LMDLaboratório de Materiais e Dispositivos

LMD

Atualmente, as investigações do grupo concentram-se em novas propriedades do grafite e do bismuto descobertas por seus membros a partir de 1999. Após a confirmação dessas propriedades por equipes no Reino Unido e nos EUA, em 2005, intensificaram-se as pesquisas científicas sobre elas no mundo todo.

Não se trata do mesmo grafite do lápis, mas de uma forma chamada “grafite pirolítica altamente orientada” (HOPG). Ambos são feitos de átomos de carbono ordenados em hexágonos que, por sua vez, formam planos que se dispõem em camadas (veja a figura ao lado). A principal diferença é que, no grafite comum, há muitas irregularidades ou defeitos nesse ordenamento; no HOPG, muito poucas. O termo “pirolítico” refere-se ao modo como é obtido (decomposição de substâncias orgânicas pelo aquecimento, ou “pirólise”).

As principais propriedades “novas” o grafite são:

Estrutura do grafite

Estrutura do grafite: os átomos se ligam de modo a agrupar-se em camadas de hexágonos
Fonte: Wikipedia

A supercondutividade local – A supercondutividade ocorre quando a resistência elétrica de um material vai a zero. Algo muito atraente, pois permite economizar grande quantidade de energia dissipada pelo aquecimento de circuitos e fios – (apesar de ainda não ter sido possível fazer estruturas grandes, como fios, com esses materiais, o que impede seu uso comercial. Em geral, ocorre em temperaturas baixíssimas, de até –131 graus Celsius. A supercondutividadelocal aparece quando essas propriedades aparecem em pequenos “grãos” dentro do material, e não nele como um todo. No grafite, a supercondutividade local aparece numa faixa bem ampla de temperaturas, e pode ultrapassar a temperatura ambiente (cerca de 27 graus Celsius). Ele, no entanto, não consegue conduzir eletricidade, pois a condução de um grão para o outro não é boa. Uma das linhas de pesquisa do grupo tenta contornar esse problema e fazer com que o grafite conduza bem a eletricidade mesmo entre os grãos.

Transição metal-isolante – Um campo magnético aplicado sobre o grafite pode fazê-lo passar de isolante para condutor e vice-versa.

Ferromagnetismo – Esse termo significa que, em certas condições, o grafite é facilmente magnetizável e facilmente atraído por ímãs. A coisa interessante é que, ao contrário de em supercondutores comuns, no grafite o ferromagnetismo e a supercondutividade local podem coexistir.

Efeito Hall quântico – Trata-se de uma variação do efeito Hall, descoberto em 1879 pelo físico estadunidense Edwin Hall (1855-1938). O que ele observou foi que, quando se aplica um campo magnético sobre um condutor através do qual esteja passando uma corrente elétrica, aparece uma corrente “secundária”, além da que já existia, perpendicularmente à primeira (veja as figuras ao lado). Em 1975, o japonês T. Ando previu teoricamente que esse efeito poderia ter características singulares se as condições também o fossem: temperatura muito baixa, campo magnético muito intenso e os átomos do condutor dispostos num plano (como fazem os do grafite). Nessas condições, a condutividade do material para essa corrente secundária (a “facilidade” com que ele pode conduzir essa corrente) poderia exibir apenas alguns valores específicos – ou seja, a condutividade seria “quantizada”. O efeito foi confirmado no laboratório por Klaus von Klitzing em 1980 (que ganhou o prêmio Nobel de Física de 1985 por causa disso).

Presença de férmions de Dirac – A corrente elétrica normalmente nada mais é do que elétrons em movimento através de um material. Acontece que, em certas condições, esses elétrons comportam-se de forma bem diferente de elétrons normais – eles exibem propriedades semelhantes aos fótons de luz. Comportam-se como se tivessem massa zero, por exemplo. Partículas com essas características são chamadas “férmions de Dirac”. Isso foi observado no grafite pelo grupo.

Efeito quântico hall
Efeito quântico hall

Efeito Hall quântico: As figuras mostram como a corrente elétrica gerada pela pilha sofre um desvio para cima quando passa através do campo magnético. Na figura de baixo, o sentido da corrente foi trocada, e o sentido do desvio também mudou
Fonte: Wikipedia

Outros materiais

Oito estados alotrópicos do grafite

Oito estados alotrópicos diferentes do grafite: a) diamante; b) grafite; c) lonsdaleíta; d), e), f) três tipos de fulereno; g) carbono amorfo (os átomos não formam nenhuma ordem); h) nanotubo
Fonte: Wikipedia

O grafite é, na verdade, uma das formas que o carbono pode assumir, que diferem entre si pelo modo como os átomos estão dispostos – diz-se “formas alotrópicas” (veja a figura ao lado). O grupo vem também pesquisando as propriedades de outras formas alotrópicas, como nanodiamantes (diamantes com apenas algumas dezenas de átomos de diâmetro), fulerenos (formados por inúmeras “bolas” de 60 átomos de carbonos), nanotubos (pequeninos tubos de carbono com alguns átomos de diâmetro) e o grafeno (planos de apenas um ou poucos átomos de carbono de espessura). Também são pesquisados materiais “novos” com a introdução de minúsculas quantidades de “impurezas” no grafite (o termo técnico é “dopagem” do grafite – o mesmo método pelo qual se transforma um semicondutor num material próprio para fazer transístores e circuitos integrados).

