (neste caso, de ouro), antes de expô-lo ao vapor. Durante a exposição ao vapor, essas nanopartículas catalisadoras fazem com que o material se deposite preferencialmente debaixo delas, formando estruturas relativamente compridas.

Voltando à história do trabalho dos nanofios assimétricos, em 2016, defendido o mestrado e iniciado o doutorado, Bruno da Silva e sua orientadora Mônica Cotta começaram a levantar e testar hipóteses para a causa da formação dessas peculiares estruturas. Após diversos experimentos e análises, a dupla concentrou esforços num fenômeno que chamou a sua atenção: nos estágios iniciais do processo, as nanopartículas de ouro se deslocavam espontaneamente sobre o substrato. Nesse momento, os cientistas notaram que não eram os únicos curiosos por compreender o fenômeno das nanopartículas movediças; diferentes grupos de pesquisa no mundo estavam começando a investigá-lo.

Imagem de microscopia de força atômica de uma nanopartícula de ouro sobre substrato de GaAs evidenciando o rastro deixado pelo movimento da mesma.
Imagem de microscopia de força atômica de uma nanopartícula de ouro sobre substrato de GaAs evidenciando o rastro deixado pelo movimento da mesma.

A equipe brasileira empreendeu então um trabalho sistemático de aquecimento do substrato com nanopartículas catalisadoras e de crescimento de nanofios sob diversas condições, e analisou as amostras resultantes usando microscópios eletrônicos de varredura e de transmissão e microscópio de força atômica. Dessa maneira, a dupla e seus colaboradores do IFGW-Unicamp e do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) conseguiram descobrir por que o processo de crescimento utilizado resultava em nanofios assimétricos. O principal responsável por gerar tal morfologia era, de fato, o movimento das nanopartículas de ouro, o qual se ativava termicamente com o tratamento térmico (annealing) inicial. Além ter uma explicação, a equipe possuía agora uma receita para produzir nanofios semicondutores de formato assimétrico. “Nosso trabalho foi o primeiro a mostrar que a instabilidade mecânica da nanopartícula catalisadora pode ser utilizada para modificar o crescimento de nanofios semicondutores, no nosso caso, impactando principalmente a sua morfologia”, diz Bruno da Silva.

O mecanismo de formação dos nanofios assimétricos apresentado no artigo é, em grandes linhas, o seguinte. Ao serem aquecidas junto ao substrato no tratamento térmico, as nanopartículas começam a se movimentar e avançam pelo substrato enquanto consomem a camada de óxido que naturalmente recobre o arseneto de gálio e consomem também parte do próprio arseneto de gálio em si. Assim, as nanopartículas vão formando sulcos assimétricos de poucos nanometros de profundidade e poucas centenas de nanometros de comprimento. Esses rastros tornam-se terra fértil para o crescimento dos nanofios, já que a taxa de deposição do material é maior ali do que no resto do “chão”, recoberto pelo óxido. Então, um pedestal se forma ao longo dos sulcos e, a partir do momento em que a nanopartícula se descola do substrato, o nanofio cresce em cima do pedestal num formato assimétrico.  “Mostramos que o movimento da partícula gera uma zona de deposição preferencial, e que a combinação deste fenômeno com o crescimento axial “vapor –líquido – sólido” leva à formação da assimetria no nanofio”, resume da Silva.

Além de descrever o mecanismo de formação dos nanofios assimétricos, o trabalho da equipe brasileira gerou conhecimento detalhado sobre o movimento das nanopartículas metálicas. “Nós mostramos que, além da temperatura, as condições de vácuo e a qualidade da superfície do substrato são cruciais para a estabilidade da nanopartícula, e que a direção do movimento está relacionada com a assimetria da dissolução de ouro em superfícies semicondutoras III-V”, detalha o doutorando.

