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Novos Materiais

Um ímã diferente

Grafite desenvolvida por uma equipe de pesquisadores brasileiros e uruguaios tem propriedades magnéticas

Pesquisadores da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e da Universidade da República (Udelar), de Montevidéu, no Uruguai, conseguiram transformar um composto puramente orgânico e não-metálico – o carbono grafite – em um ímã por meio de um tratamento químico barato. O novo material abre caminhos para a fabricação de dispositivos magnéticos como sensores e detectores usados em áreas que abrangem da engenharia espacial até a medicina. Até agora pesquisadores europeus haviam conseguido tal feito, mas empregando técnicas bem mais caras e complexas, como é o caso do método desenvolvido por uma equipe de pesquisadores da Alemanha que recorreu ao bombardeio de um feixe de prótons, gerado por um reator nuclear, para produzir o magnetismo na grafite. “Além de ser um processo muito mais oneroso, complexo e ainda não totalmente explicado, o magnetismo obtido por eles é aproximadamente dez vezes menor do que o do nosso carbono”, explica um dos inventores, o engenheiro de materiais Fernando Manuel Araújo-Moreira, professor do Departamento de Física da UFSCar, coordenador dos trabalhos no Brasil.

A importância do invento está no fato de que, por muito tempo, a comunidade científica acreditou que um material magnético deveria obrigatoriamente conter átomos de elementos metálicos como o ferro, o cobalto e o níquel. A pesquisa feita pelos cientistas das universidades brasileira e uruguaia demonstrou o contrário porque a grafite só possui átomos de carbono. “Conferimos ao arranjo de átomos de carbono, que é o elemento base de todas as estruturas orgânicas, uma nova propriedade, o magnetismo”, diz Araújo-Moreira. A patente do invento, denominada Processo de preparação de materiais grafíticos magnéticos e materiais assim preparados, foi depositada pela Fundação de Apoio Institucional da UFSCar no Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI) e tem co-titularidade das duas universidades. A lista de inventores inclui, além de Araújo-Moreira, a doutoranda Helena Pardo e o professor Álvaro Mombrú, coordenador dos trabalhos no Uruguai.

O novo material já repercutiu também no meio empresarial. Os pesquisadores da UFSCar estão em negociações com a empresa brasileira Nacional de Grafite, com sede na cidade de Itapecerica, em Minas Gerais. Ela é a maior fabricante mundial de grafite natural cristalina com capacidade para produzir 46 mil toneladas por ano, sendo que metade da produção é vendida para clientes no exterior. “O acordo prevê a alocação de cerca de R$ 300 mil para a continuidade de nossas pesquisas, agora em nível industrial, visando às aplicações tecnológicas”, diz Araújo-Moreira.

As pesquisas para a obtenção de materiais orgânicos com propriedades magnéticas são muito recentes e só foram iniciadas na década passada. Segundo o pesquisador da UFSCar, até hoje cientistas do mundo inteiro se perguntam se é possível produzir um material puramente orgânico com propriedades magnéticas. “Alguns grupos já haviam conseguido sintetizar compostos orgânicos dotados de magnetismo, porém apenas em quantidade microscópica e com sinais muito fracos, o que colocava em dúvida os resultados”, afirma Araújo-Moreira. “Nossa equipe conseguiu fabricar quantias macroscópicas da grafite magnética, que, embora muito pequenas, podem ser vistas a olho nu. Além disso, esse novo material é dotado de ferromagnetismo, uma propriedade que lhe garante uma magnetização permanente e a capacidade de atrair metais. Outra prova disso é que ele é fortemente atraído por um ímã a cerca de 10 centímetros de distância”, diz ele.

O ferromagnetismo da grafite produzida pelos pesquisadores da UFSCar e da Udelar tem também a vantagem de se manter estável à temperatura ambiente. Isso é importante porque todos os magnetos obtidos a partir de carbono no passado só apresentam ferromagnetismo em baixíssimas temperaturas, próximas do zero absoluto (-273°C), o que limitava seu campo de aplicação. O material descoberto pelas equipes dos professores Mombrú e Araújo-Moreira é estável ao longo do tempo porque possui um sinal magnético que não sofre degradação com o passar dos meses. A amostra de 0,5 milímetro quadrado produzida pelos pesquisadores em maio de 2004 continuava com seu magnetismo inalterado nos dez meses seguintes à sua sintetização. Essa propriedade é fundamental para a construção de dispositivos e equipamentos com grande durabilidade.

Se os resultados da pesquisa, feita em nível laboratorial, forem bem-sucedidos em escala industrial, a descoberta de uma grafite com propriedades magnéticas deverá inaugurar uma nova fase na engenharia de materiais. Como é um material recém-descoberto, ainda não se sabe exatamente em que ele poderá ser aplicado. Os pesquisadores acreditam que ele será empregado num grande número de dispositivos de alta tecnologia, como sensores, atuadores (dispositivos que se movimentam em uma linha de produção de semicondutores ou em bancadas de análises clínicas, por exemplo), detectores, além de equipamentos dos setores aeroespacial, químico, eletrônico, de telecomunicações e biotecnológico. Por ser, por enquanto, o único material magnético 100% biocompatível, a grafite magnética tem chances de ser usada também na medicina. “Marcapassos e válvulas cardíacas são baseados em processos magnéticos e um material 100% orgânico, que não causa rejeição no organismo humano, e magnético permitirá novos avanços nesses aparelhos”, diz Araújo-Moreira. “Além disso, pesquisadores canadenses estão começando a pesquisar o uso da grafite magnética para tratamento de câncer.”

