GFRMGrupo de Fototérmica e Ressonância Magnética

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Como o nome indica, o grupo usa as técnicas fototérmicas e de ressonância magnética eletrônica (também chamada "ressonância de spin eletrônico") para investigar propriedades de materiais e fenômenos físicos diversos - desde a condução de corrente elétrica ou condução de calor até fenômenos biofísicos como a fotossíntese. São feitos estudos acadêmicos e também aplicados à produção de dispositivos eletrônicos.

As técnicas fototérmicas

Uma das principais técnicas para se explorar as propriedades físicas de novos materiais – ou seja, caracterizá-los – é fazer incidir luz laser sobre eles e verificar o que acontece. O laser pode, por exemplo, ser refletido parcialmente, ou - se a amostra for suficientemente transparente - ser transmitido através dela. Além disso, o material pode sofrer aquecimento. Para quem sabe interpretar, esses fenômenos contêm informações importantes sobre o material.

A fototérmica é justamente uma técnica que analisa o aquecimento de um material causado por luz (laser) incidente sobre ele, com o objetivo de caracterizá-lo.

Uma das vantagens dessa técnica sobre a observação da luz refletida ou transmitida pela amostra é que a reflexão e a transmissão são muito afetadas se a superfície do material for muito irregular, ou se ele estiver na forma de pó. Isso não acontece com o calor produzido por ele, o que torna a fototérmica bastante apropriada para esses casos.

Na verdade, a fototérmica é um conjunto de técnicas, pois há diversas maneiras de se observar esse aquecimento. A idéia não é observá-lo diretamente, mas sim seus efeitos sobre o material e o ambiente circundante. E os efeitos possíveis de observação são muitos: ondas acústicas geradas pela amostra, desvios da luz que passa próxima a ela ("efeito miragem" e "efeito lente"), mudanças na sua capacidade de refletir luz e de conduzir calor através de si, alterações na constante dielétrica (capacidade de campos elétricos penetrarem no material).

A fotoacústica

Um dos efeitos interessantes para a investigação científica é que o aquecimento da amostra aquece também o ar ao seu redor – que, então se expande. Se o laser que incide sobre a amostra for interrompido várias vezes rapidamente de modo a torná-lo intermitente, o ar vai expandir-se várias vezes em sequência, produzindo uma série de “pulsos” que se propagarão pelo espaço como ondas acústicas. Isso nada mais é que uma onda sonora, que pode ser captada por um microfone.

É uma situação análoga à de uma onda circular que se propaga pela superfície da água de uma piscina quando se mergulha um dedo na mesma. Se mergulharmos o dedo várias vezes, aparecerão vários círculos que crescem em sequência – uma onda na água. No caso da fototérmica, temos uma onda acústica pelo ar, e a análise dessas ondas com aparelhos e softwares adequados revela propriedades importantes do material. Essa técnica chama-se fotoacústica.

A fotoacústica pode ser usada para investigar as amostras por meio do calor produzido não só pela incidência de laser, mas por diversas outras formas - por exemplo, pela presença de campos magnéticos (efeito magnetocalórico) e mesmo pela fotossíntese das plantas, em estudos sobre a biofísica dos vegetais, o que também já foi feito pelo grupo (vide figuras abaixo).

Aparato usado para realizar medidas fotoacústicas.

Aparato usado para realizar medidas fotoacústicas. À esquerda, vê-se a representação da amostra e do laser que incide sobre ela, bem como o microfone.
Fonte: Tese de doutorado de André Oliveira Gumarães, IFGW/Unicamp (2008).

A fotoacústica também pode ser usada para investigar a fotossíntese das plantas

A fotoacústica também pode ser usada para investigar a fotossíntese das plantas. Acima, uma das folhas da planta viva está delicadamente acomodada no local apropriado no aparato. A fotossíntese, alimentada pela luz incidente vinda do alto, produz ondas acústicas por causa do calor gerado e do oxigênio produzido, e as ondas são captadas pelo microfone. A planta é acomodada inteira e em uma câmara no aparelho e não sofre danos.
Fonte: Dissertação de mestrado de Rickson Coelho de Mesquita, IFGW/Unicamp (2005), pág. 33.

