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Física

A dança dos metais

Observada pela primeira vez na menor escala possível, liga de ouro e prata revela comportamento inesperado dos átomos

FERNANDO SATOCiência e arte: simulações mostram como se formam e se rompem ligações entre átomosFERNANDO SATO

Uma finíssima lâmina de ouro e prata puxada pelas pontas se estica e afina no meio, até que não tem mais como estreitar e se rompe. Observada em um microscópio eletrônico, essa imagem em movimento, que lembra o queijo derretido que se estica entre a mordida e o misto-quente, não tem nada de banal. Ela revela o que acontece com a lâmina no nível dos átomos, as unidades que compõem a matéria. À medida que a lâmina se estica, ligações entre átomos se rompem e outras se formam, numa dança serpenteante, até que resta um fio de apenas um átomo de espessura. Esses átomos enfileirados um a um parecem um colar de pérolas – um colar efêmero e minúsculo, formado por três átomos, que dura só três segundos.

Daniel Ugarte, físico experimental da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas, é um dos poucos que já tiveram o privilégio de observar um fenômeno tão raro e fugaz. Sua colaboração com o grupo de físicos teóricos liderado por Douglas Galvão, também da Unicamp, é responsável por grandes avanços no estudo de como metais se comportam na escala nanométrica, do milionésimo do milímetro. Só depois de compreendido o funcionamento dos materiais nessa escala é que será possível utilizá-los para fins tecnológicos.

Ugarte e Galvão já sabiam que ouro e prata em seu estado puro se comportam de forma distinta pouco antes de se romper. Ambos podem formar o fio com a espessura de um átomo – ou cadeias atômicas suspensas – quando tracionados em direções diferentes, específicas para cada metal. Recentemente, Galvão e seu doutorando Fernando Sato, em colaboração com Pablo Coura e Sócrates Dantas, da Universidade Federal de Juiz de Fora, exploraram novas fronteiras ao simular em computador o comportamento de ligas de ouro e prata, com proporções variadas dos dois metais. Ao ver os resultados, Ugarte percebeu algo intrigante: em boa parte dos casos, a liga se comportava como ouro puro.

A equipe teórica voltou então a analisar suas animações e viu que os átomos de ouro migram para a região cada vez mais fina do metal esticado, em vez de se manterem espalhados de forma homogênea pela folha metálica. A cadeia atômica suspensa, portanto, quase só contém ouro. “Só quando constitui pelo menos 80% da liga é que a prata começa a expressar suas propriedades”, diz Ugarte, que com seus colegas relatou esses resultados inesperados na edição de dezembro da revista científica Nature Nanotechnology.

Teoria e prática
A colaboração entre Ugarte e Galvão começou em 2001 e envolve a rara conjunção de mentes teóricas e experimentais, além de ferramentas que permitem uma investigação completa, como simulações em computador, microscopia, cristalografia e medição do transporte de corrente elétrica. Cada uma dessas técnicas permite investigar um aspecto diferente dessas estruturas tão pequenas: a imagem no microscópio mostra os átomos em movimento, mas não distingue com certeza os de ouro dos de prata; a cristalografia descreve a conformação espacial dos átomos, mas não informa nada sobre as propriedades de transporte elétrico do material. É a concordância entre os resultados obtidos pelas áreas e instrumentos diferentes que dá força às descobertas da equipe e desvenda aquilo que um olhar isolado não consegue distinguir.

Como as ligas metálicas não se comportam como metais puros (veja Pesquisa FAPESP nº 72), estudar misturas traz novidades que poderão, no futuro, ajudar a tornar a eletrônica na escala molecular uma realidade. O maior desafio à produção de ligas é imposto pelas propriedades atômicas dos materiais, que se forem muito diferentes impedem um encaixe harmonioso entre os átomos. Sato explica que o bom relacionamento entre metais depende da distância entre dois átomos no metal puro, que é específica para cada elemento. Como os átomos do ouro e da prata se organizam com distâncias parecidas, a liga que une esses dois metais é estável e mais fácil de criar, e em algumas proporções – como três átomos de ouro para um de prata – pode até existir espontaneamente na natureza.

Outra observação inesperada nas simulações de Galvão e Sato foi a estrutura que aparece nas imagens destas páginas. Se a liga contém menos de 10% de ouro, átomos de prata se organizam em pentágonos em torno dos de ouro, formando um fio de ouro encapado por prata que funcionaria como um fio elétrico comum, numa escala milhões de vezes menor. Por ser melhor condutor de eletricidade que o cobre dos fios comuns, o ouro é usado em fios quando é necessário um transporte elétrico de alta qualidade.

Por oferecer maior resistência ao transporte de elétrons, a prata funcionaria como isolante na estrutura descoberta pelos físicos teóricos. Por enquanto essa estrutura é apenas teórica, pois surgiu nas simulações em computador e ainda não foi observada na realidade, mas Galvão é otimista. “Como até agora os resultados experimentais têm confirmado as suposições teóricas, as chances de a estrutura em pentágonos existir de fato é de 95%.” Se a descoberta se confirmar, poderá ser um achado importante para a eletrônica molecular.

Experimentos anteriores já haviam investigado o comportamento dos componentes atômicos de ligas metálicas, mas Jefferson Bettini, do LNLS, foi um dos primeiros a observá-lo no microscópio em tempo real. Outro avanço é que os experimentos foram feitos à temperatura ambiente, o que só se tornou possível nos últimos dez anos, quando o aluno de mestrado Varlei Rodrigues desenvolveu um aparelho que, por ultra-alto vácuo, cria condições ultralimpas no ambiente onde se produzem quebras nas placas finíssimas de metal. O vácuo é importante porque o ambiente tem que estar perfeitamente limpo, já que qualquer átomo intruso pode alterar a composição do material estudado.

