CAPA

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Átomos de ouro entram no circuito

Descobertas sobre nanofios impulsionam a pesquisa de chips para computadores que operam em escala molecular

ED. 72 | FEVEREIRO 2002

 

Raramente a teoria e a experiência se integraram tão bem. No dia 17 de dezembro do ano passado, três físicos brasileiros assinaram o artigo de capa da Physical Review Letters, uma das mais importantes revistas especializadas de física no mundo. Em quatro páginas, descrevem as descobertas sobre o comportamento dos átomos de nanofios de ouro, estruturas que medem bilionésimos do metro e representam um material estratégico para a fabricação de componentes para a próxima geração de computadores, que nas próximas décadas devem ocupar o lugar dos atuais, à base de silício.

Os resultados se assentam sobre os dados acumulados desde o dia 20 de outubro de 1999, quando pesquisadores do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, em Campinas, ajustaram o foco de um microscópio eletrônico de alta resolução, com um poder de ampliação de 1,2 milhão de vezes, e observaram pela primeira vez o rompimento de nanofios de ouro. Muito provavelmente, é a primeira vez que a revista concede seu espaço de maior destaque a um trabalho de pesquisadores brasileiros.

Nas quatro páginas do artigo, intitulado How Do Gold Nanowires Break? (Como se Rompem os Nanofios de Ouro?), Edison Zacarias da Silva, da Universidade de Campinas (Unicamp), e Adalberto Fazzio e Antônio José Roque da Silva, ambos da Universidade de São Paulo (USP), mostram, por meio de uma simulação em computador, a formação e a evolução das estruturas que aparecem no fio de ouro antes e depois da ruptura. A seqüência, descrita passo a passo, exibe um detalhamento impossível de ser obtido no microscópio eletrônico, dadas as proporções do próprio átomo, mesmo o de ouro, de porte intermediário, com 79 elétrons ao redor do núcleo, e as limitações dos equipamentos.

“Queríamos contribuir para a interpretação dos experimentos e entender os mecanismos envolvidos no processo dinâmico que leva à formação da linha de átomos e finalmente à sua ruptura”, diz Zacarias. Conhecer esses processos é importante por uma razão básica: o ouro, devido a suas características – sobretudo a capacidade de não reagir com o oxigênio e de poder ser estirado longamente sem se partir, a chamada ductilidade -, é visto como o melhor material para formar os contatos elétricos entre os novos dispositivos a serem criados para substituir os chips de silício, hoje o material básico dos atuais computadores. As perspectivas se apóiam nas descobertas, feitas na década de 90, de que as moléculas conseguem conduzir eletricidade do mesmo modo que os fios e os próprios semicondutores.

As máquinas de hoje já são vistas como seres em extinção. “A física do silício, que provê todos os computadores atuais, está com os dias contados”, comenta Fazzio. “Talvez a miniaturização baseada no silício perdure por mais 10 ou 15 anos, mas dificilmente passará disso.” Num artigo publicado também em dezembro na revista Nanotechnology, Ramón Campañó, diretor-geral do programa europeu de desenvolvimento de nanocircuitos, pondera que a chamada Lei de Moore, segundo a qual a capacidade dos microprocessadores dobra em períodos de 18 a 24 meses, foi válida durante 30 anos, mas não há mais como se manter.

Rapidez e velocidade
Uma das formas mais adotadas de aumentar a rapidez e a velocidade dos computadores tem sido diminuir o tamanho dos transistores, as unidades que processam as informações. Hoje, cabem cerca de 40 milhões de transistores em um chip do tamanho de um selo. Cada um deles é 60 mil vezes maior que uma molécula – indicação de que não será fácil passar da microeletrônica para a nanoeletrônica, na qual a informação corre numa dimensão de bilionésimos do metro, de um átomo a outro (um nanômetro corresponde a um bilionésimo do metro).

