Foi descoberto um novo estado da matéria!

Foi publicada nessa semana na revista Nature Materials a descoberta de um novo estado da matéria. O estado, conhecido como Líquido de Spin Quântico (LSQ), já havia sido teorizado na década de 70, mas apenas agora foi obtido pela primeira vez em laboratório.

O que é líquido de Spin Quântico?

É um estado no qual os elétrons, considerados até então partículas indivisíveis (pelo menos em um espaço tridimensional), quebram-se em pedaços menores, denominados Férmions de Majorana. Esse estado da matéria, apesar de já associado por meio de teorias a alguns materiais magnéticos, não havia sido até então observado na natureza de forma conclusiva. Basicamente, nos materiais magnéticos convencionais os elétrons agem como se fossem pequenos ímãs, dipolos magnéticos. Quando o material está a temperaturas não muito elevadas, nas quais a agitação térmica seria muito intensa, esses elétrons conseguem se alinhar na presença de um campo magnético e o resultado é um ímã de maior dimensão, isto é, o material entra em um estado imantado. No entanto, se ele contiver um estado líquido de spin quântico, pode ser resfriado ao zero absoluto que ainda assim não conseguirá atingir um alinhamento de seus dipolos magnéticos, devido a flutuações quânticas. Assim, formam uma espécie de “sopa emaranhada”, conforme descrevem os autores.

Como foi obtido?

Para comprovar a existência do LSQ, os cientistas precisavam identificar sinais da presença de Férmions de Majorana. Para isso, iluminaram com nêutrons um material bidimensional (semelhante ao grafeno e ao estaneno), os cristais de cloreto de rutênio α (α – RuCl3), à procura de evidências de fracionalização dos elétrons. Analisando o padrão de ondulações produzido pelos nêutrons, obteve-se a primeira evidência direta do rompimento de elétrons em um material bidimensional e da obtenção de um líquido de spin quântico. Isso porque os resultados mostraram-se de acordo com o modelo de Kitaev, um dos principais modelos teóricos desenvolvidos para esse novo estado da matéria.

liquido de spin quantico

Excitação com nêutrons de um Líquido de Spin Quântico. Fonte: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

O que muda daqui para a frente?

Os férmions de Majorana podem ser utilizados como elementos de base para computadores quânticos. Esses computadores, por sua vez, irão ser mais velozes do que os computadores convencionais e poderão resolver cálculos que até então não são viáveis.

Além dessa evidente aplicação tecnológica, a descoberta desse novo estado da matéria torna a humanidade um passo mais próxima de compreender a matéria quântica. “É divertido ver um novo estado quântico que nunca havíamos visto antes – nos dá possibilidades de tentar coisas novas”, afirma Kovrizhin, um dos autores da publicação.

Referências:

New state of matter detected in a two-dimensional material – Phys Org;

New state of matter detected in a two-dimensional material – University of Cambridge;

Cientistas observam novo estado da matéria que pode ajudar na computação quântica – Gizmodo

O que afinal faz um engenheiro de materiais?

O primeiro desafio de um estudante de engenharia de materiais é explicar para o mundo o que ele faz. Essa tarefa não é nada fácil, considerando que apenas todas as coisas do mundo são feitas de materiais, então imagine o quão amplo é este campo de trabalho. Definir engenharia de materiais é parecido com tentar definir energia, não existe uma resposta pronta. Apesar disso, nosso objetivo hoje é definir o que é essa ciência e ajudá-lo a explicar para aquele tio ou tia que sempre pergunta nas festas de família!

O engenheiro de materiais pode ser considerado o profissional que faz engenharia de microestruturas, ou seja, introduz, reduz, manipula a presença de defeitos em um material, modificando com isso as suas propriedades. Assim, através de diferentes condições de processamento ou de diferentes composições químicas para produzir determinado material, o engenheiro de materiais consegue fazer combinações mais adequadas a cada aplicação. Um exemplo muito claro ocorre na fabricação de materiais cerâmicos: Se o objetivo é uma maior resistência mecânica, faz-se um material com poucos poros (que são vazios no interior do material), enquanto se o objetivo for diminuir o peso do componente, a introdução desses vazios torna-se uma opção muito interessante.