Em geral esse grau de limpeza é atingido ao realizar experimentos a temperaturas entre 260 e 270º Celsius negativos, que, segundo Ugarte, não conduzem a resultados satisfatórios porque a temperatura também afeta as propriedades do metal. “Em temperaturas tão baixas os materiais parecem todos iguais”, explica. Vídeos que registram o rompimento de metal a temperatura ambiente e em nitrogênio líquido mostram que o metal frio não refaz suas ligações de forma tão dinâmica quanto à temperatura ambiente. Nessas condições, o processo é mais lento, menos fluido e menos representativo do cotidiano. “Se um telefone celular for feito com nanofios, ele terá que funcionar em temperatura ambiente”, argumenta.

O caso dos nanofios metálicos é um bom exemplo de como a nanociência está ainda numa fase exploratória, pois a migração dos átomos de ouro para o ponto de quebra e as estruturas em pentágono que protegem o fio de ouro foram reações completamente inesperadas. Além disso, Ugarte explica, “na escala atômica os objetos são grudentos”. Um nanofio sofre uma atração espontânea pelo substrato em que está apoiado, como uma força da gravidade exacerbada, o que torna muito difícil a manipulação. Mas a aluna de doutorado Denise Nakabayashi desenvolveu um aparelho que permite manipular fios de 1 mícron (um milésimo de milímetro).

A maior parte das aplicações da nanotecnologia ainda está por vir. Segundo Galvão, 80% do que se faz nessa área ainda está em fase de entender como os metais funcionam na escala nanométrica, para em seguida pensar em aplicações práticas. Ele acredita que ainda faltam entre dez e 15 anos para que a nanotecnologia faça parte do cotidiano. Galvão presume que, mesmo que as cadeias atômicas suspensas normalmente não durem mais que poucos segundos, construir nanofios estáveis não será um problema: basta usar outro material como suporte. A dificuldade está em construir fios com composição conhecida, de forma eficaz e controlada. Uma opção é utilizar moléculas sintéticas como a Lander, construída em 2002 por pesquisadores dinamarqueses e franceses, e assim chamada por se parecer com um módulo de exploração lunar.

Ela é composta por átomos de carbono e de hidrogênio – um eixo comprido com projeções laterais que funcionam como patas. Galvão e Sato explicaram, com simulações publicadas em 2004 na revista Nature Materials, como a molécula Lander passeia por entre átomos soltos e deixa atrás de si pequenos trechos de nanofios de cobre. Para construir outros nanomateriais, moléculas sob medida podem ser de grande utilidade. Mas Galvão ressalta que boa parte desse tipo de descoberta se dá por acaso. “A sorte favorece, mas o olhar tem que estar preparado para ver.”

Mas quando – e se – forem vencidos os obstáculos técnicos e de conhecimento, nanocircuitos podem mudar bastante a eletrônica. Não só por seu tamanho, que permitiria a fabricação de aparelhos muito menores, mas também por suas propriedades. Na escala nanométrica, a condução de eletricidade não segue as mesmas regras do mundo macroscópico. Em nanofios a energia vem aos pacotes, em vez de ser contínua como nas tomadas de uma casa. Mas a transmissão é eficiente, apesar de inconstante. E não dissipa energia, segundo Ugarte, o que significaria circuitos elétricos que não aquecem.

Apesar de se saber ainda relativamente pouco sobre o comportamento atômico dos materiais, o conhecimento que existe, aliado à imaginação humana, já permitiu criar uma grande quantidade de produtos que podem alegrar o Natal dos aficionados por tecnologia. A página na internet do Projeto sobre Nanotecnologias Emergentes (www.nanotechproject.org) traz uma lista de mais de 300 deles, que incluem desde nanotubos de carbono para telas planas de monitores até nanopartículas de prata que combatem bactérias e mofo em embalagens para alimentos.

A alta tecnologia necessária para estudar átomos custa caro, e por isso os projetos de Ugarte têm orçamentos astronômicos – um microscópio eletrônico pode custar de R$ 3 milhões a R$ 7 milhões. Esses trabalhos exigem instalações especiais que tornaram necessário um novo prédio – e cuja construção o físico está coordenando no LNLS. Mas, para ele, o que limita o avanço da nanociência experimental não são recursos financeiros, mas humanos. É comum que seus alunos tenham que usar o mestrado para construir ou aprender a usar um equipamento para, finalmente, aplicá-lo para pesquisa no doutorado, como fizeram Varlei Rodrigues e Denise Nakabayashi.

“Não se conseguem pessoas que gostem de fazer bricolagem; é preciso entender, pensar, ter paciência, errar nas medidas. Os estudantes estão acostumados a encontrar respostas imediatas na internet”, observa Ugarte, que faz a sua parte para mudar esse quadro. Os mesmos princípios que o norteiam na formação acadêmica de seus alunos Ugarte adota em casa. Seus filhos Pedro e Maia, de 6 e 4 anos, fazem macarrão caseiro, descem ladeiras no carrinho de rolimã feito em casa e já construíram um telescópio em parceria com o pai.

O Projeto
1.
Estudo teórico multiescala de nanoestruturas puras e híbridas (nº 04/15687-2); Modalidade Projeto Temático; Coordenadora Marília J. Caldas – USP; Investimento US$ 85.268,00 e R$ 181.110,54 (FAPESP)
2. Microscópio eletrônico de transmissão analítico para nanocaracterização espectroscópica de materiais; Modalidade Auxílio à Pesquisa – Regular; Coordenador Daniel Ugarte – Lnls; Investimento US$ 2.500.000 (FAPESP)

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