Aceito para publicação no mês de março na revista científica Physical Review B – Rapid Communications, o estudo já atingiu uma boa repercussão. “Se ficar comprovado que os resultados são reproduzíveis e que a amostra não contém impurezas de ferro, esta é uma grande descoberta na área de ciência de materiais”, disse a pesquisadora russa Tatiana Makarova, da Universidade Umea, na Suécia, considerada uma das maiores pesquisadoras na área de carbono magnético. “As diferenças entre o carbono magnético produzido pela equipe liderada pelo professor Araújo-Moreira e outros materiais similares estão na amplitude do efeito magnético do primeiro e no fato de seu método de produção ser barato”, diz ela.

O próximo desafio dos cientistas é demonstrar que é possível produzir carbono magnético com as mesmas características – sinal forte em temperatura ambiente e estável ao longo do tempo – em grandes quantidades e desenvolver um processo industrial. No âmbito das negociações com a empresa Nacional de Grafite está também previsto um trabalho conjunto a ser submetido às agências de fomento à pesquisa com o objetivo de desenvolver suportes para catalisadores baseados em carbono magnético. Esses suportes seriam usados para acelerar reações químicas geradoras de produtos químicos.

Simples e econômico
Para fabricar a grafite magnética, o professor Araújo-Moreira e seus colegas recorreram a um processo inédito, diferente de tudo que já havia sido feito até então. “Trata-se de um método muito simples, baseado num processo químico controlado de oxidação-redução (redox) em fase vapor, que, por ser econômico ao utilizar reagentes comerciais de baixo custo, permitirá, no futuro, sua fabricação e comercialização por pequenas empresas.”

A produção em laboratório é feita em um forno com atmosfera controlada, onde são colocados dois cadinhos (recipientes cerâmicos que suportam altas temperaturas), um deles com grafite comercial em pó e outro com um óxido de um metal como, por exemplo, o de cobre (CuO). O forno é mantido aquecido a 1.200°C durante 12 a 16 horas. Sob esta temperatura, o óxido de cobre se decompõe e é reduzido a cobre metálico. O oxigênio liberado por ele provoca a oxidação controlada da grafite e introduz em sua estrutura pequenos defeitos, em forma de cavidades, que, supõem os pesquisadores, são responsáveis por conferir propriedade magnética ao mineral. “Na verdade, a origem do fenômeno de magnetismo nesses materiais ainda não foi totalmente elucidada”, diz Araújo-Moreira. O pesquisador aponta que dados mais recentes obtidos por meio de simulações em computador indicam o aparecimento de um forte ferromagnetismo como conseqüência da falta de átomos de carbono na estrutura atômica típica da grafite. A simulação retira um átomo do carbono e ele fica magnético. No laboratório, provavelmente, essa ausência de átomos de carbono na estrutura da grafite é alcançada por meio de um ataque químico.

A descoberta do novo material é resultado de três anos de intensas pesquisas. “Tudo começou em 2001, durante o pós-doutoramento do pesquisador uruguaio Álvaro Mombrú no Departamento de Física da UFSCar, sob minha supervisão. Foi aí que nasceu a idéia de estudarmos as propriedades físicas e químicas da grafite, da qual derivou a descoberta do processo químico que levou à obtenção da grafite magnética”, recorda Araújo-Moreira. Naquele ano, a revista de divulgação científica americana Nature publicou um artigo que mostrava a possibilidade de fabricação de uma variante de carbono puro magnético. A terceira integrante da equipe, a química uruguaia Helena Pardo, faz atualmente doutorado no Instituto de Física da Faculdade de Química da Universidade de la República de Montevidéu, no Uruguai, sob a dupla orientação de Araújo-Moreira e Mombrú.

Caracterização detalhada
Para certificar-se de que o material produzido tinha realmente características únicas, a equipe submeteu a amostra a uma extensa bateria de testes, realizados no Laboratório de Semicondutores do Departamento de Física da UFSCar, trabalho realizado pelo pesquisador Giovanni Zanelato, e no Laboratório Interdisciplinar de Eletroquímica e Cerâmica (Liec), com o professor Édson Leite, da UFSCar, além da colaboração do professor Oscar Ferreira de Lima, do Laboratório de Materiais e Baixas Temperaturas (LMBT) do Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). O experimento realizado nesse último laboratório, feito com um magnetômetro Squid (Superconducting Quantum Interference Device ou Dispositivo Supercondutor de Interferência Quântica) mediu a variação da magnetização do material com a temperatura. Esse teste demonstrou que a grafite permanece magnética até 80°C.

Além dos exames laboratoriais que demonstraram a efetividade do método químico, a amostra foi submetida a uma análise química com um espectrofotômetro de absorção atômica que verificou a pureza do material, constatando a ausência, em níveis indesejados, de qualquer impureza metálica ferromagnética tais como ferro, cobalto e níquel. Um exame complementar de microscopia eletrônica de varredura confirmou a existência dessas cavidades na grafite, provocadas pelo ataque químico. Por fim, observações realizadas com um microscópio de força atômica e de força magnética mostraram, em imagens bi e tridimensionais, a existência de trilhas magnéticas na grafite, características dos metais ferromagnéticos, materiais que atraem metais.

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