Resumidamente, a engenharia de materiais funciona baseada em um tetraedro, em que um dos vértices é a estrutura e a composição química do material e os demais são aplicação, processamento e propriedades do mesmo.

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A ideia do tetraedro é mostrar como todos esses fatores são interdependentes: Para utilizar um material para determinada aplicação, é necessário que ele possua algumas propriedades específicas. Para obter essas propriedades, o material precisa estar organizado de determinada maneira em termos de estrutura, o que se consegue produzindo-o por uma determinada rota de processamento. Para outra aplicação, são necessárias outras propriedades, outra estrutura e portanto outra rota de processamento. E assim, com tudo isso em mente, o engenheiro de materiais trabalha com o objetivo de desenvolver materiais mais otimizados para uma determinada aplicação ou na seleção de materiais já existentes para aquela aplicação.

Claro que nem sempre a técnica de processamento resolverá os problemas existentes, pode ser necessário modificar a composição química do material ou mesmo misturar mais de um tipo deles. Basicamente, dividem-se os materiais em metais, polímeros e cerâmicas, cada qual com suas vantagens e desvantagens. Por exemplo: os metais normalmente são os melhores condutores de eletricidade, mas são sensíveis à corrosão (a conhecida ferrugem no caso do ferro e dos aços). As cerâmicas, são muito resistentes a temperaturas elevadas, mas normalmente são pouco resistentes a impacto e quebram. Os polímeros são extremamente leves, mas não suportam temperaturas muito elevadas. Assim, em determinadas aplicações, deseja-se uma combinação de propriedades que não existe em um único tipo de material, fazendo com que seja necessário juntá-los e com isso formar um material que chamamos de compósito. Em alguns casos, recorre-se ainda à nanotecnologia para alcançar determinada propriedade. Com ela, é permitido modificar o material lá em sua escala nanométrica (míseros 10-9 metros), conseguindo atingir propriedades que o material convencional muitas vezes não consegue, por não estar tão bem organizado.

Basicamente este é o mundo da engenharia de materiais. Agora que você tem uma boa ideia de como ele funciona, voltemos à pergunta inicial: com o que afinal esse profissional trabalha?

Há muitos engenheiros de materiais em empresas que desenvolvem polímeros, cerâmicas, ligas metálicas, aperfeiçoando esses materiais, tornando-os mais baratos e sustentáveis, atuando em seu controle de qualidade, entre outros. No cenário brasileiro atual as duas indústrias que mais contratam profissionais da área são a siderúrgica e a petroquímica. A siderúrgica está muito relacionada com as montadoras de carros presentes no Brasil, que buscam cada vez mais diminuir o peso dos componentes dos veículos com o intuito de aumentar a eficiência energética. Um exemplo de aço que foi desenvolvido através da engenharia de materiais são os aços TRIP, muito resistentes e com elevada conformabilidade do material. Já na indústria de petróleo e gás um dos principais desafios é o desenvolvimento de um material muito resistente à corrosão marítima e também resistente à pressão que será exercida abaixo d’água.

No entanto, o mercado de trabalho não se restringe apenas às indústrias mencionadas. Muitos engenheiros utilizam o conhecimento que possuem na área para prestar consultoria e resolver problemas relacionados a materiais enfrentados por determinadas empresas, outros optam por atuar na área de perícia, investigando acidentes e propondo causas para os mesmos através de uma análise de falhas do material. Além disso, há aqueles profissionais que se interessam mais por ensinar a outras pessoas as artimanhas do mundo dos materiais, atuando como professores em escolas, cursos técnicos ou universidades.  

