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FÍSICA

Os cristais de futuro

Grupo de São Carlos desenvolve materiais para indústria eletrônica

A Física fez história em 1986. Com alarde, era anunciada a descoberta dos supercondutores, materiais cerâmicos que oferecem uma resistência muito baixa à passagem de corrente elétrica a temperaturas consideradas relativamente altas, próxima a 200 graus Celsius negativos. Os autores da descoberta – os físicos Karl Alex Muller, da Suíça, e Johannes Georg Bednorz, da Alemanha, cujo trabalho precursor seria reconhecido com o Prêmio Nobel no ano seguinte – fortaleceram o sonho dos pesquisadores de conseguir a supercondutividade a temperatura ambiente, que traria um enorme impacto ambiental, ao permitir a redução das perdas de energia. Numa lâmpada comum, por exemplo, apenas 30% da energia se transforma em luz – a maior parte se perde, na forma de calor.

Em São Carlos, nos laboratórios do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP) e no Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), um grupo de 20 pesquisadores não está atento apenas à supercondutividade e à possibilidade de melhoria das propriedades elétricas dos materiais cerâmicos. Sob a coordenação da física Yvonne Primerano Mascarenhas, da USP, e com um apoio financeiro de R$ 173.130,00 da FAPESP, desenvolvem o projeto temático Síntese, caracterização e crescimento de fibras monocristalinas de cerâmicas ferroelétricas , com objetivos bastante amplos: investigam desde processos de obtenção do material básico até técnicas para o crescimento de fibras com periodicidade atômica regular, chamadas monocristalinas.A importância desses materiais era conhecida antes mesmo da entrega do Nobel aos responsáveis pela descoberta dos supercondutores.

Desde os anos 40, quando foram descobertas, as cerâmicas ferroelétricas, materiais com propriedades elétricas diferenciadas, têm uma participação crescente na indústria eletroeletrônica. Com elas são feitos componentes especiais de uso em radares, telefones e televisores, por exemplo.A tendência tecnológica mundial em preparação de materiais cristalinos é de redução do diâmetro e o aumento do comprimento das fibras, como se elas fossem fios de cabelo. As fibras monocristalinas cada vez mais delgadas que devem sair do laboratório do físico Antonio Carlos Hernandes, também da USP, podem substituir com vantagens os materiais convencionais, ao se mostrarem competitivas nas aplicações práticas.

Na primeira fase, os especialistas obtiveram fibras monocristalinas de materiais de uso conhecido, como o titanato de estrôncio e o titanato de rutênio. “A segunda fase será caracterizada por uma maior abrangência de materiais”, conta José Antonio Eiras, da UFSCar. Atualmente, a equipe trabalha com materiais mais complexos, os niobatos de estrôncio-bário e de estrôncio e chumbo, com os quais obtiveram fibras e resultados novos a respeito das propriedades desses materiais. Impõe-se também o desafio de conseguir uma maior aproximação com a indústria eletrônica, sensibilizando-a para as vantagens operacionais dos produtos desenvolvidos em laboratório.

A organização
As cerâmicas resultam de uma anatomia especial de átomos de oxigênio, que formam estruturas em forma de sólidos com oito faces regulares, os octaedros. No espaço entre essas estruturas podem alojar-se cátions – átomos ou grupamentos atômicos com falta de elétrons e, por isso, eletricamente positivos. As propriedades específicas das cerâmicas dependem de situações que vão da maneira como os cátions se distribuem nos espaços entre os octaedros até o arranjo que assumam essas próprias estruturas. Uma distribuição alinhada ou torcida dos octaedros faz com que o material apresente características distintas.

É essa organização ou arranjo estrutural que determina as características finais do material sintetizado. Por essa razão, a descrição estrutural das cerâmicas é uma parte importante do trabalho de obtenção do material básico e do desenvolvimento de fibras monocristalinas.

Da formulação à caracterização do produto final, cada pesquisador tem sua área específica, mas nessa investigação conjunta as experiências e as histórias, como os próprios componentes das cerâmicas, se fundem e na prática é cada vez mais difícil dizer exatamente de quem ou de onde partiu cada uma das questões que vão sendo investigadas. Na USP, Yvonne Mascarenhas, com uma equipe de cinco pesquisadores, cuida dos trabalhos de cristalografia, a ciência que trata da caracterização da forma e da estrutura dos cristais, neste caso, os materiais cerâmicos. No mesmo prédio, Hernandes, da área de ciência de materiais, trabalha com o desenvolvimento de monocristais. Na UFSCar, José Antonio Eiras, do grupo de cerâmicas ferroelétricas, responde pela obtenção do material cerâmico básico.

O trabalho começou em 1994 com a chegada a São Carlos da química argentina Sílvia Cuffini . Yvonne conta que Sílvia, então candidata a um pós-doutorado nessa área, trouxe alguns problemas relacionados à determinação da estrutura cristalina de rutenatos, que acabaram levando à montagem da atual equipe. “Temos um trabalho complementar e interativo, não uma superposição de tarefas”, avalia Hernandes. Os pesquisadores asseguram que o grupo, com essa complementariedade na área de materiais cerâmicos, é o único em atuação na comunidade acadêmica internacional.

Segundo Eiras, a vantagem desse tipo de colaboração é principalmente a possibilidade de cada equipe aprofundar as investigações, uma espécie de contribuição verticalizada. Ao mesmo tempo, a interação permite uma certa horizontalização, relacionada aos objetivos finais. “Uma equipe define o trabalho da outra e, por sua vez, tem suas próprias tarefas reformuladas pelos resultados obtidos nas outras fases da pesquisa”, diz ele.