Imagina-se que, quanto menor, melhor. Os chips da próxima geração terão de ser centenas de vezes menores que os atuais. Calcula-se que suas dimensões fiquem na faixa de 10 a 1.000 angströns, no máximo – o angströn é um décimo bilionésimo de metro, o equivalente ao diâmetro de um átomo médio. É provável que, nos contatos para a transmissão da corrente elétrica, o computador das próximas décadas adote pelo menos uma das formas de pontas dos nanofios, que representa um dos principais achados científicos do trabalho dos pesquisadores da USP e Unicamp: o chapéu francês, como foi batizado pelos pesquisadores.

É um arranjo de átomos em forma de trapézio, com dois hexágonos (cada ponto corresponde a um átomo) nos lados e um na base, que lembra o chapéu feito com uma folha de jornal dobrada, adotado nas antigas brincadeiras de crianças. Os físicos concluíram que se trata de uma das formas mais estáveis do nanofio de ouro, que se forma momentos após o rompimento. Esse trabalho põe em evidência o valor científico da simulação computacional, a técnica que permitiu a análise do comportamento dos átomos.

A partir dos cálculos realizados nos computadores do Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho (Cenapad), em Campinas, analisados e visualizados nas estações de trabalho da Unicamp e USP, os físicos puderam não apenas reproduzir e explicar, com admirável precisão, os resultados que emergem da observação direta dos átomos no microscópio, mas também conseguiram informações novas sobre as formas inusitadas de organização dos átomos, a exemplo do próprio chapéu francês, que escapa à observação experimental.

Com esses resultados, os físicos abriram simultaneamente uma larga porta para uma nova atuação da simulação em computador, que pode também se antecipar à própria experimentação e permitir, entre outras coisas, economia de tempo e dinheiro: tal qual os químicos e biólogos, que já se valem de computadores para projetar medicamentos, molécula por molécula, na área de pesquisa cunhada de alquimia virtual, os físicos logo poderão se sentir à vontade para projetar materiais em escala atômica. Manipular átomos e construir moléculas é a essência da nanotecnologia, uma área de fronteira que mobiliza o mundo.

Na física, uma das frentes principais da nanotecnologia é justamente a substituição do silício. Em seu lugar, de acordo com as pesquisas em andamento, podem ser usados nanotubos de carbono e moléculas orgânicas como os fulerenos ou buckyballs, moléculas de forma geodésica formada por 60 átomos de carbono. As descobertas se intensificam. Em agosto do ano passado, pesquisadores da IBM anunciaram um circuito semicondutor feito com nanotubos de carbono. Em novembro, a revista Science registrava o desenvolvimento de transistores montados com moléculas orgânicas unidas por pontas de ouro.

O artigo de dezembro sobre os nanofios não foi o único dos pesquisadores da USP e da Unicamp na Physical Review Letters, embora tenha sido o de maior destaque. Em 2001, o grupo liderado por Fazzio publicou outros dois trabalhos nessa mesma revista sobre propriedades eletrônicas e estruturais de materiais, além de quase 20 em revistas internacionais, em colaboração com pesquisadores da Unicamp e das universidades federais de Santa Maria (UFSM), no Rio Grande do Sul, e de Uberlândia (UFU).

Outras descobertas brasileiras sobre nanofios de ouro – construídos em câmaras de vácuo ultra-alto – devem aparecer nos próximos meses, novamente na Physical Review Letters. Em um artigo já aceito para publicação, On the Origin of Anomalous Long Interatomic Distances in Suspended Gold Chains (Origem das Anômalas Distâncias Interatômicas Longas em Cadeias Suspensas de Ouro), Daniel Ugarte e Varlei Rodrigues, do LNLS, em colaboração com Sérgio Legoas e Douglas Galvão, da Unicamp, explicam por que a distância entre os átomos nos nanofios de ouro é maior do que no ouro, usado, por exemplo, para fazer jóias.