Mesmo que muitas pessoas ainda desconheçam a engenharia de materiais, ela está muito presente no nosso dia-a-dia. Exemplos são os vidros resistentes a riscos, baterias e semicondutores, encontrados em nossos celulares, remédios (nanomateriais transportadores de medicamentos), embalagens (isopor e polímeros em geral), roupas e tênis que utilizamos, materiais de construção de nossas casas e universidades, entre outros. Além disso, a área abrange setores de grande importância no meio industrial, tais como: supercondutores, semicondutores, materiais nucleares, fibras óticas, biomateriais (isto é, desenvolvimento de próteses para o corpo humano), soldagem, corrosão, reciclagem, fibra de carbono, impressão 3D, grafeno e qualquer outra coisa que você imaginar! Existem muitos materiais que prometem mudar nossas vidas e ainda não estão prontos para o mercado, como produção de dispositivos flexíveis através de nanotubos de carbono, peles artificiais, órgãos artificiais e capa de invisibilidade através de metamateriais.

Poderíamos permanecer aqui o dia inteiro falando sobre vários lugares que encontramos a engenharia de materiais, mas vale lembrar que até em um garfo ou em um piso existe essa ciência, pois não é por acaso que esse tipo de metal ou de cerâmica foi escolhido, existe toda uma engenharia por trás dos objetos mais simples que temos em nossas casas e teve alguém que estudou muito para isso ser feito, esse alguém é o engenheiro de materiais!

#1 Conversa com engenheiro: Guilhermino Fechine (Mackgraphe)

Hoje é o primeiro dia de uma série que veio para ficar! Toda terceira terça-feira do mês publicaremos uma entrevista com importantes nomes da Engenharia de Materiais. Nesse mês conversamos com um grande professor e pesquisador na área de grafeno do Brasil, o Guilhermino Fechine.
Biografia: Guilhermino José Macêdo Fechine possui graduação em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal da Paraíba (1996), mestrado em Engenharia Química pela Universidade Federal da Paraíba (1998) e Doutorado em Química pela Universidade Federal de Pernambuco (2001). Dois estágios de pós-doutoramento foram realizados na USP, um deles no Instituto de Química (2002 a 2005) e o outro na Escola Politécnica (2005 a 2007). Professor visitante da National University of Singapore – NUS durante todo o ano de 2013. Desde de 2008 é professor e pesquisador da Universidade Presbiteriana Mackenzie, graduação e pós-graduação. Tem experiência na área de Polímeros, atuando principalmente nos seguintes temas: caracterização, degradação, estabilização, biodegradação e interações polímero-materiais 2D (grafeno, MoS2, hBN, fosforeno, etc). Faz parte da equipe do Centro de Pesquisa Avançadas em Grafeno e Nanomateriais, Mackgraphe.
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1. Por que o grafeno é o material do século?

O grafeno é um material que já havia sido previsto sua existência há muitos anos atrás. Contudo, sua forma “livre” era dita termodinamicamente instável. Em 2004 os físicos russos Andre K. Geim e Kostya S. Novoselov conseguiram isolar o grafeno a partir de esfoliação micromecânica do grafite. Após ter sido isolado, foram feitas medidas e muitas propriedades avaliadas se tornaram superlativas, como por exemplo, material altamente condutor de eletricidade mesmo a temperatura ambiente; elevadíssimo Módulo de Elasticidade, impermeabilidade, e principalmente, área superficial em torno de 2700m2/g. Essa elevada área superficial unida a propriedades singulares, transformam-no num dos materiais mais interessantes do século.

2. Qual seria a aplicação mais importante e promissora desse material?

As aplicações no campo da eletro-eletrônica, foram as mais indicadas logo após a “descoberta” (melhor dizer, isolamento) do grafeno. Devido, principalmente, a sua elevada condutividade elétrica e possibilidade de geração de dispositivos eletrônicos flexíveis, como os touchscreen. Contudo, área de supercapacitores, baterias, células solares e materiais compósitos são as áreas de maior demanda mundial para o grafeno para os próximos 10 anos.