O trabalho experimental que originou o artigo da Nano Letters foi realizado no Laboratório de Nano e Biossistemas do IFGW-Unicamp (síntese do material e caracterização por microscopia de força atômica), no Grupo de Propriedades Ópticas do IFGW-Unicamp (medidas ópticas), no Laboratório de Microscopia Eletrônica do Laboratório Nacional de Nanotecnologia do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (LNNano-CNPEM), e no Laboratório de Caracterização Estrutural do Departamento de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de São Carlos (DEMA-UFSCAR). O trabalho contou com financiamento da Unicamp, por meio do fundo FAEPEX, das agências brasileiras federais CNPq e CAPES e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).

Artigo em destaque: Sondando elétrons de compostos actinídeos.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: “Unraveling 5f-6dhybridization in uraniumcompounds via spin-resolved L-edge spectroscopy”. R. D. dos Reis, L. S. I. Veiga, C. A. Escanhoela Jr., J. C. Lang, Y. Joly, F. G. Gandra, D. Haskel & N. M. Souza-Neto. Nature Communications 8:1203 (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-01524-1. Link: https://www.nature.com/articles/s41467-017-01524-1

Sondando elétrons de compostos actinídeos

box orbitais e bordasUma equipe liderada por pesquisadores do Brasil conseguiu desvendar detalhes da distribuição dos elétrons em materiais baseados em actinídeos (grupo de 15 elementos químicos, radiativos, cujos números atômicos vão do 89 ao 103).

O grupo de cientistas desenvolveu um método experimental que permitiu realizar uma sondagem única dos orbitais 5f e 6d e de sua hibridização em materiais baseados em urânio (um dos elementos actinídeos mais abundantes na crosta terrestre). Dessa maneira, a equipe pôde demonstrar, por exemplo, que a hibridização 5f-6d determina as propriedades magnéticas dos materiais estudados. O trabalho deixou como legado um sistema experimental para pesquisas em materiais magnéticos diversos (metais 3d, terras raras, actinídeos e outros), disponível para uso da comunidade científica no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS).

O estudo foi reportado em artigo recentemente publicado na Nature Communications (fator de impacto 12,124). “Nesse artigo publicado na revista Nature Communications, nós demonstramos o uso da técnica de dicroísmo circular magnético (XMCD) na borda L do urânio para sondar diretamente os orbitais 6d e 5f e também o seu grau de hibridização, ao invés de apenas sondar os orbitais 5f como é o caso de bordas M de absorção de actinídeos”, detalha o autor correspondente do artigo, Narcizo Marques de Souza Neto, professor colaborador da UNICAMP e pesquisador no LNLS.

Para poderem sondar os orbitais dos compostos de urânio, principalmente o UCu2Si2 e o UMn2Si2, os cientistas tiveram que driblar as dificuldades de manipular os materiais, devidas à sua toxicidade. Além disso, precisaram fazer uma série de ajustes na técnica de XMCD de altas energias para melhorar a sensibilidade da técnica (estender seus limites de detecção).

Esses desenvolvimentos foram inicialmente realizados na linha DXAS do LNLS, dedicada a técnicas de absorção de raios X. Atualmente, a instrumentação de XMCD faz parte da linha XDS do LNLS, dedicada a difração e espectroscopia de raios X, onde está sendo usada e aprimorada. Futuramente, a técnica poderá ser aproveitada no Sírius (a nova fonte de luz síncrotron, de última geração, que está sendo construída em Campinas), mais precisamente na linha EMA, que será dedicada a técnicas de raios X sob condições extremas de pressão e temperatura. Segundo Souza-Neto, que coordena tanto a linha XDS quanto o projeto da EMA, as condições para estudos de actinídeos e materiais similares por XMCD serão inigualáveis no Sírius.

Além de avançar no conhecimento sobre actinídeos, a pesquisa demonstrou a potencialidade da técnica de XMCD aprimorada pela equipe brasileira para continuar desvendando as características desses elementos ainda pouco estudados experimentalmente. Uma compreensão mais profunda dos actinídeos, diz Souza-Neto, é necessária para propor novos usos para esses elementos, e também para poder utilizá-los de forma mais eficiente em aplicações existentes, como, por exemplo, a geração de energia, o diagnóstico e tratamento de doenças e a produção de vidros especiais.

