tecnologia Um novo prefixo para a

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1 37 Um novo prefixo para a tecnologia Fabricio Mazocco Pesquisas na área de nanociência e nanotecnologia contribuem para o desenvolvimento de materiais inovadores com aplicações diversas

2 38 Metal-SiO2 nanocompósito (escala micrométrica) Nanocompósito (escala nanométrica) Representação esquemática e imagem microscópica de nanocompósito desenvolvido no LIEC: partículas metálicas protegidas em uma matriz cerâmica expandem vida útil de catalisadores em, no mínimo, 50% É cada vez mais comum ouvirmos falar de nanociência e nanotecnologia. Elas se desenvolveram com o objetivo de tentar dominar parte do virtuosismo da natureza na organização da matéria átomo por átomo, molécula por molécula. Organizar o não visível a olho nu. Nano é o prefixo usado para designar um bilionésimo: por exemplo, um nanômetro corresponde a um bilionésimo de metro. Um átomo mede cerca de dois décimos de um nanômetro; o diâmetro de um fio de cabelo humano é de cerca de 30 mil nanômetros. Um dos feitos mais importantes para o desenvolvimento da nanociência foi a invenção, em 1981, do microscópio de varredura por tunelamento eletrônico, o scanning tunneling microscope (STM), por Gerd Binning e Heirich Roher, do laboratório da IBM em Zurique (Suíça). Tunelamento é uma forma de movimento de origem quântica que ocorre na escala atômica. O STM funciona da seguinte maneira: durante a varredura da agulha, cuja ponta é formada por alguns poucos átomos ou até mesmo por um só, elétrons tunelam da agulha para a superfície do material estudado e, com base nessa corrente, um computador constrói uma imagem extremamente ampliada (superior a um milhão de vezes) dessa superfície, na qual ficam visíveis os átomos, o que permite a investigação do relevo atômico. Mesmo tendo se desenvolvido apenas nas últimas décadas, a nanotecnologia já está presente intensamente no mercado mundial, em produtos sofisticados voltados às mais diversas áreas, como engenharia, medicina e eletrônica. O interesse na área reflete-se no aumento constante do volume de recursos aplicados em pesquisa, desenvolvimento e en- genharia nesses campos, especialmente desde Em 2002, o investimento mundial atingiu cerca de US$ 5 bilhões. O aporte financeiro é justificado: de acordo com a Fundação Nacional de Ciências (NSF) dos EUA, o mercado mundial para materiais, produtos e processos industriais baseados em nanotecnologia atingirá algo em torno de US$ 1 trilhão no período de 10 a 15 anos. No Brasil, as melhores universidades já dominaram a tecnologia necessária para estudos nessa área. Entre elas, a Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), que desenvolve pesquisas em diversos campos, como nanocompósitos, nanofitas, nanofios, nanomateriais e nano-pós. Microscópio que permite leitura do relevo atômico de uma superfície foi marco no desenvolvimento da nanociência Nanocompósitos - O Laboratório Interdisciplinar de Eletroquímica e Cerâmica (Liec) do Departamento de Química (DQ) realiza pesquisas de nanotecnologia em três áreas: nanocompósitos; nanopartículas e nanocristais; e material 1D (nanofitas e nanofios). O Liec faz parte do Centro Multidisciplinar para o Desenvolvimento de Materiais Cerâmicos (CMDMC), um dos centros de excelência da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), e é dirigido pelo pesquisador Elson Longo.

