A nanotecnologia que está na superfície

Publicado em 26/05/2015

Tecnologias de superfície

Um grande número de aplicações tecnológicas, com incidência cada vez maior na vida cotidiana, tem como base fenômenos que ocorrem e dependem das superfícies dos materiais: da interação entre próteses e ossos na medicina à catálise de reações químicas em automóveis e na indústria, passando por dispositivos para armazenagem e leitura de dados.

"Todos os fenômenos decorrentes da interação entre uma superfície e o meio externo - adesão, lubrificação, corrosão, catálise etc. - dependem basicamente da troca de elétrons entre átomos vizinhos. Então, quando se estuda a interação de um sólido com o meio, é preciso saber que átomos compõem a superfície do sólido, como esses átomos se distribuem na superfície e quais são as ligações químicas entre eles," explica o físico Richard Landers, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), coordenador do projeto "Estrutura eletrônica e geométrica de nanomateriais".

"O número de átomos na superfície, da ordem de 1015 por centímetro quadrado, é muito pequeno em comparação com o número de átomos no interior do material, da ordem de 1023 por centímetro cúbico. São esses 1015 átomos por centímetro quadrado que determinam como o sólido interage com o meio", prosseguiu o pesquisador.

Caixa de ovos magnéticos

Um dos trabalhos mais recentes da equipe foi feito por Luis Henrique de Lima, envolvendo o cultivo de grafeno sobre silício, um importante campo de pesquisas na área do armazenamento de dados.

O grafeno foi obtido aquecendo o carbeto de silício (SiC) a mais de 1100º C. A essa temperatura, as ligações químicas entre o carbono e o silício se rompem, o silício evapora e os carbonos ligam-se uns aos outros, formando uma folha de grafeno, uma estrutura cristalina com apenas um átomo de espessura, na qual os átomos de carbono formam arranjos hexagonais.

"Tridimensionalmente, a superfície formada neste substrato tinha o formato de uma caixa de ovos, com saliências e depressões. E a ideia foi distribuir as partículas magnéticas de cobalto nos locais onde, analogamente, iriam os ovos", explica o professor Abner de Siervo, membro da equipe.

"Um resultado interessante, que pudemos detectar por meio da microscopia de tunelamento e da espectroscopia de elétrons, foi que, ao aquecer as nanopartículas de cobalto em cima do grafeno, estas migravam para baixo da superfície, ficando intercaladas e protegidas pelo grafeno em relação ao exterior. O interessante é que essas partículas parecem ocupar posições exatamente como ocorre com os ovos na caixa. Com isso, criamos uma estrutura ordenada de nanopartículas ferromagnéticas, separadas entre si por distâncias precisas e conhecidas e protegidas pela folha de grafeno", detalhou o pesquisador.

Uma possível evolução do trabalho de pesquisa será fazer crescer sobre o grafeno um óxido antiferromagnético. Haveria, então, uma estrutura ferromagnética e uma estrutura antiferromagnética separadas por uma única camada de átomos de carbono.

"Por estarem muito próximas, essas estruturas estabeleceriam entre si um efeito que é chamado em inglês de exchange bias. Trata-se do princípio de funcionamento das leitoras magnéticas. A diferença, no caso, é que, em vez de operar em escala microscópica, nossa peça operaria em escala nanométrica, o que poderia trazer muitas vantagens adicionais. Mas, antes de buscar qualquer possível aplicação, é preciso entender os princípios físicos em um regime ainda pouco estudado, que é o das nanopartículas muito próximas umas das outras, com um alto adensamento por unidade de área", disse Siervo.

A nanotecnologia que está na superfície

Catalisador modelo composto por nanopartículas de ródio (Rh) crescidas sobre um filme de magnetita ultrafino e ordenado suportado em paládio (Pd). À esquerda e à direta os padrões de difração de fotoelétrons com seletividade químico-elementar. [Imagem: Grupo de Física de Superfícies/Unicamp]

Catalisadores

Não se trata apenas de estudar superfícies, mas também de criá-las. Para isso, o laboratório do GFS dispõe igualmente de uma câmara de ultra-alto vácuo.

"Na pressão atmosférica normal, aproximadamente 1000 mbar, cada sítio atômico da superfície é atingido cerca de 1 bilhão de vezes por moléculas do meio externo a cada segundo. Se trabalharmos com alto vácuo, da ordem de 10-9 mbar, o número de impactos cairá para um a cada segundo. Mas tal vácuo ainda não é suficiente, pois, em apenas um segundo, a superfície estaria contaminada. É necessário um vácuo ainda mais extremo, um ultra-alto vácuo, da ordem de 10-10 ou 10-11 mbar . Em nossos experimentos, temos condições de fazer crescer, controladamente, camadas monocristalinas em condições de ultra-alto vácuo, dentro do sistema de análises", disse Landers.

Os catalisadores reais são constituídos por um óxido ou uma zeólita (material amorfo e poroso) sobre os quais se depositam metais ativos. Seu estudo na escala atômica é extremamente difícil. Por isso, os pesquisadores partiram para a criação e o estudo de catalisadores modelos.

"Criamos uma superfície de óxido suficientemente fina, que mimetizava o óxido real, e sobre ela fizemos crescer partículas metálicas, como ródio, platina ou paládio, investigando a estrutura formada", disse Landers. "Grande parte dos recursos do projeto foi utilizada para montar a infraestrutura destinada a essa investigação. Para se ter ideia, um sistema de análises desses pesa mais ou menos 1 tonelada. Além disso, o tratamento dos dados experimentais exigiu, também, a montagem de um cluster computacional", disse.

Outro equipamento utilizado pelos pesquisadores foi o microscópio eletrônico de tunelamento, que se tornou necessário porque a técnica de difração de elétrons, utilizada para mapear a superfície, não possibilita determinar o tamanho real das partículas metálicas criadas.

"Na maior parte das vezes, conseguimos ver a nanopartícula que cresceu e identificar seu arranjo de átomos. Juntando as duas técnicas, espectroscopia e microscopia, conseguimos aumentar expressivamente o conhecimento sobre os sistemas que estávamos investigando", disse o pesquisador.

Fonte: CIMM