A história do trabalho

Foto dos pesquisadores Ricardo dos Reis (esquerda) e Narcizo Souza-Neto (direita), autores principais do artigo. Entre eles, na tela, o desenho da linha de luz EMA do Sirius aonde esses experimentos poderão ser realizados de forma altamente otimizada.
Foto dos pesquisadores Ricardo dos Reis (esquerda) e Narcizo Souza-Neto (direita), autores principais do artigo. Entre eles, na tela, o desenho da linha de luz EMA do Sirius aonde esses experimentos poderão ser realizados de forma altamente otimizada.

A gênese do trabalho se remonta ao ano 2009, quando Souza-Neto estava estudando estrutura eletrônica e magnetismo de terras raras durante seu pós-doutorado no Argonne National Laboratory, nos Estados Unidos. “Eu tive a ideia de expandir para compostos actinídeos o estudo que fizemos em terras raras (Souza-Neto et al., Phys. Rev. Lett. 102, 057206 (2009)) usando XMCD para sondar uma transferência de carga nos orbitais 4f e 5d”, relata o pesquisador. Procurando materiais com características similares, o pesquisador se deparou com compostos de urânio. “Tentamos iniciar esse estudo ainda em Argonne, porém, as condições para essa realização lá não nos permitiram ter êxito como esperávamos”, conta ele. O professor voltou ao Brasil em 2010 como pesquisador do CNPEM, com o desejo de dar continuidade a essa iniciativa. Assim, em 2011, Souza-Neto começou a orientar a pesquisa de doutorado de Ricardo Donizeth dos Reis, sobre esse assunto, junto ao co-orientador Flávio César Guimarães Gandra professor da Unicamp, com quem já tinha colaborado anteriormente.

As amostras de compostos de urânio foram preparadas e caracterizadas no Laboratório de Metais e Ligas da Unicamp, coordenado pelo professor Gandra, onde já havia experiência em pesquisa com materiais actinídeos e terras raras. Os experimentos de espectroscopia de absorção de raios X foram realizados no Advanced Photon Source de Argonne e no LNLS. “Todos os experimentos nas bordas L do urânio, que compõem a principal contribuição inovadora deste trabalho, foram realizados no LNLS”, detalha Souza-Neto. “Em Argonne foram realizados os experimentos na borda M do urânio para sondar a contribuição dos orbitais 5f de forma isolada e corroborar a nossa interpretação dos resultados”, completa. Além disso, a equipe brasileira contou com a participação de um pesquisador da França nas simulações teóricas realizadas para a interpretação dos dados.

A pesquisa foi realizada com recursos financeiros da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo; da agência federal brasileira Capes; do Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação do Brasil, e do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

 

Artigo em destaque: Nanofolhas e nanopartículas interconectadas para a eletrônica vestível.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Self-Assembled and One-Step Synthesis of Interconnected 3D Network of Fe3O4/Reduced Graphene Oxide Nanosheets Hybrid for High-Performance Supercapacitor Electrode. Rajesh Kumar, Rajesh K. Singh, Alfredo R. Vaz, Raluca Savu, Stanislav A Moshkalev. ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES. 2017, 9, 8880 – 8890. DOI: 10.1021/acsami.6b14704.

Nanofolhas e nanopartículas interconectadas para a eletrônica vestível

Uma equipe de pesquisadores da Unicamp e um cientista da Universidade Central de Himachal Pradesh (UCHP), da Índia, desenvolveram um supercapacitor flexível, de pequenas dimensões e alto desempenho, feito de um material híbrido composto por nanofolhas de óxido de grafeno (GO) e nanopartículas de óxido de ferro (Fe3O4). O trabalho foi recentemente reportado no periódico Applied Materials & Interfaces (fator de impacto 7,145), da American Chemical Society.