3 (a) (b) Morfologia de nano-pós de ferritas de níquel-zinco (a) e material magnético processado a partir dessas nanopartículas (b) Os nanocompósitos (material constituído por mais de um componente ou fase) são desenvolvidos para utilização em catalisadores aplicados nas indústrias petroquímica, de alimentos e farmacêutica. Esses catalisadores atuam, por exemplo, na transformação do metano em hidrogênio e monóxido de carbono, importantes reagentes químicos que podem ser utilizados posteriormente. Normalmente, os catalisadores são constituídos de partículas metálicas suportadas em óxidos metálicos. Para esse tipo de material, caso a reação não seja feita de forma adequada, o excesso de carbono pode travar o processo (envenenar o catalisador), em razão da formação de nanotubos de carbono. O que é pesquisado no Liec, sob a coordenação de Edson Roberto Leite, é um nanocompósito, a ser utilizado no catalisador, no qual as partículas metálicas ficam protegidas em uma matriz cerâmica. Além de evitar a formação dos nanotubos, o nanocompósito faz com que o catalisador tenha vida útil de maior duração (pelo menos 50% a mais que os catalisadores comuns). Catalisadores utilizados principalmente na indústria farmacêutica ficam mais eficientes e baratos A cerâmica utilizada como base é formada por uma matriz de sílica ou dióxido de silício amorfo, nanoporosa com nanopartículas metálicas de níquel dentro dos poros. Há também o óxido de alumínio, que tem como principal função inibir a formação de carbono e que, como conseqüência, torna o catalisador mais resistente. Mas o grande diferencial da pesquisa diz respeito à sua fabricação. Para isto, foi desenvolvida uma nova rota de síntese baseada em um polímero obtido a partir do ácido cítrico (encontrado no limão e na laranja). A maior vantagem de sua aplicação é que o material é processado em uma única etapa de tratamento térmico, enquanto as demais opções exigem no mínimo duas. Com essa nova rota, denominada sol-gel, baseada em síntese em solução, dois problemas presentes nas nanopartículas metálicas são resolvidos: a aglomeração e a formação superficial de óxidos. Isto significa que as nanopartículas de níquel ficam isoladas e sem a possibilidade de criar a camada superficial de óxido. Além de tornar o processo mais rápido, a utilização da rota sol-gel diminui o custo do material em razão da utilização de reagentes baratos, como o ácido cítrico, o etanol e nitratos. Os testes indicaram que os nanocompósitos processados por essa nova rota de síntese são excelentes catalisadores para reações orgânicas, utilizados principalmente pela indústria farmacêutica e para a geração de hidrogênio, pela oxidação do metanol. Nanopartículas - Outra área que o Liec vem pesquisando há três anos é a produção de partículas de óxido em escala nanométrica, ou seja, de 2 a 10 nanômetros. De acordo com Edson Leite, os óxidos nessa escala são mais difíceis de serem produzidos, porque para cristalização do material desejado é necessária, normalmente, uma temperatura elevada de tratamento térmico (acima de 400 C), provocando o crescimento e aglomeração das nanopartículas. Para a concretização do 39

4 40 novo processo, foi necessário criar um método de síntese, ou método coloidal, obtido a partir da hidrólise controlada do cloreto de estanho, que possibilita a síntese de SnO 2 (óxido de estanho) a temperatura ambiente. Como as nanopartículas crescem com o aumento de temperatura, a solução foi dopá-las (modificar a composição química de forma controlada) da seguinte maneira: provoca-se uma reação química de cloreto de estanho com ácido cítrico e adicionam-se cloretos de terras raras (como cério, lantânio ou ítrio), formando um composto organometálico. A mistura é então polimerizada em escala molecular e passa por uma queima controlada, o que faz com que as moléculas se transformem em um óxido de estanho com propriedades diferenciadas. Esse tipo de material pode ser utilizado nos sensores de controle ou narizes eletrônicos, como são chamados para a obtenção da concentração de gases explosivos em um ambiente, como o metano e o metanol. Os atuais sensores trabalham em temperaturas de cerca de 300 C. O material utilizado tem de ser estável, e é aí que entra o uso do dopante com o objetivo de mantê-lo nanoestruturado e com a