En 15 meses de operación, el Laboratorio de Microscopía Electrónica (LME) de Campinas se ha transformado en un recurso precioso para 80 investigadores de 55 grupos en todo el país: los estudios desarrollados en dicho centro ya resultaron en la publicación de 36 artículos y alrededor de 80 presentaciones en conferencias. El LME, que forma parte de la estructura abierta a multiusuarios del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) del Ministerio de Ciencia y Tecnología, fue recientemente evaluado por un comité científico internacional a pedido de la FAPESP. El comité consideró excepcional su productividad y calificó a los trabajos realizados en él como “de máxima calidad científica”.
Uno de dichos trabajos recibió en octubre el premio de Mejor Tesis Doctoral de la Sociedad Brasileña de Física (SBF). Fue el de Daniela Zanchet, ingeniera química de la Universidad Federal de Paraná y con doctorado en la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), que construyó y caracterizó nuevos tipos de cristales de oro. Daniela, de 28 años, siguió su posdoctorado en el Departamento de Química de Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos.
De primera línea
Para equipar las cinco salas del laboratorio, la FAPESP invirtió 1,9 millones de dólares. El más importante instrumental es el microscopio de transmisión por haz de electrones, cuya resolución alcanza a 0,17 nanómetro -el nanómetro es la millonésima parte del milímetro-, distancia menor a la existente entre dos átomos vecinos en la mayoría de los materiales. El potentísimo aparato, único en América del Sur, amplía una imagen hasta 1,5 millones de veces. Con él se logran imágenes precisas de la posición de los átomos, lo que permite ver cómo ellos están ordenados. En la sala en donde se encuentra el equipo, la temperatura es mantenida bajo un control riguroso y las paredes son revestidas con material a prueba de vibraciones sonoras.
Otras dos salas albergan microscopios de barredura que, con una resolución de 1,5 ó 3,0 nanómetros, amplían imágenes hasta 300 mil veces, lo suficiente para identificar la morfología de granos o partes de un material. En la sala del laboratorio de preparación de muestras transcurre una parte básica de la investigación: para el análisis en microscopio, el material es sometido a técnicas específicas, de conformidad con el estudio que se pretenda.
Esta avanzada infraestructura generó un gran beneficio: se pueden llevar a cabo íntegramente trabajos en ciencia de los materiales sin ir al exterior, cosa que dificultaba o incluso inviabilizaba muchas investigaciones.
“Actualmente, gran parte de las investigaciones depende de análisis microscópicos de este tipo. Para entender las propiedades físicas y químicas de los materiales, es necesario visualizar las estructuras al nivel de los átomos”, dice el coordinador del LME, Daniel Ugarte. Con las herramientas del laboratorio, se puede acompañar, en pie de igualdad con los centros más avanzados del mundo, la tendencia general a la miniaturización generada por la microelectrónica, que parece extenderse a toda la ciencia de materiales.
Erigido en menos de un ano, “tiempo récord para un complejo de este porte”, según Ugarte, el LME funciona como un centro de apoyo abierto a investigaciones académicas o empresariales. Solo un cuarto de los trabajos ya publicados es del propio equipo del LME. El uso del laboratorio, gratuito para investigaciones académicas, no implica grandes formalidades -basta someter un proyecto al análisis de la coordinación del LME-, pero exige que el iniciante pase por una capacitación, en general de una semana para el microscopio electrónico de barredura y de dos meses para un microscopio de transmisión.
Centro de formación
Con todo, el LME no fue creado para prestar servicios, como hacen otros laboratorios: “Ofrecemos las herramientas y enseñamos a manipularlas, pero el resto queda a cargo del investigador”. Esa filosofía implementada por Ugarte le permite al laboratorio funcionar con un equipo mínimo -solo cuatro empleados contratados, además de un estudiante de doctorado y un posdoctor-, pero su principal objetivo es formar profesionales calificados en microscopía electrónica. Además del entrenamiento, Ugarte realiza conferencias en todo el país y dicta cursos en la Unicamp. El LME ya ha capacitado a 40 alumnos de posgrado.
Un ejemplo: Juan Carlos Gonzalez Pérez, del Instituto de Ciencias Exactas de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG), permaneció un mes y medio en el LME para obtener las imágenes que necesitaba para su tesis doctoral, sobre multicapas de puntos cuánticos autoconstruidos con arsenatos de indio y galio. “El apoyo del personal del LME fue fundamental”, dice Wagner Nunes Rodrigues, director de la tesis de Pérez, cuyo objetivo es producir sistemas de objetos llamados “puntos cuánticos”, que miden algunas decenas de nanómetros. Esos objetos, que se comportan como “átomos gigantes”, o “átomos” compuestos por átomos, podrán ser usados para construir láseres más estables a temperatura ambiente, además de servir como memorias.