“A principal contribuição deste trabalho é para a nova e realmente promissora área de pesquisa em eletrônica flexível”, diz Rajesh Kumar, pesquisador no Centro de Componentes Semicondutores (CCS) da Unicamp e autor correspondente do artigo. “Como os capacitores estão entre os componentes principais dos dispositivos eletrônicos, estes microsupercapacitores baseados em óxido de grafeno eficientes e flexíveis podem ser usados, em um futuro próximo, como componentes de dispositivos eletrônicos flexíveis e vestíveis (celulares, relógios inteligentes, dispositivos para monitoramento da saúde e para armazenamento de energia etc.) ”, completa o pesquisador indiano.

A gênese do trabalho remonta a 2015, quando Rajesh Kumar, que vinha trabalhando com microsupercapacitores de óxido de grafeno em outros países, candidatou-se a uma bolsa de pós-doutorado para trabalhar no grupo do professor Stanislav Moshkalev, diretor do CCS – Unicamp. “Enxerguei uma grande oportunidade nesse grupo, desde que sua principal linha de pesquisa é nanofabricação e nanoeletrônica baseada em carbono nanoestruturado”, relata Kumar. O indiano conseguiu financiamento do CNPq, na modalidade de especialista visitante, para realizar um projeto no CCS – Unicamp. Inicialmente, fabricou umas finas folhas de óxido de grafeno chamadas buckypapers. Depois, trabalhando em interação com mais 5 pessoas do CCS – Unicamp, Kumar buscou novas estratégias para melhorar as propriedades do material.

A equipe da Unicamp encarou, então, o desafio de fabricar um material híbrido de grafeno e óxido de ferro de estrutura controlada por meio de um processo que não fosse complexo como os reportados na literatura científica. Os cientistas conseguiram fazê-lo mediante a simples exposição de óxido de grafite e cloreto férrico (FeCl3) à radiação de micro-ondas.

Imagem MEV do material híbrido tridimensional Fe3O4/rGO (esquerda) e esquema representativo da morfologia do material (direita).
Imagem MEV do material híbrido tridimensional Fe3O4/rGO (esquerda) e esquema representativo da morfologia do material (direita).

O material obtido apresentou uma interessante morfologia: uma rede tridimensional, na qual nanofolhas de grafeno interconectadas formam “túneis” que albergam nanopartículas de óxido de ferro cristalinas e multifacetadas, de 50 a 200 nm, fortemente anexadas às nanofolhas, como mostra a figura ao lado.

A morfologia, estrutura, composição, estabilidade térmica e outras propriedades foram analisadas usando diversas técnicas disponíveis no CCS – Unicamp e na universidade indiana.

Posteriormente, na Unicamp, a equipe testou a eficiência do material para atuar no armazenamento de eletricidade. Os testes demonstraram o alto desempenho do material como eletrodo de supercapacitor. Os cientistas concluíram que a especial morfologia deste material híbrido (particularmente, as nanopartículas facetadas que grudam bem nas nanofolhas, a separação entre as nanofolhas, os “túneis” que albergam as nanopartículas individualmente evitando aglomerações e a grande área superficial da rede de nanofolhas interconectadas) favoreceu o desempenho do material nessa aplicação.

“Estes microsupercapacitores poderão substituir, e certamente o farão, os capacitores tradicionais em dispositivos eletrônicos”, afirma Kumar. De acordo com o pesquisador, suas vantagens principais são a alta performance, resistência mecânica, tamanho reduzido e, principalmente, flexibilidade – uma propriedade essencial para a eletrônica vestível.

Além disso, o método desenvolvido pela equipe da Unicamp e UCHP pode se tornar uma boa alternativa para fabricar outros materiais híbridos baseados em carbono e óxidos metálicos.

O trabalho foi realizado com apoio financeiro do CNPq e FAPESP.

Fotos dos autores do artigo. A partir da esquerda do leitor, Rajesh Kumar (Unicamp), Rajesh Kumar Singh (CUHP), Alfredo Vaz (Unicamp), Raluca Savu (Unicamp) e Stanislav Moshkalev (Unicamp).
Fotos dos autores do artigo. A partir da esquerda do leitor, Rajesh Kumar (Unicamp), Rajesh Kumar Singh (UCHP), Alfredo Vaz (Unicamp), Raluca Savu (Unicamp) e Stanislav Moshkalev (Unicamp).