3. Qual o principal desafio na produção do grafeno hoje?

O grafeno pode ser obtido por várias rotas, como por exemplo: esfoliação líquida do grafite, esfoliação química do grafite, método mecanoquímico, deposição química a vapor (CVD), entre outras. Contudo, é a produção em larga escala, que ainda demanda muitas pesquisas e pouco a pouco estão conseguindo avançar nesse sentido.

4. Você acha que hoje com o Mackgraphe o Brasil possui uma tecnologia na área do grafeno equivalente a outros países?

A criação do Mackgraphe (Centro de Pesquisa em Grafeno e Nanomateriais) da Universidade Presbiteriana Mackenzie – UPM é um marco no avanço da tecnologia em produção, caracterização, transferência e construção de dispositivos na área de grafeno e outros nanomateriais. O investimento inicial da Universidade (U$ 20.000.000,00) foi direcionado na construção de um prédio de 9 andares que estão dispostos laboratórios na área de Fotônica, Energia e Materiais Compósitos. Esse investimento uniu-se a um projeto Mackenzie-Universidade de Cingapura-Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), onde a FAPESP aprovou cerca de 5 milhões de dólares para compra de equipamentos. Visto todo esse investimento, aliado aos dois Programa de Pós-Graduação (mestrado/Doutorado) em Engenharia Elétrica e Engenharia de Materiais & Nanotecnologia da UPM, pode-se dizer tranquilamente que o Makgraphe se tornará um centro de excelência em grafeno no mesmo nível de outros centros espalhados pelo mundo em um curto espaço de tempo. A inauguração do Centro ocorrerá no dia 2 de março de 2016, com a presença do prêmio Nobel Andre K. Geim.

5. Você crê que o Brasil terá tecnologia suficiente para produzir comercialmente o grafeno?

Com certeza, visto que hoje temos no Brasil (no meu caso posso falar em nome do Mackgraphe) pesquisadores capacitados para produção de grafeno nas diferentes rotas citadas anteriormente. No caso do Brasil isso fica facilitado pois temos as maiores jazidas de grafite do Mundo.

6. O que lhe motivou a trabalhar na área de Engenharia de Materiais?

Essa é uma pergunta bastante interessante para mim. Quando ainda no Colegial, minha escola fazia visitas a Universidade. No meu caso, visitei a Universidade Federal da Paraíba, Campus Campina Grande. Conhecemos diversos laboratórios, dentre eles entramos nos laboratórios de Engenharia de Materiais. A atmosfera no laboratório exalava diversos conceitos da Engenharia de Materiais que na época nem conhecia, mas mesmo assim, de maneira intuitiva me levou a paixão à primeira vista pelo curso. Lá vi “coisas” na área de seleção de materiais, ou seja, a escolha correta de um material para determinada aplicação; também vi a parte de processamento de materiais, ensaios de materiais, caracterização de materiais, dentre outros tópicos. O ambiente me aguçou a curiosidade para entender o que estava por trás disso tudo. Se você me perguntar se pudesse voltar no tempo e escolher um novo curso para me graduar, escolheria Engenharia de Materiais. A única diferença que agora faria o curso com muito mais cuidado e dedicação a disciplinas que naquela época não dava tanto valor. Tive que estudar muito após formado, pois existia algumas lacunas que não foram preenchidas no curso, tanto pela falta de dedicação que não tive em algumas disciplinas como também pela constante atualização que deve ser feita pelos profissionais dessa área.
Gostaríamos de agradecer ao Guilhermino por ter aceitado nosso convite e ter compartilhado seu conhecimento e suas experiências com todos nós.
Ficou com vontade de saber mais sobre o grafeno? Também já falamos sobre este material aqui no blog, você pode conferir o post aqui.
O que acharam deste novo quadro do blog? Podem enviar comentários e sugestões aqui no blog ou em nossa página do facebook.