Caracterização térmica

Outra possibilidade é observar a variação da temperatura na amostra num ponto diferente daquele em que se fez incidir o laser. Assim, pode-se estudar a transmissão de calor – e como as características da amostra relacionadas com a transmissão do calor variam com a intensidade e a frequência do laser incidente. É um campo chamado caracterização térmica.

Efeito miragem e efeito lente

Pode-se, também, fazer outro laser (diferente do laser usado para aquecer o material) passar rasante, próximo à amostra (o laser representado em vermelho na figura abaixo). Esse laser chama-se "de prova", para diferenciar-se do outro laser, usado para aquecer (dito "de excitação"). A variação da densidade do ar ao redor da amostra - por causa do aquecimento provocado pelo laser de excitação - faz com que o laser de prova "rasante" faça uma leve curva. É o que se chama “efeito miragem”, pois seu mecanismo é o mesmo das miragens nas regiões muito quentes da Terra. Um detector mede o desvio do laser de prova e, com isso, consegue-se inferir propriedades da amostra. Uma configuração apropriada do aparato experimental pode também usar esse desvio dos raios de luz para produzir um "efeito lente".

Esquema do aparato experimental usado para investigar uma amostra de material pelo efeito miragem

Esquema do aparato experimental usado para investigar uma amostra de material pelo efeito miragem. O laser que aquece a amostra é o representado pela cor verde. Um mecanismo chamado "chopper" (pode ser, por exemplo, uma roda de pás girando) interrompe várias vezes esse laser, produzindo um feixe intermitente. A amostra, portanto, aquece e resfria sucessiva e rapidamente. O laser "vermelho" passa rente à amostra e sua trajetória é levemente desviada pela alteração na densidade do ar causada pela mudança na temperatura. Esses desvios são medidos pelo detector; eles contêm informações sobre as características da amostra. O amplificador "lock-in" azul garante que se possa correlacionar as informações dos dois lasers. Os sinais são analisados por um software de computador que produz os gráficos.
Fonte: Dissertação de mestrado de Max Erik Soffner, Unicamp/IFGW (2005), pág. 54.

O efeito magnetocalórico e a ressonância magnética

O grupo também associa a fotoacústica com a ressonância magnética eletrônica. Na técnica da ressonância, coloca-se a amostra em um campo magnético que aumenta lentamente. Os spins dos elétrons do material se alinham com o campo magnético aplicado (como a agulha de uma bússola se alinha com o campo magnético da Terra). Ao mesmo tempo, a amostra, que fica numa cavidade, é irradiada com microondas. Para um dado valor do campo magnético, há absorção das microondas pela amostra, com consequente mudança no alinhamento dos spins dos elétrons, e isto é detectado pelo equipamento. O valor de campo magnético para o qual ocorre esta mudança depende do arranjo dos elétrons nos átomos que compõem o material. Esta técnica é semelhante à ressonância magnética usada em aparelhos de tomografia da medicina - mas esta trabalha com a interação entre campos magnéticos e os núcleos dos átomos do material, enquanto a eletrônica, com a interação entre os campos e os elétrons.

O grupo vem usando a ressonância magnética junto com a fotoacústica em investigações de materiais por meio do efeito magnetocalórico (vide figura abaixo). Certos materiais aquecem-se quando submetidos a um campo magnético. Então, para usar esse efeito para obter informações sobre esses materiais, coloca-se-os em um campo constante (DC) e adiciona-se a este um campo de modulação (AC). O aquecimento se dará na frequência do campo modulado. Neste caso a amostra é colocada num tubo fechado contendo um microfone, como na fotoacústica, e o aquecimento produzido aumenta a pressão no ar, dando origem às ondas acústicas que são detectadas pelo microfone.

Montagem para o estudo do efeito magnetocalórico

Montagem para o estudo do efeito magnetocalórico. Elementos da técnica fototérmica foram adaptados a um espectrômetro de ressonância magnética. O campo "DC" é o constante; o "AC" é a modulação.
Fonte: Tese de doutorado de André Oliveira Guimarães, Unicamp/IFGW (2008), pág. 45

Colaborações com outros centros de pesquisa

Todos esses estudos são usados para caracterizar materiais do ponto de vista acadêmico, e também no âmbito das aplicações, seja no melhoramento genético de plantas, seja na produção de dispositivos eletrônicos etc. Neste último caso, a fototérmica permite estudar o desempenho dos dispositivos – transistores, células fotoelétricas, lasers – enquanto eles estão funcionando.

