A principal linha de pesquisa do Grupo de Sólidos Orgânicos e Novos Materiais são simulações em computador de propriedades estruturais, eletrônicas e de transporte de nanoestruturas, em especial envolvendo nanofios e nanotubos. Os métodos estatísticos teóricos utilizados também são aplicados para estudar diversos outros fenômenos, como evolução de espécies biológicas, desenvolvimento de sensores de radiação ou química de polímeros.

GSONM

Em grande parte das vezes, os membros da equipe fazem seus estudos teóricos em associação com grupos experimentais, para que exista uma efetiva colaboração teria/experimentos, o que facilita os testes e previsões dos modelos teóricos, e, em algumas vezes, a proposição de novos experimentos.

Nanoestruturas são objetos que tem, em alguma das suas dimensões, apenas alguns nanometros (bilionésimos de metros). São objeto de um ativo campo de estudos, com aplicações possíveis ou já concretizadas em diversas áreas, da farmacêutica à eletrônica. O interesse sobre elas se deve a que, por serem tão pequenas, apresentam algumas propriedades que não estão presentes em versões macroscópicas feitas do mesmo material. Outro aspecto importante é que em dimensões reduzidas a relação superfície/volume é muito importante, e consequentemente, fenômenos de superfície acabam tendo uma maior importância. O resultado é que apresentam uma rica gama de fenômenos peculiares que estão sendo investigados no mundo todo. Os nanofios, por exemplo, podem ser úteis para um próximo passo na miniaturização de sistemas eletrônicos; já com os nanotubos, pode-se fazer materiais novos com propriedades inéditas (por exemplo, alta resistência à quebra mecânica ou por temperaturas elevadas).

O uso de computadores para realizar simulações de novos ou materiais já existentes, envolvendo diversas propriedades desses materiais, permite o estudo de fenômenos que seriam muito mais dispendiosos ou impossíveis de serem realizados em laboratório. Esse tipo de estudo constitui uma vertente inteira da pesquisa geral em física teórica, denominada “física computacional”. As atividades do grupo incluem o desenvolvimento e a adaptação de programas computacionais para as diversas aplicações. Verifica-se com esse método, por exemplo, se é possível existir “árvores” de nanotubos (se essa configuração é estável), ou nanoesferas dentro de nanotubos, ou estruturas oscilantes compostas de nanotubos; as características de materiais feitos de nanotubos retilíneos, ou com forma de mola, ou de rocambole (nanorrolos); como esses materiais se comportam quando algo colide contra eles; o que acontece quando nanofios são puxados até arrebentarem, ou quando colidem com alguma coisa; como se comportam quando a temperatura aumenta, ou quando contém impurezas na sua estrutura, ou quando corrente elétrica passa através deles (um efeito interessante é que a corrente elétrica em nanofios é quantizada – apenas alguns valores bem determinados são possíveis).

Eventualmente, as novas estruturas previstas teoricamente podem ser confeccionadas em laboratórios. Descobertas teóricas sobre propriedades novas podem orientar os grupos experimentais nas suas pesquisas – assim como as pesquisas experimentais podem indicar caminhos para o desenvolvimento de novos modelos teóricos.

Um dos grandes objetivos por detrás dessas pesquisas é a exploração das possibilidades de aplicação tecnológica. Outro é compreender como os nanotubos e outras nanoestruturas são formadas nos laboratórios, o que ainda não se sabe ao certo. Uma terceira é compreender a física por detrás dos diversos fenômenos peculiares que esses sistemas podem apresentar.

Os programas computacionais utilizados pelo grupo envolvem teorias estatísticas que podem ser adaptadas para aplicação em sistemas completamente diferentes. A equipe tem realizado com eles estudos em biofísica – dinâmica de populações e evolução biológica; ou a solução problemas envolvendo a química dos polímeros por meio algoritmos baseados no modo como as formigas encontram o melhor caminho de um ponto a outro, por tentativa e erro, valendo-se de seus marcadores químicos.

Eis abaixo alguns exemplos de estruturas investigadas pelo grupo. As imagens dos experimentos reais foram obtidas por grupos colaboradores e publicadas nos mesmos artigos indicados.