O material obtido por Eiras pode se apresentar na forma de pó ou de um corpo cerâmico. Ao passar pela fase de cristalografia, suas características estruturais são determinadas. “À primeira vista podem parecer tarefas lineares, livres de dificuldades e de surpresas, mas não é assim”, diz Yvonne, sob o olhar complacente do físico alemão Albert Einstein, o criador da Teoria da Relatividade, que ocupa um enorme pôster atrás de sua mesa de trabalho. A história e as idéias de Einstein – a exemplo da frase “A paz não pode ser obtida pela força, mas conquistada pelo entendimento”, impressa no cartaz – sintetizam o espírito de trabalho da equipe, segundo ela.

Propriedades
O sólido tem basicamente dois estados distintos: amorfo e cristalino. Na matéria amorfa, as propriedades são as mesmas em qualquer direção. Na cristalina, algumas propriedades físicas variam de acordo com a direção adotada. Propriedades gerais como peso, calor específico, ponto de fusão e composição química não variam quanto à direção. Mas as propriedades de transporte, ópticas, térmicas e elétricas, dependem da direção.A periodicidade da matéria cristalina faz com que as propriedades direcionais sejam as mesmas em todas as direções paralelas. Mas pode ocorrer uma repetição simétrica das direções ao longo das quais as propriedades são as mesmas.

A cristalografia procura justamente entender e descrever essas características dos cristais. Mas não é fácil detalhar as características cristalográficas, como as pequenas distorções, previne a pesquisadora. Uma das dificuldades é que átomos pesados, como os de ferro, por exemplo, podem difundir nos cristais e influir na estrutura dos materiais cerâmicos, modificando suas propriedades.A cristalografia, uma área de pesquisa antiga na qual o Brasil detém uma certa tradição, acabou servindo como ponto de partida para o trabalho integrado de materiais cerâmicos em São Carlos.

Nas últimas décadas, além do avanço teórico, mudou basicamente o instrumental de pesquisa, diz Yvonne Mascarenhas. Entre 1959 e 1960, quando esteve nos Estados Unidos com uma bolsa da Fundação Fulbright, rememora, “não havia a facilidade proporcionada pelos computadores”. Como em outras áreas, os computadores revolucionaram a cristalografia, acentua a pesquisadora, apontando para as estruturas cristalinas que o físico cubano Juan Guevara Carrio manipula num computador ao lado. Carrio, que estudou Física em Dresden, na ex-Alemanha Oriental, é um dos pós-doutorandos nessa área no Instituto de Física.

A equipe de desenvolvimento de monocristais, liderada por Hernandes, desenvolveu um equipamento alimentado por um laser de dióxido de carbono com 100 Watts de potência para a obtenção das fibras monocristalinas, num trabalho que conjuga engenho e arte. O equipamento funde materiais a temperaturas entre 1.000 e 2.600 graus Celsius. O que contém o material nestas temperaturas é sua própria tensão superficial, o mesmo princípio que impede que um copo cheio d’água apresente uma resistência a transbordar até um limite crítico. Hernandes conta que, para agregar os componentes da cerâmica, seria impraticável utilizar os recipientes comuns, como os cadinhos, por causa da temperatura elevada e do risco de ameaçar a pureza desejada do material que está sendo manipulado.

A economia propiciada pela construção desse equipamento pode ser contabilizada facilmente. Segundo Hernandes, o desenvolvimento do equipamento consumiu recursos de US$ 35 mil, dos quais US$ 20 mil foram aplicados na compra do laser no exterior. Se tivesse sido adquirido no mercado internacional, diz o pesquisador, os custos poderiam chegar a US$ 65 mil. Técnicas que não utilizam o laser, ele calcula, demandariam equipamentos que não sairiam por menos de US$ 500 mil.

Descobertas inesperadas
Em trabalhos de pesquisa básica como o conduzido pelo grupo de São Carlos, a investigação é feita sem que se conheçam antecipadamente as características dos materiais que vão se revelar ao longo do trabalho. Resultados inesperados podem ocorrer a qualquer momento – é o que os filósofos da ciência chamam de serendipidade, um termo que acabou se consagrando para se referir a descobertas acidentais. A vulcanização da borracha, por exemplo, foi uma serendipidade.

Mas este acidente acabou se revelando fundamental para a transformação da borracha num material estratégico, incorporada na produção de pneus para automóveis, entre outros usos intensivos. Neste projeto também houve um resultado importante e inesperado: a obtenção de fibra de um rutenato de estrôncio com propriedades supercondutoras, da mesma Natureza que o descoberto por Muller e Bednorz, mas sem a presença do átomo de cobre.

Perfis :
Yvonne Primerano Mascarenhas é graduada em Química e Física pela Faculdade de Filosofia da Universidade do Brasil, atual Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Fez o doutorado em Física na Escola de Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo (USP). É professora titular do Instituto de Física de São Carlos, do qual já foi diretora.

Antonio Carlos Hernandes, 40 anos, bacharel em Física pela Universidade Estadual de Londrina, com mestrado e doutorado no Instituto de Física e Química de São Carlos, da Universidade de São Paulo (USP), onde leciona desde 1995.

José Antonio Eiras, 47 anos, é graduado em Física pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), com mestrado no Instituto de Física e Química de São Carlos da USP e doutorado em Ciências Naturais no Institut für Allgemeine Metallkunde and Metallphysik, em Aachen, Alemanha. É professor da UFSCar desde 1985.

ProjetoSíntese, Caracterização e Crescimento de Fibras Monocristalinas de Cerâmicas Ferroelétricas
Investimento : R$ 173.130,00

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