De acordo com os cálculos do grupo, nos nanofios podem existir átomos de carbono entre os de ouro, de modo que a distância seja maior que no ouro comum. Os intrusos justificariam até mesmo distâncias extremamente longas, de 5 angströns, enquanto para distâncias de 3 a 3,6 angströns podem coexistir situações com e sem carbono, os nanofios contaminados e os limpos. Nesse caso, tudo é resolvido matematicamente porque não há como identificar o carbono: por ter uma massa muito menor que a do ouro (tem apenas seis elétrons e, no núcleo, seis prótons), é transparente para o microscópio eletrônico de transmissão.

Buscava-se desde 1998 uma explicação para as distâncias interatômicas maiores do que o esperado. Foi nesse ano que pesquisadores do Japão descobriram que nos nanofios a distância entre os átomos de ouro, quando um se alinha ao lado do outro, momentos antes de se soltarem, pode chegar a 3,6 angströns – enquanto no ouro normal, o das joalherias, é de 2,9 angströns. No ano seguinte, a equipe do Centro de Microscopia Eletrônica de Alta Resolução do LNLS, que trabalha com nanofios de ouro, prata e platina desde 1995, conseguiu reproduzir o achado dos japoneses e foi além.

Num artigo publicado em 2000 na Physical Review Letters, o grupo do LNLS mostrou pela primeira vez que, antes da ruptura, os nanofios de ouro assumem somente três formas, cada uma delas com comportamentos mecânicos diferentes. Duas dessas formas são dúcteis: os nanofios são facilmente esticados, como goma de mascar. E uma é quebradiça: o nanofio se rompe facilmente quando esticado. “Esses resultados foram relacionados, com sucesso, com propriedades de resistência elétrica, não entendidas até então”, comenta Rodrigues.

Os mistérios se desfazem, mas o mundo nanométrico permanece intrigante, inteiramente imprevisível. Nessa escala, os nanofios não obedecem mais à clássica Lei de Ohm, um dos pilares básicos da microeletrônica, segundo a qual a intensidade da corrente elétrica varia linearmente, numa escala regular, de acordo com o diâmetro do fio. “No caso dos nanofios”, explica Ugarte, “a corrente apresenta patamares separados por saltos, ou seja, enquanto variamos o diâmetro do fio, a corrente fica em um valor fixo (patamar), e de repente dá um salto para outro patamar”.

Praça da Sé
Numa analogia, é como se os elétrons se convertessem em pessoas que devem atravessar um espaço e entregar um pacote, a corrente elétrica. Num primeiro momento, que equivale à escala microeletrônica e, de modo mais amplo, a qualquer fio elétrico, os elétrons-pessoas se movem com dificuldade em meio a uma multidão na Praça da Sé, centro de São Paulo. O número de elétrons-pessoas que consegue chegar do outro lado depende do tamanho da praça: se for maior, o número de cargas transportadas também crescerá, de modo contínuo. A entrada de mais portadores de pacotes nem é percebida – e sempre cabe mais um.

No segundo, a escala nanométrica, os elétrons-pessoas têm de atravessar corredores, nos quais podem avançar livremente. Mas em cada corredor só cabe um elétron-pessoa por vez. Primeiro segue um e depois outro, sucessivamente. Mais de um elétron-pessoa só pode avançar ao mesmo tempo se houver mais corredores – e só é possível perceber que se alterou a quantidade de cargas transportadas quando o espaço cresce exatamente na proporção de um corredor. A quantidade de pacotes (corrente elétrica) aumenta de modo descontínuo, aos saltos, à medida que os elétrons-pessoas ganham os corredores. Os físicos chamam de quantização esse avanço aos saltos, já observado experimentalmente.