função de sensor. Além do cloreto de terras raras, o antimônio também pode ser utilizado como dopante. No sistema estanhoantimônio, ele proporciona condutividade elétrica ao óxido de estanho. A união desses elementos permite a obtenção de um material transparente, condutor de eletricidade e de alta estabilidade térmica. Além dos sensores eletrônicos, as nanopartículas também podem ser utilizadas para a fabricação de mostradores de cristal líquido, catalisadores, células solares, dispositivos óptico-eletrônicos e como desembaçadores de vidros de automóveis. Nanopartículas são utilizadas em sensores de gases explosivos, mostradores de cristal líquido, catalisadores, células solares, dispositivos ópticos eletrônicos e como desembaçadores de vidros de automóveis Os materiais hoje utilizados para a confecção de mostradores de cristal líquido (polímeros que necessitam de potencial elétrico para fazer a mudança de cor) são conseguidos pela utilização do método de fases de vapor, o que torna o processo mais caro e dificulta o depósito do material em um substrato flexível, principalmente pela necessidade de alta temperatura e alto vácuo. No método desenvolvido no Liec, como as nanopartículas são conseguidas a baixa temperatura, elas podem ser depositadas em uma superfície 100% flexível. Nanofitas e nanofios - A definição é simples: material constituído de óxido de estanho na forma de fita ou de fio com dimensões nanométricas. No caso da fita, a espessura é de cerca de 10 nanômetros, com comprimento na ordem de um micrômetro (mil vezes maior que o nanômetro) e largura de 20 a 50 nanômetros. O fio (forma cilíndrica) tem diâmetro da ordem de 10 nanômetros e comprimento na escala de micrômetros. Por apresentar boa condutividade elétrica e térmica, o material pode ser utilizado para modificar essas propriedades em matrizes cerâmicas ou poliméricas. O polímero, por exemplo, é isolante, ou seja, não apresenta condutividade elétrica e térmica. A principal aplicação desses materiais é na área da eletrônica. Como sensor, o material detecta gases poluentes prejudiciais ao ser humano, como o óxido nitroso. Em vidros, as nanofitas são responsáveis pelos desvios de trincas. Nos choques térmicos (quando uma face é exposta a alta temperatura, expandindose, enquanto a outra não sofre a mesma expansão), que resultam na quebra do vidro, a nanofita dissipa o calor por toda a superfície e evita o rompimento. Nanomateriais - Diminuir a escala microestrutural para obter ganho em propriedades de ligas metálicas. Com esse objetivo principal, os pesquisadores Claudemiro Bolfarini, Claudio Shyinti Kiminami e Walter José Botta Filho, do Departamento de Engenharia de Materiais (DEMa) da UFSCar, desenvolvem, desde 1994, estudos na área de nanomateriais. Para a obtenção desses materiais, os pesquisadores controlam todas as etapas de desenvolvimento da microestrutura, incluindo a composição dos materiais, o processamento e a caracterização. A maioria das ligas metálicas convencionais é formada por regiões cristalinas que podem aparecer em volumes homogêneos e contínuos, como grãos e partículas. O tamanho varia de poucos micrômetros a poucos milímetros. Aí entra o diferencial da pesquisa: reduzir o tamanho de alguns desses componentes estruturais à dimensão nanométrica (10-9 m), para então combiná-los, de modos diversos, e obter novos materiais com propriedades diferentes. Os pesquisadores trabalham, principalmente, com duas propriedades de

5 41 interesse: magnética e mecânica. Nos materiais com propriedades magnéticas, ligas a base de ferro são processadas por meio do resfriamento do metal líquido a taxas de mais de um milhão de graus por segundo. Pela combinação da composição adequada e resfriamento muito rápido, o metal solidifica-se mantendo a mesma estrutura existente no líquido, a estrutura amorfa. Fitas longas com 50 micrômetros de espessura são assim produzidas e, após um tratamento térmico que induz a formação de cristais em tamanhos nanométricos na matriz amorfa, propriedades magnéticas excepcionais são alcançadas. Entre as várias aplicações desse novo material estão sensores anti-roubo, blindagem magnética, núcleos de transformadores e cabeçotes magnéticos de leitores de CDs. Nas ligas com propriedades mecânicas, sendo as aplicações voltadas para componentes