Artigo em destaque: Material avançado para supercapacitores supercapazes.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: One-step electrodeposited 3D-ternary composite of zirconia nanoparticles, rGO and polypyrrole with enhanced supercapacitor performance. Alves, Ana Paula P.; Koizumi, Ryota; Samanta, Atanu; Machado, Leonardo D.; Singh, Abhisek K.; Galvao, Douglas S.; Silva, Glaura G.; Tiwary, Chandra S.; Ajayan, Pulickel M. NANO ENERGY, volume 31, January 2017, 225–232. DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.11.018.

Material avançado para supercapacitores supercapazes

Supercapacitores são dispositivos de estocagem de eletricidade que apresentam a útil particularidade de liberarem grandes quantidades de energia em curtos intervalos de tempo. Já são usados, por exemplo, em veículos elétricos ou híbridos, flashes de câmeras fotográficas e elevadores, mas ainda podem ser aperfeiçoados – em grande parte, com a contribuição da Ciência e Tecnologia de Materiais – para as aplicações atuais e potenciais. Em um esquema bem simplificado, um supercapacitor é formado por dois eletrodos, o positivo e o negativo, separados por uma substância contendo íons positivos e negativos (o eletrólito).

Um artigo recentemente publicado no periódico científico Nano Energy (fator de impacto 11,553) apresenta uma contribuição de uma equipe científica internacional e interdisciplinar ao desenvolvimento de materiais que melhoram o desempenho de supercapacitores. Mediante um processo simples e facilmente escalável, o time de pesquisadores do Brasil, Estados Unidos e Índia fabricou eletrodos de um material compósito formado por polipirrol (PPi), óxido de grafeno reduzido (rGO) e nanopartículas de óxido de zircônio (ZrO2). Ao combinarem os três materiais, os cientistas conseguiram gerar um eletrodo com grande área superficial e alta porosidade – características fundamentais para promover a interação dos íons do eletrólito com a superfície dos eletrodos e, dessa maneira, potencializar o desempenho do supercapacitor.

“Nossa contribuição diferenciada foi a síntese, em uma única e simples etapa de eletrodeposição, de um híbrido contendo grafeno, óxido de zircônio e polipirrol e a demonstração experimental de ganhos consideráveis em propriedades eletroquímicas, em paralelo à modelagem teórica visando obter uma compreensão do papel dos componentes do material”, diz Glaura Goulart Silva, professora do departamento de Química da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e autora correspondente do artigo.

Além de preparar amostras do compósito ternário (ou seja, formado por três elementos) PPi/rGO/ZrO2, a equipe fabricou, usando o mesmo método e para fins de comparação, amostras do compósito binário PPi/rGO, e amostras de polipirrol puro. Os três materiais foram analisados usando as técnicas de XPS (espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X), MEV (microscopia eletrônica de varredura), espectroscopia Raman e microscopia eletrônica de transmissão, para determinar sua composição, estrutura e morfologia.

Como pode ser observado nas imagens de MEV da figura abaixo, os cientistas notaram que a adição de óxido de grafeno e nanopartículas de zircônia mudara significativamente a morfologia do material. Enquanto o polipirrol puro tinha formado um filme trincado e com aspecto de aramado, o compósito com grafeno possuía uma morfologia granulosa e sem fendas, e o material com óxido de zircônio se apresentava com aspecto semelhante ao de folhas.

Finalizando a parte experimental do estudo, os cientistas realizaram uma série de testes para medir o desempenho dos três materiais enquanto supercapacitores. Os resultados mostraram que a capacidade de armazenar cargas elétricas (capacitância) tinha aumentado até 100% no compósito ternário com relação ao polipirrol. Além disso, esse desempenho, em vez de diminuir devido ao uso do eletrodo, aumentara 5% depois de 1.000 recargas nos compósitos binário e ternário.