Contar con la estructura del LME en la preparación de las muestras fue fundamental para concluir la investigación, subraya Rodrigues: “Preparar este tipo de muestras para microscopía no es fácil, pues exige equipamientos especiales, no siempre disponibles en otros laboratorios de microscopía de Brasil”. Las imágenes obtenidas ayudaron a comprender mejor el sistema de producción de puntos cuánticos y dieron subsidios para la continuación de los estudios, lo que implicó también el uso de la luz sincrotrón disponible en el LNLS.
Magnetismo de aleación
Otro usuario regular del LNLS es Marcelo Knobel, del Instituto de Física de la Unicamp. Desde 1990, Knobel estudia el magnetismo en nanocristales, partículas cristalinas que miden entre 5 y 50 nanómetros. Recientemente, Knobel usó el microscopio de transmisión del LME para caracterizar la estructura atómica de una aleación de hierro, zirconio, cobre y boro, conocida como Nanoperm. “Esa aleación, descubierta por investigadores japoneses, tiene características magnéticas muy superiores a las de los materiales comunes existentes en el mercado”, explica Knobel. Por ser fácilmente magnetizable y desmagnetizable, podría usarse en núcleos de transformadores, cabezales de grabación magnética, sensores de campo magnético, transductores y blindaje magnético.
El estudio de la estructura de las nanopartículas presentes en la aleación permitió conocer mejor los mecanismos responsables por sus propiedades magnéticas. Como esas propiedades se relacionaban con el calentamiento al que la aleación era sometida en el proceso de fabricación, fue posible testear otros métodos de tratamiento térmico. La novedad de la investigación consistió en usar una corriente eléctrica para tratar al material, lo que permitió tasas de calentamiento mayores que las obtenidas en hornos convencionales. Con ello se logró un mayor control sobre la formación de las nanoestructuras, lo que posibilitó la optimización de las propiedades magnéticas del material.
El propio equipo del LME desarrolla una investigación importante en física de materiales nanoestructurados: Ugarte investiga las propiedades estructurales y eléctricas de nanohilos (hilos tan delgados que pueden estar constituidos por una simple hilera de átomos), para su aplicación en diminutos sistemas electrónicos. Ugarte aclara que propiedades tales como la conductividad y el aislamiento de la electricidad pueden ser sustancialmente alteradas cuando se reduce el material a un tamaño o espesor de algunos átomos. Un material como el óxido de silicio (similar a un vidrio convencional), por ejemplo, es un buen aislante eléctrico, pero puede no presentar la misma propiedad aislante cuando es usado en films muy finos (1,5 nanómetros o entre 4 y 5 capas atómicas). Ese hecho impone un límite inferior a la miniaturización de los circuitos electrónicos con la tecnología actual basada en el silicio.
Expansión
Al margen de las investigaciones en Física -la mayoría- hay muchos trabajos de Química, Ingeniería, Geología y Odontología en el LME. Ugarte prevé el crecimiento en número y en complejidad de las investigaciones cuando el laboratorio cuente con otro microscopio, conocido por la sigla FEG-TEM (microscopio electrónico de transmisión equipado con un canón de electrones por efecto de campo), específico para análisis químicos y espectroscópicos en regiones del tamaño de un nanómetro o menores. Este equipo, que integra el proyecto de expansión del LME para este año, exigirá una inversión de unos 2 millones de dólares.
La instalación del microscopio FEG-TEM, que constaba en el proyecto inicial del LME, fue una de las principales recomendaciones del comité internacional, que juzgó necesaria y oportuna la expansión del laboratorio. De hecho, el LME opera en el límite de la capacidad, con equipos que funcionan 12 horas por día y una lista de espera de dos meses para obtener una sesión de trabajo en el microscopio electrónico de transmisión. Aunque la inversión es grande, el comité la considera fundamental para mantener elevado el nivel de las actividades allí desarrolladas.
EL PROYECTO
Centro de Microscopía Electrónica de Alta Resolución
Modalidad
Programa de infraestructura 3
Coordinador
Daniel Mário Ugarte – Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón
Inversión
R$ 38.300,00 y US$ 1.811.000,00