estruturais, além dos desafios de composição química e microestrutura, tem-se o da fabricação de peças com dimensões maiores do que as das fitas magnéticas. A rota de produção em desenvolvimento é a da fabricação de pós, com sua consolidação posterior em peças cilíndricas com até alguns centímetros de diâmetro. A adição ao alumínio de elementos como os da família terras raras, nióbio e zircônio possibilita a produção de pós com tamanho de alguns micrômetros, com estruturas amorfas ou metaestáveis. O processamento é feito no Laboratório de Fundição do DEMa, por meio da atomização da liga a partir do estado fundido ou moído com altíssimas energias de impacto. O maior desafio tecnológico está na etapa de consolidação. Para isto, estão sendo usados os processos de extrusão a quente e deformação plástica severa por torção, ambos em equipamentos construídos e montados pelo próprio grupo de pesquisa. O controle adequado dos parâmetros durante esses processos de consolidação resulta na fabricação de peças com microestruturas diferentes das convencionais, sendo formados cristais em tamanho nanométrico e de fases amorfas e metaestáveis. Essas microestruturas especiais resultam em propriedades mecânicas também excepcionais, superiores às das ligas de alumínio convencionais e comparáveis aos aços. A combinação da alta resistência mecânica com baixa densidade do alumínio, alta resistência ao Nanomateriais: sensores anti-roubo, blindagem magnética, núcleos de transformadores e cabeçotes magnéticos de leitores de CD Elson Longo (esq.) e Edson Roberto Leite, do LIEC, que realiza pesquisas em nanocompósitos, nanopartículas e nanocristais; e material 1D (nanofitas e nanofios) desgaste, alta resistência mecânica a altas temperaturas e boa usinabilidade (capacidade do material se deixar trabalhar através dos processos de usinagem torneamento, frezamento, furação etc.) torna esses materiais uma ótima opção para a fabricação de peças de sistemas de transporte, com aumento de eficiência de produção e economia de energia. Combustão - Os estudos na área de nanotecnologia não param por aí. Desde 1995, o grupo do Laboratório de Síntese e Processamento de Materiais Cerâmicos (formado pelos pesquisadores Ruth Herta Goldschmidt A. Kiminami e Márcio Raymundo Morelli, ambos do DEMa, e 13 alunos de graduação e pós-graduação) realiza pesquisas para a obtenção de síntese de nano-pós cerâmicos, por meio da técnica de reação por combustão. O grupo é reconhecido internacionalmente pelo uso desse método de síntese. De acordo com Ruth, existem várias técnicas que podem ser utilizadas para a obtenção de resultados

6 42 semelhantes; entretanto, o custo, o tempo da reação e a quantidade de material sintetizado são os responsáveis pelo grande destaque da técnica de reação por combustão. Antes de ser utilizada pelo grupo, essa técnica já era citada em revistas científicas, mas não da mesma forma desenvolvida na UFSCar. A síntese por reação de combustão, também conhecida como síntese autopropagante, é uma técnica de processamento por meio da qual reações exotérmicas são usadas para produzir uma variedade de pós cerâmicos. O processo é baseado no princípio de que, uma vez iniciada por uma fonte externa, uma reação exotérmica muito rápida ocorre, tornando-se autosustentável e resultando em um produto final (no caso, um óxido) dentro de um curto período de tempo. A técnica é uma maneira fácil, segura e rápida de produzir pós cerâmicos e suas principais vantagens são requerer menos energia que os processos de sintetização convencionais e ter o tempo de procesda esq. para a dir.: Claudio Shyinti Kiminami, Claudemiro Bolfarini e Walter José Botta Filho, pesquisadores do DEMa/ UFSCar que desde 1994 desenvolvem estudos na área de nanomateriais samento reduzido para poucos minutos (cerca de cinco). Além disso, ela apresenta outras características interessantes, como simplicidade (uma vez que é realizada em uma única etapa), custo relativamente baixo e o fato de normalmente levar a produtos com a estrutura e a composição desejadas, devido à elevada homogeneização favorecida pela solubilidade dos sais em água. Assim, permite o controle da composição química, do tamanho e da forma das partículas e da distribuição granulométrica. O domínio dessas variáveis possibilita o controle da microestrutura