Supercondutividade cada vez mais próxima da temperatura ambiente

Supercondutores são materiais que apresentam resistência elétrica nula sob determinadas condições externas, normalmente baixas temperaturas e pequenos campos magnéticos. São essas condições restritivas, principalmente a temperatura, que limitam significativamente o desenvolvimento de produtos a partir de supercondutores. Um dos materiais de mais alta temperatura crítica à pressão ambiente, que é a temperatura máxima na qual o supercondutor mantém suas propriedades, é a cerâmica de composição Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8, cuja temperatura crítica é cerca de -135°C. Apesar de extremamente elevada comparada aos supercondutores descobertos inicialmente, cujas temperaturas críticas ficam em torno de -270 a -234°C, essa temperatura ainda é bastante distante da temperatura ambiente, tornando necessário o uso de sistemas de refrigeração, que implicam em alto custo e alto gasto energético para desenvolvimento de produtos a partir de supercondutores. O vídeo abaixo mostra um exemplo de utilização de um supercondutor para o desenvolvimento de um equipamento de lazer, uma espécie de skate denominada Hoverboard. Reparem que é necessária constante emissão de gás para refrigeração do componente, mantendo-o a baixas temperaturas.

Agora imaginem a revolução em nosso cotidiano se fossem descobertos materiais supercondutores à temperatura ambiente! Poderíamos desenvolver mundo afora trens que transitam a altas velocidades sem atritar com os trilhos, poderíamos produzir diversos equipamentos para lazer e componentes com aplicações ainda inimagináveis para nós. Estamos um passo mais próximos desta realidade de supercondução à temperatura ambiente, no entanto apenas para aplicações, em um primeiro momento, em componentes de pequena dimensão, como aqueles presentes na indústria eletrônica. Essa evolução é devido à recente síntese do estaneno, no começo de agosto de 2015, pela equipe de Zhang, através de uma parceria entre China e Estados Unidos. O estaneno é um material semelhante ao grafeno, cuja estrutura é uma folha de átomos de espessura monoatômica, o que implica em um material de duas dimensões. Neste caso, os átomos que compõem esta estrutura são de estanho, diferentemente do grafeno, composto por átomos de carbono. O que torna o estaneno tão interessante é que cálculos físicos teóricos demonstram que ele exibe uma espécie de supercondutividade à temperatura ambiente, que pode ser elevada a até aproximadamente 100°C com a adição de átomos de flúor.

O estaneno não é exatamente um supercondutor, ele é um material denominado isolante topológico. Esta classe de materiais conduz eletricidade através das bordas e superfície do material sem oferecer qualquer resistência , pois a maioria das impurezas presentes não afeta o spin dos elétrons, que são os portadores de carga do sistema, e consequentemente há o desenvolvimento de supercondutividade, pois os elétrons não podem ser atrasados. Este comportamento, no entanto, não é apresentado no interior do material isolante topológico, mas uma vez que o estaneno possui a espessura de um único átomo, ele conseguirá conduzir corrente elétrica com 100% de eficiência. A equipe de Zhang também propôs que telúrio, selênio, antimônio e bismuto poderiam comportar-se como isolantes topológicos, no entanto esse comportamento não ocorre à temperatura ambiente como no estaneno.

Apesar de já sintetizado, até o momento as propriedades do estaneno não puderam ser confirmadas,  pois a síntese só funcionou a partir da deposição de átomos de estanho sobre um substrato de telureto de bismuto, material que interfere nas propriedades do estaneno. Assim, diversas equipes ao redor do mundo continuam suas pesquisas para encontrar formas mais simples e mais efetivas de produzir o material.

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Vista superior (a) e lateral (b) do estaneno sobre o substrato de telureto de bismuto. Fonte: ZHANG et al, 2015.