Estruturas feitas puramente de carbono

A maioria dos materiais se contraem e se tornam menos densos quando esticados. Materiais que apresentam o contrário dessas propriedades intuitivas, isto é, se expandem lateralmente a aumentam a densidade, são chamados de auxéticos. Materiais auxéticos são muito interessantes por suas propriedades intrínsecas e por uma grande possibilidade de aplicações tecnológicas, incluindo muitas de caráter militar. Nós previmos, a partir de simulações computacionais que estruturas feitas puramente de carbono (como a mostrada acima) poderiam ser auxéticos. Isto foi confirmado recentemente para materiais feitos a partir de misturas de nanotubos de carbono.
Fonte: Baughman e Galvão, Nature 365, 735 (1993); Hall et al., Science 320, 504 (2008)

Simulação da adsorção de uma molécula orgânica sobre uma superfície

Simulação da adsorção de uma molécula orgânica (Violet Lander ou VL) sobre uma superfície (de cobre). Observou-se experimentalmente que a capacidade dessa substância de se difundir ao longo da superfície, após depositada nela, varia e até 100 vezes dependendo da sua orientação com relação ao ordenamento dos átomos de cobre. A simulação mostrou por que isso acontece: em certa posição, como em (a), a molécula se “encaixa” na rede cristalina do cobre, o que torna muito mais difícil ela se deslocar e, conseqüentemente, difundir-se pela superfície. Essa foi a primeira observação do chamado efeito chave-fechadura não biológico.
Fonte: Otero et al., Nature Materials 3, 779 (2004)

Nanotubos de prata com seção transversal quadrada

Apesar de muitos anos na investigação da formação de nanofios metálicos a partir de estiramento mecânico, alguns resultados inesperados ainda se produzem, como a descoberta de nanotubos de prata, o menor possível, com seção transversal quadrada, como indicado na figura acima.
Lagos et al., Nature Nanotechnology 4, 149 (2009); Autreto et al., Phys. Rev. Lett. 106, 065501 (2011)

Uma floresta de nanotubos helicoidais sobre uma superfície

Uma “floresta” de nanotubos helicoidais sobre um superfície: em (a), a visão de um sistema real com HRTM; em (b), um esquema mostrando uma esfera colidindo com a superfície; em (c), esquema de um nanotubo. O grupo simulou em computador o que acontece quando a esfera é jogada sobre a superfície com floresta de nanotubos helicoidais. A superfície foi jogada de volta e os nanotubos retrocederam à posição original, como molas.
Fonte: Coluci et al., Phys. Rev. Lett. 100, 086807 (2008); Fonseca e Galvão, Phys. Rev. Lett 92, 175502 (2004)

Simulação computacional da formação de nanofios metálicos

Simulação computacional da formação de nanofios metálicos. Uma característica peculiar dos nanofios metálicos é que eles podem ser esticados até se reduzirem a vários átomos enfileirados e permanecerem nessa configuração por um tempo surpreendentemente longo. Isso acontece em diversos metais, como ouro, prata, platina, cobalto e paládio. Já foram observados fios de ouro com a distância entre os átomos de até perto de 5 Angstroms, enquanto no ouro comum, a distância é de 2,88 Angstroms. Explicar esses fenômenos é um desafio científico que simulações computacionais e interpretações teóricas procuram resolver. Acima: Formação de nanofio composto por átomos de ouro e prata, obtida a partir de simulações de dinâmica molecular.
Fonte: Bettini et al., Nature Nanotechnology. 1, 182 (2006)

Imagem de um nanocontato de platina e um modelo estrutural do mesmo

Nano-estruturas muitas vezes exibem propriedades que não são intuitivas. Um exemplo é a formação de defeitos. Quando as estruturas se tornam muito pequenas o custo para formar defeitos pode crescer muito, colocando limites sobre qual o menor tamanho estrutural que ainda é possível criar defeitos. Esses problemas são muito complexos e simulações computaconais ajudam a investigar e entender alguns aspectos desses problemas.
Acima: imagem de um nanocontato de platina e um modelo estrutual do mesmo. As esferas representam os átomos de platina.
Fonte: Rodrigues et al., Phys. Rev. Lett. 99, 255501 (2007); Lagos et al., Phys. Rev. Lett. 106, 055501 (2011)

Simulação por dinâmica molecular de nanoervilhas (fulerenos dentro de nanotubos)

Simulação por dinâmica molecular de nanoervilhas (fulerenos dentro de nanotubos). As “esferas” são o fulereno C60. A figura mostra a formação de uma dupla hélice de fulerenos dentro do nanotubo.
Fonte: Troche et al., Nano Lett. 5, 349 (2005)

Nano-oscilador composto por nanotubos de carbono de diferentes diâmetros

Nanotubos de carbono são materiais extremamente versáteis, que podem ser utilizados em uma vasta gama de aplicações, incluindo nanodispositivos. Na figura acima está indicado um possível nano-oscilador composto por nanotubos de carbono de diferentes diâmetros. Simulações por dinâmica molecular mostraram que esses dispositivos poderiam operar na frequência de gigahertz.
Fonte: Legoas et al., Phys. Rev. Lett. 90, 055504 (2003) - Artigo da capa da edição de 7 de fevereiro