cerâmica sinterizada, levando a um corpo com propriedades físicas reprodutíveis. Possibilidades - Entre os tipos de materiais desenvolvidos pelo grupo estão as ferritas de níquel-zinco, varistores de óxido de zinco, aluminas, mulita, aluminatos de níquel, cromatos de lantânio, titanatos de alumina e sistemas ferroelétricos A ferrita níquel-zinco é uma das ferritas do tipo espinélio mais estu- dadas, principalmente, devido às suas aplicações na indústria eletro-eletrônica, em dispositivos magnéticos de alta resistividade em telecomunicações e entretenimentos eletrônicos. As propriedades elétricas e magnéticas específicas desejáveis nesses materiais dependem, em grande parte, das características originais dos pós utilizados (forma, tamanho médio e distribuição das partículas e grau de aglomeração, entre outras), as quais influenciam na densificação e microestrutura do produto final. Por outro lado, essas propriedades dependem fortemente do estado de oxidação e distribuição dos cátions nos sítios tetraédricos e octaédricos na rede cristalina. Ruth explica que a principal variação nas propriedades magnéticas, nas partículas nanométricas, ocorre na estrutura de domínios, regiões que diferem entre si pela direção dos momentos magnéticos (que se orientam naturalmente para diminuir a energia do sistema). Abaixo de um determinado tamanho, considerado Fitas metálicas são processadas no Laboratório de Materiais Amorfos e Nanocristalinos do DEMa através do resfriamento do metal líquido com taxas superiores a um milhão de graus por segundo

7 43 Márcio Morelli e Ruth Kiminami: grupo é reconhecido internacionalmente pela utilização da reação por combustão para a síntese de nano-pós crítico e que depende da constante de anisotropia (qualidade de certas substâncias de reagir diferentemente segundo a direção de propagação de um determinado fenômeno físico), da magnetização e da forma da partícula, os materiais magnéticos são considerados de monodomínio (estado de menor energia). A alumina apresenta algumas propriedades especiais, como alta dureza, alta resistência mecânica e boa resistência a choque térmico, o que possibilita que seja aplicada em várias áreas, principalmente em produtos químicos, farmacêuticos, catalisadores, plásticos, pigmentos, substitutos sintéticos, papéis, cerâmicos aluminosos, refratários, isolantes, abrasivos e eletrônicos, entre outros. Já o aluminato de níquel, um óxido de cátions mistos, quando totalmente cristalino, apresenta uma coloração verde-azulada, o que o torna promissor no uso como pigmento. O grupo vem pesquisando também, em parceria com José Antonio Eiras e Ducinei Garcia, do Depar- tamento de Física (DF), os sistemas ferroelétricos cerâmicos. Entre suas vantagens estão a facilidade de produção, a variedade de formas e tamanhos, a diversidade de composições e a possibilidade de se determinar o eixo de polarização macroscópico (definido pela direção do campo elétrico externo durante o processo de polarização). O processamento desses materiais envolve duas etapas: a síntese dos pós e a sinterização (queima que favorece a densificação e o aumento da resistência mecânica) do material conformado. A técnica que vem sendo estudada na síntese desses materiais para a obtenção de nano-pós também é a reação por combustão, na qual a composição desejada vem sendo obtida com alta homogeneidade química e controle da estrutura cristalina. Os produtos podem ser utilizados na fabricação de dielétricos de alta permissividade (capacitores), sensores piroelétricos (sensores de radiação), dispositivos piezoelétricos (de geração e/ou detecção de ultra- Ligas metálicas em dimensões nanométricas alcançam propriedades magnéticas e mecânicas excepcionais som), componentes eletro-ópticos (janelas ópticas) e elementos com coeficiente de resistividade positiva, entre outras aplicações. Além disso, o grupo vem trabalhando com Ana Cristina F. de Melo Costa, da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), na síntese de nano-pós pela técnica de reação por combustão em ferritas moles, cromatos, óxidos de titânio e aluminatos de zinco, entre outros. O óxido de titânio puro, por exemplo, é um dos mais importantes pigmentos brancos utilizados na produção de tintas, plásticos, borrachas, papel, produtos têxteis e suportes catalíticos.