Nos últimos anos, outros grupos tentaram entender o comportamento dos átomos já dispostos em linha, momentos antes do rompimento, mas não foi gratificante. Os físicos da USP e da Unicamp preferiram uma estratégia de mão cheia, se é que se pode dizer assim no caso de objetos tão minúsculos. “Buscamos uma forma mais realista, o próprio nanofio, imaginando que os átomos, de algum modo, deveriam guardar a lembrança de uma estrutura a que pertenceram”, diz Roque da Silva. Os átomos, que se mostram reais – na forma de pontos pretos – nos microscópios do LNLS, são representados por tabelas de números que saem dos computadores e indicam suas posições relativas ao longo do tempo. Só depois de feitos todos os cálculos, no final do trabalho, é que assumem a forma, inegavelmente mais compreensível, de bolinhas coloridas.

Na simulação por computador, os físicos partiram de uma estrutura análoga à do cristal de ouro, com um átomo em cada vértice de um hexágono regular e outro no centro – é a configuração mais compacta possível, com o maior número possível de elementos por unidade de espaço. Cada hexágono forma um plano. O empacotamento dessas figuras compõe o cristal, representado na simulação em computador por uma estrutura global de dez planos, com 70 átomos. Em seguida, os pesquisadores deixaram a estrutura se reconstruir segundo as equações da mecânica quântica, com os átomos buscando espontaneamente as posições de menor energia.

A redistribuição dos átomos origina o nanofio, uma estrutura tubular extremamente fina, cuja superfície, densa e compacta, composta pelas células de sete átomos, constitui a configuração de maior empacotamento atômico possível – não há outra forma geométrica que permita pôr mais átomos no mesmo espaço. Depois de darem as coordenadas para a formação do cristal, a única ordem que os pesquisadores deram ao computador foi aplicar uma força de tração às duas pontas, como se duas mãos puxassem o fio, a uma temperatura de aproximadamente 300oC.

Simulou-se desse modo o esticamento do nanofio, que no primeiro momento evita o rompimento imediato com o sacrifício de seu próprio recheio: os átomos do centro pulam para a superfície. Como resultado, o comprimento do fio aumenta. “Ninguém antes tinha visto o fio ficar oco”, comenta Roque da Silva.

Simetria perdida
Quando todos os átomos de dentro se esgotam, o nanofio se vê num beco sem saída: ou quebra ou afina. Prefere afinar e deixa de ser hexágono em um ponto não especificado, embora ainda procure preservar estruturas triangulares entre os átomos. Nesse ponto, surge um novo plano, o décimo primeiro, com apenas cinco átomos. Forma-se ali um defeito, uma região de instabilidade: é onde o fio vai afinar e, mais tarde, se romper.

Na porção não-defeituosa do fio, a simetria fez com que, apesar de tracionada, a estrutura se mantenha. Já na região de instabilidade, a deformação prossegue. De acordo com as análises realizadas, a estrutura passa por diversos estágios até chegar à configuração de um só átomo unindo duas pontas. Nesse estágio, fios de metais como o sódio se romperiam, mas não o de ouro: a ductilidade do metal nobre confere ao fio uma sobrevida, com a região crítica incorporando novos átomos, puxados das pontas, em seqüência linear.

Essa linha atômica, cujos átomos chegam a ficar 15% mais distantes do que no cristal de ouro, sustenta-se até incorporar apenas de quatro a cinco átomos – as distâncias entre eles também foram verificadas e, novamente, concordaram com os resultados experimentais. Mas os átomos alinhados não se sustentam: as tensões se tornam insuportáveis e o fio se rompe. Para os pesquisadores, uma das preocupações foi entender justamente as estruturas que se formam nas imediações do ponto de ruptura – são elas que possibilitam o contato do fio de ouro com os nanodispositivos e lhe conferem a perspectiva de aplicação tecnológica.

É nesse momento, logo após o fio se romper, que as duas pontas resultantes, com configurações muito simétricas e estáveis, formam a estrutura chamada de chapéu francês. Tamanha é a estabilidade dessa forma, segundo Roque da Silva, que nenhum átomo consegue mais sair da ponta para entrar no fio que ainda cresce. A constatação é sugestiva. “Pode ser que toda vez que o fio for puxado forme-se o chapéu francês nas pontas”, cogita ele.