O artigo foi o primeiro a apresentar a introdução de nanopartículas de óxido de zircônio em eletrodos de polipirrol e grafeno para supercapacitores. Assim, a equipe realizou modelagens computacionais para analisar o papel do óxido de zircônio no desempenho do compósito. As simulações confirmaram os efeitos benéficos das nanopartículas na estabilidade do material, diretamente relacionada ao alongamento da vida útil dos eletrodos.

Esquema ilustrativo de armazenamento de carga e interação dos íons próximos à superfície dos eletrodos de polipirrol puro (PPi), con óxido de grafeno reduzido (PPi/rGO) e polipirrol, PPi/rGO/ZrO2 (acima), baseado na morfologia associada às imagens de MEV da superfície dos eletrodos com os respectivos materiais sob substrato de fibra de carbono (abaixo). Imagem feita por Ana Paula Pereira Alves para sua tese de doutorado.
Esquema ilustrativo de armazenamento de carga e interação dos íons próximos à superfície dos eletrodos de polipirrol puro (PPi), con óxido de grafeno reduzido (PPi/rGO) e polipirrol, PPi/rGO/ZrO2 (acima), baseado na morfologia associada às imagens de MEV da superfície dos eletrodos com os respectivos materiais sob substrato de fibra de carbono (abaixo). Imagem feita por Ana Paula Pereira Alves para sua tese de doutorado.

 

“O potencial destes novos compósitos para uso em supercapacitores é muito grande devido às necessidades de aumento da densidade de energia fornecida pelo dispositivo, em paralelo à sua miniaturização”, afirma a professora Goulart Silva. “A alternativa desenvolvida no trabalho em questão permite um melhor desempenho em termos de estabilidade à ciclagem com ganhos na direção da segurança do supercapacitor. O uso de supercapacitores e baterias nos carros elétricos e híbridos é uma das frentes tecnológicas onde estes materiais podem encontrar aplicação”, completa.

A partir da esquerda do leitor: a professora Glaura Goulart Silva (UFMG), o professor Pulickel Ajayan (Rice University) e Ana Paula Pereira Alves, doutora recém- diplomada pela UFMG.
A partir da esquerda do leitor: a professora Glaura Goulart Silva (UFMG), o professor Pulickel Ajayan (Rice University) e Ana Paula Pereira Alves, doutora recém- diplomada pela UFMG.

O trabalho faz parte do doutorado em Química de Ana Paula Pereira Alves, realizado com orientação da professora Goulart Silva e defendido em fevereiro deste ano na UFMG com uma tese sobre síntese e caracterização de materiais avançados para supercapacitores. Na universidade mineira, Pereira Alves realizou, no doutorado, um treinamento intensivo em técnicas de síntese e análise físico-química de polímeros conjugados e de grafenos e em caracterização de supercapacitores. Em 2015, ela partiu para os Estados Unidos para realizar um estágio “sanduíche” de um ano, com apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), no departamento de Ciência dos Materiais e Nanoengenharia da Rice University, no grupo de pesquisa do professor Pulickel Ajayan (pesquisador com índice h=139 segundo o Google Scholar), que é colaborador do grupo da professora Goulart Silva desde 2010. “O professor Ajayan tem sistematicamente proposto inovações radicais em sínteses e design de baterias e supercapacitores, com grande impacto internacional na área”, comenta ela.

O trabalho experimental reportado no artigo foi realizado na Rice University, com a presença de todos os autores, inclusive os oriundos do Brasil e da Índia, sem omitir a própria professora Goulart Silva, que passou ali o mês de fevereiro de 2016 com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (Fapemig). “O ambiente altamente interdisciplinar do Department of Materials Science and NanoEngineering da Rice permitiu que engenheiros, físicos e químicos se reunissem para trabalhar em um problema de grande importância na atualidade”.

A modelagem computacional foi realizada por pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) – entre eles, o professor Douglas Galvão (Unicamp), que mantinha uma colaboração científica com o professor Ajayan desde antes do início desta pesquisa.