8 44 Plano estabelece prioridades em nanotecnologia até 2007 Em 2002, mais de 300 pesquisadores publicaram cerca de mil artigos e depositaram 20 patentes na área de nanotecnologia Gilberto Sá: O investimento em nanotecnologia é obrigatório, porque ela está afetando produtos e processos em praticamente todos os setores da economia A nanotecnologia representa não só uma oportunidade, mas também uma ameaça aos países em desenvolvimento. Aqueles que não souberem aproveitar a nova tecnologia poderão ver seus produtos perderem competitividade no mercado mundial. O investimento em nanotecnologia é obrigatório, porque ela está afetando produtos e processos em praticamente todos os setores da economia, especialmente na indústria, argumenta Gilberto Sá, assessor do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT). Nesse sentido, foi elaborado no ano passado, por solicitação do Ministério, um projeto referente à criação do Programa Nacional de Nanotecnologia, coordenado pelo pesquisador Cylon Gonçalves da Silva, do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron. Seu foco principal era a conquista de uma fatia do mercado global de materiais, produtos e processos baseados em nanotecnologia, o que implicaria investimentos em formação de recursos humanos, pesquisa e inovação, bem como a criação de novas empresas e a ampliação das áreas de atuação da indústria nacional. Para atingir essas metas, foram definidos seis objetivos: mapear o potencial brasileiro em nanotecnologia, explorar as parcerias e sinergias potenciais, identificar as oportunidades, definir os recursos necessários, estabelecer prioridades e alavancar investimentos. Porém, o projeto foi abandonado pelo atual governo que, em maio deste ano, criou uma comissão responsável pela elaboração de um novo programa, concluído em outubro, que estabelece metas e prioridades a serem implementadas no período de 2004 a Precisávamos de um programa objetivo e claro, com propostas bem definidas. Por isso, houve a decisão de dialogar com um número maior de cientistas e profissionais que trabalham em nanotecnologia e que têm uma produção científica e tecnológica nessa área, para elaborar um programa que esteja no mesmo padrão dos melhores programas de C&T&I que este país já teve, explica Sá, que coordenou a comissão. O objetivo geral do novo programa, relata o coordenador, é criar e desenvolver novos produtos e processos, implementando-os para aumentar a competitividade da indústria nacional e capacitando pessoal para o aproveitamento das oportunidades econômicas, tecnológicas e científicas da nanotecnologia. Dados do MCT mostram que, em 2002, mais de 300 cientistas publicaram cerca de mil artigos científicos e depositaram 20 patentes relacionadas à área de nanotecnologia. Além desse objetivo, estão previstos programas específicos nas seguintes áreas: geração de novos conhecimentos; desenvolvimento tecnológico e inovação; formação de recursos humanos em alta tecnologia; formação e manutenção de uma rede nacional de laboratórios e facilidades de pesquisa; execução de projetos de pesquisa, desenvolvimento e inovação, enfatizando os que favoreçam a interação e sinergia entre os laboratórios de pesquisa e o setor produtivo; e criação de empresas inovadoras; entre outros. Assim, o governo pretende impulsionar vários setores da economia, entre eles o de eletro-eletrônica, o de veículos e equipamentos de transportes, o de tecnologia da informação, o de química e petroquímica e o de biomedicina e terapêutica. A previsão é de investimentos de R$ 77,7 milhões na área nos próximos quatro anos. Os Estados Unidos, só no ano passado, destinaram US$ 1,5 bilhão para pesquisas em nanotecnologia, sendo que os governos federal e estaduais investiram US$ 900 milhões e as empresas US$ 600 milhões. Uma característica do programa é a formulação de propostas realistas e exeqüíveis e uma ação sistêmica que crie um ambiente estimulante para as parcerias de inovação, finaliza Sá.