Os estudos com o CPqD e o CTI - No caso do estudo de lasers, por exemplo, o interesse da indústria é que esses dispositivos, se aquecerem demais, podem se degradar e não funcionarem adequadamente. E há casos em que é preciso garantir que eles trabalhem bem por um tempo muito longo, como em amplificadores óticos colocados no fundo do mar para a transmissão de informação por fibras óticas. Os cabos submarinos com fibras óticas precisam desses amplificadores, colocados espaço em espaço, para que a informação consiga alcançar o outro lado (senão, ela chega fraca demais). Os amplificadores óticos possuem lasers, e esses lasers precisam durar muito, pois é extremamente difícil e caro trocá-los ou consertá-los no fundo do oceano.

Nessa área, os membros do grupo trabalharam com empresas francesas e com o CPqD (Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações). O que foi observado foi como a variação da temperatura da amostra influenciava a sua capacidade de refletir a luz (a sua reflectância). Isso foi feito, como usual na fototérmica, jogando-se laser sobre ela. Também, houve colaboração com o CTI (Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer), quando fizeram estudos semelhantes para transistores.

satélite CBERS 4

Na figura acima do satélite CBERS 4, do INPE, destacam-se os painéis solares em azul, à direta.
Fonte: CBERS/INPE – divulgação.

bel-reflexoes
Formação de figuras de interferências em bolhas de sabão

Formação de figuras de interferências em bolhas de sabão. A luz que incide na bolha reflete na superfície externa e na interna (esquerda) e os dois raios refletidos interferem e produzem figuras coloridas (direita). Aqui á apenas uma camada; se houver mais, serão vários raios a interferirem entre si.
Fonte: Wikipedia.

A interação com o INPE - Houve também uma colaboração com o INPE para fazer estudo parecido com células solares (dispositivos capazes de transformar a luz do sol em energia elétrica). Membros do grupo estudaram as camadas de adesivo usadas para colar o vidro protetor das células usadas nos painéis solares de satélites artificiais, com os quais eles coletam a energia do sol para funcionarem (veja a figura acima).

Nesse caso, o que era observado era um outro parâmetro, diferente dos já mencionados: as figuras produzidas pela interferência das luzes refletidas pelas várias camadas do material. O caso é que o adesivo e o vidro protetor formam camadas finas, e o laser incidente sobre eles reflete-se nas diferentes interfaces. De modo que a luz “total” refletida pelo adesivo é composta da superposição de cada uma dessas luzes refletidas. Essas diversas "componentes" interferem entre si, formando figuras com padrões claro-escuro ou coloridos (veja a figura da bolha acima).

Acontece que o padrão de interferência muda com a variação da temperatura da amostra, porque a temperatura faz variar diversas propriedades da mesma, incluindo a sua espessura. A interpretação adequada das variações das figuras de interferência revela informações importantes sobre as propriedades do material.

História do Grupo

O grupo foi fundado nos anos 1980 pelo Prof. Helion Vargas, que trabalhava, até então, no que atualmente é o Grupo de Propriedades Ópticas e Magnéticas dos Sólidos, onde caracterizava materiais com a técnica da ressonância magnética. Nos anos 1970, a pesquisa em fotoacústica com amostras sólidas teve uma efervescência no mundo. Helion passou uma temporada na Inglaterra pesquisando esse assunto e trouxe-o para o IFGW.

No início do grupo, a linha principal era a espectroscopia fotoacústica e a ressonância magnética eletrônica. Logo, as pesquisas se diversificaram pelas outras áreas da fototérmica: efeito miragem, efeito lente, caracterização térmica, análise da reflexão, efeito magnetocalórico. As pesquisas também passaram a incluir colaborações com centros e empresas produtoras de dispositivos eletrônicos, como o CPqD, o CTI e o INPE.