Além de dificultar a síntese e processamento, a estrutura bidimensional do estaneno de certa forma limita suas aplicações. As primeiras ideias de utilização para o estaneno é na indústria eletrônica, melhorando significativamente o rendimento de dispositivos como os microprocessadores, por diminuir a dissipação de calor e também a energia consumida pelos mesmos. Futuramente, pensa-se em ampliar a utilização de estaneno para outros componentes de um circuito, possivelmente até substituindo o silício na produção de transistores. Aplicações mais robustas, por enquanto, ainda necessitam da produção de novas tecnologias.. vamos resolver mais este problema, engenheiros de materiais?

Referências:

ASKELAND, D.; PHULÉ, P. “The Science and Engineering of Materials.” Cengage Learning, 2005.

DOE/SLAC National Accelerator Laboratory. “Will 2-D tin be the next super material?.” ScienceDaily. ScienceDaily, 21 November 2013. <www.sciencedaily.com/releases/2013/11/131121135635.htm>.

Estañeno: primeros trabajos para fabricar el nuevo hermano del grafeno

Yong Xu, Binghai Yan, Hai-Jun Zhang, Jing Wang, Gang Xu, Peizhe Tang, Wenhui Duan, Shou-Cheng Zhang. “Epitaxial growth of two-dimensional stanene”. Physical Review Letters (2013), 111, 136804. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.136804

Por onde anda o grafeno

A primeira vez que o grafeno foi produzido foi em 2003 pelos cientistas Andre Geim e Konstantin Novoselov na University of Manchester na Inglaterra. Desde lá várias reportagens saíram nomeando-o como um dos materiais mais promissores, como o material do século e prometendo grandes mudanças no nosso cenário tecnológico mundial. Dessa maneira eles ganharam o prêmio Nobel de Física do ano de 2010 pelos os seus estudos inovadores com grafeno. E depois de todo esse tempo, por onde andam as pesquisas?

Bom, primeiro é muito importante entender porque esse material possui tanto investimento em pesquisas relacionadas: Umas das incríveis propriedades dele é que ele é aproximadamente 200 vezes mais forte que o aço, além de poder suportar 50000 vezes o seu próprio peso, ou seja, o material mais resistente à tração já testado. Além disso ele possui uma densidade muito baixa comparado aos metais e volta a sua forma original após ser comprimido em até 80%. Ainda mais, as suas propriedades eletrônicas superam as do silício, pois ele é um semi-condutor com um GAP nulo, além de ter uma resistividade menor do que a prata, é duas vezes mais condutor térmico que o grafite pirolítico e por fim possui propriedades ópticas únicas! Isso se deve ao fato que ele possui uma estrutura hexagonal de distribuição dos seus átomos individuais, que irá gerar uma folha plana que pode ser transformada em nanotubos de carbono ao serem enroladas.

 images Esquema da estrutura do grafeno. Fonte

Se ele é um material tão bom assim, por que ainda não é comum vermos produtos feitos de grafeno?

O principal desafio hoje nas pesquisas é produzi-lo em quantidades comerciáveis e manter todas essas propriedades descritas anteriormente durante o processo. Essa grande dificuldade de fabricação tem origem no fato que a folha do material tem a espessura muito pequena, que atualmente só é produzida em laboratório. Algumas das pesquisas que envolvem o processo de fabricação consistem em deposição química em fase vapor (CDV), freeze casting, plasma e esfoliação. Essa última consiste em menores custos, ou seja, é a que está mais perto de se transformar em uma produção de grande escala.

No vídeo abaixo a Physics World entrevistou o centro de estudos na University of Manchester. Nele é explicado um dos processos manuais que pode-se obte-lo, é citada algumas de suas propriedades e também uma das possíveis aplicações, como dispositivos flexíveis, chips para computadores e em baterias.

Uma das únicas instituições de ensino que estudam o grafeno no Brasil é a Mackenzie, que possui seu centro de pesquisa sobre grafeno e nanomateriais, o Mackgraphe, criado em 2013. O principal objetivo deles é executar a síntese do material através dos processos mencionados anteriormente, esfoliação e CDV.

Você pode ler mais em:

Graphene’s Promisses Persists

Fabrication Methods

Scientific American

Conheça o grafeno – Tecmundo