Alcance amplo
Embora enfatize atualmente o estudo de fenômenos na escala atômica, a simulação em computador tem, geralmente, aplicações mais amplas. Em um dos artigos publicados no ano passado, Roque da Silva, Fazzio, o doutorando Gustavo Dalpian e Anderson Janotti, ex-doutorando da USP, simulam um experimento realizado em microscópio de tunelamento eletrônico, para entender como átomos de germânio se acumulam na superfície do silício – mais uma vez, apenas pela prática não tinha sido possível entender algumas estruturas que se formam após essa deposição. Os resultados a que chegaram beneficiam tanto a microeletrônica atual quanto o aperfeiçoamento de células solares, utilizadas como fonte de energia elétrica.

No momento, os pesquisadores estudam o transporte de corrente elétrica entre, por exemplo, os nanofios de ouro e os nanotubos de carbono. Além, evidentemente, das descobertas que possam fazer sobre o comportamento dos átomos, de caráter puramente científico, a aplicação dos resultados também os inquieta. “Temos algoritmos para soluções de equações da mecânica quântica que nos dão confiança no desenho de novos materiais no computador e no planejamento de experimentos mais baratos, com resultados bastante confiáveis”, comenta Fazzio. “A simulação computacional pode ser decisiva no estudo de nanomateriais, não só na nanoeletrônica, mas também na nanoquímica e na nanobiologia.

O Brasil perdeu a oportunidade de se tornar independente na microeletrônica, quase não produz chips, mas ainda temos alguma chance na nanotecnologia, porque ninguém sabe exatamente qual material vai substituir o silício. Esse é o momento da escolha.” Evidentemente, não basta somente a ciência fundamental. Por essa razão é que Fazzio considera indispensável o engajamento de engenheiros e de empresas no nanomundo, já que o enredo científico está pronto. Teoricamente, a partir do conhecimento detalhado da geometria das pontas dos nanofios de ouro, pode-se pensar em aplicar uma diferença de potencial elétrico (cargas mais intensas de um lado e menos de outro) entre os fios.

O dispositivo funciona como um transistor de uma só molécula, no qual passa um único elétron (a carga elétrica mínima) de cada vez. Se à passagem do elétron for associado o número 1 e à não-passagem o número 0, estarão criadas as condições mínimas para o sistema operar uma linguagem binária. Embora ainda se esteja longe de compreender toda a física envolvida no processo, pode-se imaginar seu desdobramento prático: um conjunto desses dispositivos pode compor o futuro nanochip.

Os quatro centros da nanorrede brasileira
Começam a operar este ano os quatro centros de pesquisa selecionados em dezembro pelo Programa Nacional de Nanociências e Nanotecnologia, criado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e lançado em novembro de 2000 para definir os rumos de atuação do país numa área considerada estratégica.

O primeiro deles encontra-se na Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), será coordenado por Israel Baumvol e incorpora as propostas do LNLS e do grupo da Universidade Federal de Minas Gerais; outro está centrado na Unicamp, liderado por Nélson Durán; e os dois outros estão na Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), coordenados por Eronides Felisberto da Silva Junior e Oscar Loureiro Malta.

Os centros deverão funcionar em rede, em conjunto com cerca de 40 instituições de pesquisa do Brasil e seis do exterior, além de duas empresas (France Telecom e PQSD – Ponto Quântico Sensores e Densímetros), em atividades que incluem o desenvolvimento de nanotubos de carbono, cerâmicas, materiais semicondutores, peneiras moleculares e medicamentos. São objetivos tão amplos quanto a própria nanotecnologia, uma área que prevê, por exemplo, a criação de adesivos que possam colar ponto a ponto uma superfície em outra e drogas que atuem no organismo com precisão inimaginável.