Além disso, o grupo descobriu também propriedades parecidas no bismuto, e vem investigando-as. Nesse material, o grupo encontroua transição metal-isolante e o efeito Hall quântico, mas a supercondutividade, apesar de ser semelhante à do grafite, possui algumas características próprias. Em especial, ela não é apenas local. O grupo observou pela primeira vez a supercondutividade no bismuto a cerca de 8 K (–265°C), induzida por contatos metálicos de prata colocados na superfície do policristal volumétrico do material. Esse resultado está em bom acordo com as previsões teóricas.

Também se pesquisa bismuto dopado com outros materiais. O bismuto dopado com antimônio passa de condutor a isolante e exibe um efeito parecido com o Hall quântico, chamado “efeito Hall quântico de spin”, observado pela primeira vez apenas em 2007, na Alemanha, e que não precisa de campos magnéticos para aparecer.

O que inspira esses estudos é a pesquisa básica e também possibilidades de aplicação. Por causa da transição metal-isolante do grafeno, pode-se controlar as suas propriedades elétricas com campos magnéticos externos e fazê-lo funcionar de modo semelhante a transístores do tipo MOSFET. A vantagem sobre o transístor de silício (o mais usado) é que, com o grafeno, pode-se fazer dispositivos muito menores. O silício permite construir dispositivos de até 10 ou 20 nanômetros (cerca de 100 ou 200 átomos) de tamanho; o grafeno permite ultrapassar esse limite. Mas ainda há vários obstáculos, como a sensibilidade grande a átomos eventualmente absorvidos pelo material, ou à interação com o “suporte” (o substrato) sobre o qual o grafeno é colocado. Uma outra linha de pesquisa do grupo é eliminar esses obstáculos.

História do grupo

O surgimento do grupo, fundado em 1987 por Sérgio Moehlecke, foi uma decorrência da descoberta dos supercondutores de alta temperatura crítica (“de alto TC”), no ano anterior. Até então, a supercondutividade só podia ser obtida a no máximo poucas dezenas de graus acima do zero absoluto, o que exigia que o material fosse resfriado com hélio líquido, que é proibitivamente caro.

Em 1986, foram descobertos materiais cerâmicos que se tornavam supercondutores acima de –196 graus Celsius. Isso ainda parece frio demais, mas essa temperatura pode ser obtida com nitrogênio líquido, tão barato que é diariamente jogado fora após experimentos em laboratórios de ensino. O sonho da resistência zero pareceu economicamente viável – ainda que obstáculos de ordem mais prática ainda impeçam o seu uso comercial para grandes estruturas, como fios longos.

Imediatamente, grande quantidade de laboratórios do mundo todo passaram a investigar os novos supercondutores, chamados “de alta temperatura crítica”. No grupo de Ivan Chambouleyron (o Laboratório de Conversão Fotovoltaica), na Unicamp, Sérgio Moehlecke, passou a pesquisá-los e distanciou-se da linha de pesquisa principal do grupo, sobre memórias óticas (dispositivos que usam laser para registrar e ler informações). Fundou então um novo grupo, o do Laboratório de Materiais e Dispositivos.

As pesquisas pré-grafite – As atividades do novo grupo abrangiam, além da supercondutividade em alta temperatura crítica, o estudo das propriedades de filmes finos (finíssimas películas que podem chegar a poucos átomos de espessura), super-redes metálicas (formadas por repetição de camadas de poucos átomos de espessura de diferentes materiais, que exibem propriedades diferentes dos materiais comuns) e micromachining (um processo para “escuplir” no silício, por meio de corrosão controlada com alta precisão, as estruturas microscópicas necessárias para a fabricação de dispositivos microeleterônicos).

Em 1993, Yakov Kopelevich chegou no grupo, vindo do Instituto Físico-Técnico A. F. Ioffe, em São Petersburgo, na Rússia, e de dois anos na Universidade de Bayreuth, na Alemanha. Naquela altura, o grupo pesquisava o estado misto dos supercondutores do tipo II, em que o campo magnético penetra na forma de vórtices, ou seja, quanta do campo magnético. Supercondutores do tipo I são aqueles em que os campos magnéticos são capazes de destruir a supercondutividade, e os de tipo II são imunes a esses campos.

O grafite – Em 1999, houve a descoberta da supercondutividade local de alta temperatura no grafite e, em seguida, de várias outras propriedades incomuns naquele material, tais como a descoberta do efeito Hall quântico, em 2003, e de férmions de Dirac, em 2004. Depois que essas novas propriedades foram também observadas no grafeno, nas universidades de Manchester (Reino Unido) e Columbia (EUA), em 2005, o número de artigos sobre o grafeno e o grafite aumentou drasticamente. Atualmente, as linhas de pesquisa que envolvem materiais à base de grafeno estão sendo consideradas como as mais importantes da Física do Estado Sólido. Somente no ano de 2010 foram publicados cerca de 2.500 artigos científicos sobre este material, e o Prêmio Nobel em Física de 2010 foi concedido para os físicos da universidade de Manchester pelos trabalhos realizados sobre o grafeno.

Saiba mais

O misterioso mundo da supercondutividade (Carlos Alberto dos Santos) – Site da Ciência Hoje, 25/05/2007
http://cienciahoje.uol.com.br/colunas/do-laboratorio-para-a-fabrica/o-misterioso-mundo-da-supercondutividade

Física de ponta volta à ponta do lápis (Luiz Sugimoto) – Jornal da Unicamp 365, julho de 2007
http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/julho2007/ju365pag03.html