“Em minha opinião este trabalho é um excelente exemplo de sucesso, onde a competência dos grupos brasileiros se uniu à de um grupo altamente produtivo e impactante no cenário internacional e se complementaram”, diz Goulart Silva. “A estabilidade e ampliação dos investimentos em pesquisa e desenvolvimento no Brasil são essenciais para que exemplos de trabalhos como esse sejam corriqueiros. Pesquisa é um investimento que precisa ser feito a longo termo, sem retrocessos, para assim permitir uma alta taxa de retorno em termos de materiais, tecnologias e pessoas altamente qualificadas. Ana Paula Alves é agora uma jovem doutora em busca de oportunidade para construir seu grupo de pesquisa e assim formar novos estudantes e contribuir para enfrentar os desafios do nosso país”, completa a professora da UFMG.

Artigo em destaque: Como fazer nanocristais de perovskita mais estáveis para LEDs mais eficientes.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Amine-Free Synthesis of Cesium Lead Halide Perovskite Quantum Dots for Efficient Light-Emitting Diodes. Emre Yassitepe, Zhenyu Yang, Oleksandr Voznyy, Younghoon Kim, Grant Walters, Juan Andres Castañeda, Pongsakorn Kanjanaboos, Mingjian Yuan, Xiwen Gong, Fengjia Fan, Jun Pan, Sjoerd Hoogland, Riccardo Comin, Osman M. Bakr, Lazaro A. Padilha, Ana F. Nogueira, and Edward H. Sargent. Adv. Funct. Mater. 2016. DOI: 10.1002/adfm.201604580.

Como fazer nanocristais de perovskita mais estáveis para LEDs mais eficientes

Nesta imagem ilustrativa, enviada por Emre Yassitepe, pontos quânticos azuis, verdes e vermelhos excitados por radiação ultravioleta exibem uma brilhante luminescência.
Nesta imagem ilustrativa, enviada por Emre Yassitepe, pontos quânticos azuis, verdes e vermelhos excitados por radiação ultravioleta exibem uma brilhante luminescência.

Os pontos quânticos de perovskita vem sendo enxergados como ótimos candidatos para compor uma próxima geração de telas e dispositivos para iluminação. De fato, essas nanopartículas luminescentes são capazes de emitir luz de alto brilho e em cores muito vívidas e puras ao receberem energia externa. Mas o uso tecnológico dos pontos quânticos de perovskita esbarra ainda em algumas limitações, principalmente ligadas à sua instabilidade, pois essas minúsculas partículas rapidamente podem reagir com o meio, aglomerar-se ou aumentar de tamanho, por exemplo.

Uma equipe de cientistas de instituições do Canadá, Brasil e Arábia Saudita encontrou uma solução a um dos problemas que limitam o avanço da pesquisa e desenvolvimento na área, a degradação dos pontos quânticos de perovskita durante sua fabricação. O estudo foi reportado em artigo recentemente publicado no periódico Advanced Functional Materials (fator de impacto: 11,38).

A fabricação dos pontos quânticos de perovskita é tradicionalmente realizada colocando num frasco uma solução com uma série de compostos que, ao reagirem sob determinadas condições, geram nanopartículas de perovskita revestidas (passivadas) com ácido oleico (C18H34O2) e oleilamina (C18H35NH2).

A equipe realizou experimentos e simulações computacionais para compreender como ocorria, passo a passo, a formação dos pontos quânticos de perovskita e, dessa maneira, formular um método de fabricação que evitasse o problema da degradação. Os cientistas perceberam que a chave da solução residia em reformular os “ingredientes” do processo para poder retirar a oleilamina que acabava criando as condições para a degradação dos pontos quânticos, os quais precipitavam para o fundo do frasco.

“Nós focamos no desenvolvimento de uma nova técnica de síntese para passivar pontos quânticos de perovskita com ácido oleico”, diz Emre Yassitepe, pós-doc no Laboratório de Nanotecnologia e Energia Solar do Instituto de Química da Unicamp, que assina o artigo como primeiro autor. “O ácido oleico é um dos ligantes mais usados até o momento para estabilizar pontos quânticos e queríamos ver o impacto na estabilização e no desempenho do LED de diferentes ligantes”, completa.