“Pelo menos não seremos espectadores”, pondera Celso Pinto de Melo, coordenador do programa nacional e pesquisador da UFPE. “Temos condições de entrar no jogo.” Segundo ele, o Brasil deve investir este ano cerca de R$ 3 milhões (pouco mais de US$ 1 milhão) e adotar uma estratégia similar à do modelo alemão, que, com um orçamento da ordem de dezenas de milhões de dólares, resolveu criar ou consolidar centros de excelência nas principais vertentes da nanotecnologia. Os Estados Unidos já buscam a liderança, com recursos crescentes para as pesquisas em nanotecnologia: US$ 270 milhões em 2000, US$ 422 milhões em 2001 e US$ 520 milhões (ainda sujeitos à aprovação) em 2002.

Outra iniciativa brasileira é a implantação do Centro Nacional de Referência em Nanotecnologia. Cylon Gonçalves da Silva, que até julho do ano passado dirigia o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, mantido pelo Ministério da Ciência e Tecnologia, é quem está cuidando do planejamento, que pretende concluir ainda este semestre.

Segundo ele, o centro vai atuar em poucas áreas, que possam conectar as instituições de pesquisa e as indústrias, de modo a beneficiar o desenvolvimento econômico do país. “Temos habilidade em unir pesquisa teórica e experimental”, diz. “O desafio é fazer com que a pesquisa fundamental e a inovação andem de braços dados.” O centro, cuja montagem conta este ano com recursos da ordem de U$ 3 milhões, deve começar a operar em 2003.

O desejo dos físicos
Todo físico do mundo deseja ver sua pesquisa publicada na Physical Review Letters ou simplesmente PRL, uma das mais – se não a mais – importante revista científica nessa área. Mas não é nada fácil. O prestígio dessa publicação, editada pela American Physical Society (APS), dos Estados Unidos, assenta-se em uma rigorosa seleção dos artigos.

“A Physical Review Letters só aceita trabalhos que realmente representem avanços relevantes”, reitera José Roberto Leite, presidente da Sociedade Brasileira de Física (SBF). Desde 1988, o índice de aceitação de trabalhos para publicação oscila entre 37% e 41% ao ano. Em 2001, saíram 71 artigos de pesquisadores de instituições brasileiras na PRL. Desse total, 30 eram de São Paulo.

A revista começou a circular em 1º- de julho de 1958, com o objetivo de divulgar resultados de pesquisa de interesse geral para os físicos de qualquer área – da atomística à cosmologia. Não parou mais de crescer, atingiu em 1999 o recorde de artigos publicados em um ano (2.800, escolhidos entre os 7.650 recebidos) e prepara-se para se superar este ano, ao prever a publicação de 3.100 artigos e de 11.800 páginas ao longo de suas 52 edições. Seu índice de impacto – que dá a dimensão da importância da revista no meio científico, medida pelo número de citações dividido pelo número de artigos publicados – é de 6,10, um dos mais altos na área de física.

Não se recomenda chamar a publicação apenas de Physical Review por causa das outras publicações da American Physical Society, que publica também as Physical Review A, B, C, D e E , destinadas à divulgação de resultados de pesquisas em áreas ainda mais específicas, a Physical Review Special Topics e a Review of Modern Physics.

Os projetos
1. 
Centro de Microscopia Eletrônica de Alta Resolução (96/04241-5); Modalidade: Programa de Infra-Estrutura – Equipamento Multiusuário; Coordenador: Daniel Mário Ugarte – Laboratório Nacional de Luz Síncrotron; Investimento: R$ 5.075.635,07
2. Estudos de Materiais: Propriedades Eletrônicas e Estruturais (98/16536-5); Modalidade: Linha regular de auxílio à pesquisa; Coordenador: Adalberto Fazzio – Instituto de Física da USP; Investimento: R$ 143.061,48


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