Seguindo a nova “receita”, a equipe conseguiu produzir pontos quânticos de cerca de 8 nm, revestidos unicamente com ácido oleico, compostos por césio, chumbro e elementos do grupo dos halogêneos e tendo uma estrutura perovskita (que é uma determinada organização dos átomos). Foram produzidos e caracterizados pontos quânticos verdes, de fórmula CsPbBr3), azuis (CsPb(Br,Cl)3) e vermelhos (CsPb(Br,I)3).

Um dos principais ganhos obtidos com o novo método foi a estabilidade coloidal dos pontos quânticos: diferentemente dos pontos quânticos revestidos com oleilamina, eles permaneceram intatos após a etapa da purificação, que remove dos nanocristais os compostos residuais que costumam remanescer do processo de fabricação.

A equipe foi além da fabricação e análise experimental dos pontos quânticos e construiu com eles dispositivos LED (diodos emissores de luz, hoje amplamente utilizado em lâmpadas e telas) emissores de luz verde, azul e vermelha para conferir sua eficiência. Fizeram filmes finos com os pontos quânticos de perovskita conseguidos e colocaram uma camada desse material “sanduichada” entre uma camada de dióxido de titânio, encarregada de transportar elétrons (portadores de carga negativa) e uma camada polimérica, destinada ao transporte dos chamados “buracos” (portadores de carga positiva). Nesse LED, ao se aplicar um campo elétrico, elétrons e buracos se deslocam para a camada de pontos quânticos e acabam excitando-os, fazendo que emitam fótons e gerem, assim, a luz desejada.

O uso de camadas de transporte poliméricas processadas a partir de solução, em vez de camadas processadas a partir de evaporação para fabricar LEDs de perovskita foi uma inovação também possibilitada pela nova “receita”, que tornou os pontos quânticos mais robustos frente a esse tipo de processamento.

Como resultado final, os cientistas conseguiram LEDs azuis e verdes brilhantes e eficientes. Os LEDs de perovskita feitos com pontos quânticos sem oleilamina demonstraram um desempenho melhor, em alguns aspectos, do que os LEDs de perovskita convencionais contendo oleilamina.

autores
Fotos dos autores do artigo de instituições brasileiras. A partir da esquerda: Ana Flávia Nogueira e Emre Yassitepe (Instituto de Química da Unicamp), Juan Andrés Castañeda e Lázaro Padilha (Instituto de Física Gleb Wataghin, Unicamp).

“Demonstramos um novo método de síntese que aumenta a estabilidade coloidal dos pontos quânticos de perovskita ao revesti-los com ácido oleico”, resume Yassitepe. “Esse aumento da estabilidade viabilizou a remoção do excesso de conteúdo orgânico nos filmes finos, o qual atua como isolante entre os pontos quânticos, reduzindo seu desempenho. Ao reduzir os ligantes que estavam em excesso, conseguimos fazer LEDs mais eficientes e processáveis em solução”, conclui o pós-doc.

O trabalho foi realizado com financiamento de agências canadenses, da FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) e da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah (Arábia Saudita).  Na Unicamp, foram realizados os experimentos de absorção transiente ultrarrápida e análises por microscopia eletrônica de transmissão para caracterizar os pontos quânticos. A síntese dos nanocristais e a fabricação dos LEDs foi realizada na Universidade de Toronto, no grupo do professor Edward H. Sargent, onde Yassitepe realizou um estágio de um ano dentro de seu pós-doutorado na Unicamp. “Agradeço à FAPESP- Bolsa Estágio de Pesquisa no Exterior for ter me dado esta oportunidade”, diz Yassitepe.

Inscrições abertas para concurso docente no IQ/Unicamp, na área de Química Orgânica.


Estão abertas as inscrições para o concurso público de provas e títulos, para provimento de 01 (um) cargo de Professor Doutor na área de Química Orgânica, do Departamento de Química Orgânica do IQ/Unicamp.

Inscrições até 21 de março de 2017

Edital: http://www.sg.unicamp.br/dca/concursos/abertos/concursos-para-professor-doutor/instituto-de-quimica

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.