O Laboratório de Nano e Biossistemas atua no estudo de nanomateriais semicondutores, e na pesquisa em biossistemas. Ligando esses dois temas, temos a intensiva utilização de microscopia, de varredura por sonda e eletrônica, e a fabricação de biossensores baseados nos materiais de interesse do grupo.

Síntese de Nanomateriais

A síntese de um determinado tipo de material pode ser feita com diferentes técnicas. No grupo, utilizamos técnicas de crescimento, que é a deposição gradual de átomos ou moléculas sobre um substrato, que vai formando objetos nanométricos (nanofios, filmes finos, etc.). Já a caracterização é o estudo das propriedades dos materiais obtidos com esses métodos.

Um método muito usado para o crescimento é a epitaxia por feixe molecular (CBE, chemical beam epitaxy). Nela, moléculas que contém os átomos do material que se deseja formar atingem um substrato e nele o material cresce. Por exemplo, moléculas contendo arsênio e gálio podem formar um microfilme semicondutor constituído por esses dois elementos.

Equipamento CBE, Depto Física Aplicada IFGW

O CBE também pode fornecer informações sobre a amostra enquanto ela é formada. Esta técnica – já na área da caracterização – é feita com feixes de elétrons incidindo sobre a amostra. Além desta, o grupo trabalha com um conjunto de técnicas de obtenção de imagens de altíssima resolução comumente chamadas de microscópios de varredura, capazes de distinguir estruturas da mesma ordem de tamanho que o diâmetro de um átomo.

Há vários tipos de microscópios de varredura. No Grupo possuímos dois equipamentos de Microscopia de Varrredura por Sonda, ou SPM (Scanning Probe Microscopy). As figuras abaixo mostram estes equipamentos. No modo de medida mais comum, a microscopia de força atômica (AFM),uma ponta se aproxima da superfície do material, mas não a toca (há outros tipos de medida em que elas se tocam).Mas a ponta se aproxima tanto que aparece uma força de atração entre ela e a superfície, aparentada com certas forças que mantêm as moléculas das substâncias juntas. O sistema do microscópio monitora a variação desta força à medida que varre a superfície da amostra, cancelando a variação através da mudança de posição vertical da amostra. Esta mudança dá indicações sobre a forma da superfície da amostra, criando um mapa da mesma. Dependendo de como é feita a medida (e que ponta é utilizada), pode-se obter mapas de diferentes características da amostra, que permitem a caracterização de suas propriedades elétricas, magnéticas e mecânicas, por exemplo, em nível nanométrico. Caso tenha interesse em utilizar nosso equipamento multi-usuário, clique aqui.

Equipamento de Microscopia de Varredura por Sonda para análise de amostras em ar.

Detalhe da alavanca que segura a ponta (abaixo dela) onde o laser que monitora a medida pode ser observado.

Equipamento de Microscopia de Varredura por Sonda para análise de amostras em atmosfera controlada ou em solução

Além destes equipamentos, o grupo utiliza frequentemente o Laboratório Multi-Usuário (LAMULT) do IFGW, com acesso a uma grande gama de técnicas de caracterização e processamento. Outra facilidade muito utilizada nos projetos do grupo é o Laboratório de Microscopia Eletrônica do LNNano do CNPEM. Através desta facilidade multi-usuário, o grupo tem acesso tanto a microscópios eletrônicos de varredura (que mostram a superfície da amostra) quanto de transmissão, que permitem avaliar as propriedades estruturais (cristalinidade, por exemplo) das amostras com resolução atômica.

Novos Materiais e Nanodispositivos

Com a tecnologia atual, pode-se fabricar materiais novos com propriedades originais, adequadas para diversos fins. As pesquisas acadêmicas nessa área aperfeiçoam os métodos para se obtê-los e estudam suas características. Em diversos laboratórios do mundo, há possibilidades até de, em certas condições, projetar materiais ainda não existentes que tenham as propriedades que se deseja (pesquisa sobre “materiais funcionais”). Muitas vezes, o procedimento é usar como base certas regularidades conhecidas que guiam as pesquisas.

Um dos fenômenos interessantes explorados nesses estudos são os de interfaces, ou seja, nas junções entre diferentes tipos de materiais; e também os efeitos de tamanho. Estes últimos são importantes para materiais com estruturas (ou “detalhes”) muito pequenos, da ordem de dezenas ou centenas de átomos de diâmetro – tais como nanofios, nanotubos e pontos quânticos. A palavra “nano”, aqui, refere-se ao tamanho de bilionésimos do metro.

Quando um material forma objetos tão pequenos, suas propriedades podem diferir bastante dos casos “grandes” (ou como são chamados na literatura, de “volume”). A razão é que, nos objetos nanométricos, as características da superfície do material interferem de modo importante nas suas qualidades como um todo. A superfície dos objetos pode ter propriedades bem diferentes do seu interior – veja-se, por exemplo, o caso da tensão superficial da água. As nanoestruturas, portanto, constituem novas possibilidades de materiais com novas características ainda a serem estudadas e exploradas.

Dentre as nanoestruturas mais investigadas no grupo há os nanofios semicondutores (figura abaixo). Estes são fios de um ou mais materiais semicondutores, com até vários micrometros de comprimento porém até algumas dezenas de nanômetros de largura. Tanto nestes fios, como numa estrutura semicondutora mais convencional em forma de filmes finos superpostos, podemos introduzir pontos quânticos. Estes podem apresentar diversas formas, sendo uma delas pequenas partículas (ou nanocristais) semicondutoras inseridas dentro de outro material semicondutor. Os pontos quânticos funcionam como “armadilhas” inseridas dentro de um material semicondutor, e são capazes de aprisionar elétrons (que, de outra forma, estariam livres para, por exemplo, conduzir eletricidade).

Nanofios semicondutores. Acima: Esquema de como são crescidos os nanofios. Coloca-se sobre o substrato pequenas partículas de ouro (chamadas catalisadoras), com diâmetros tipicamente entre 5 e 100nm. Os átomos de índio e arsênio das moléculas que incidem sobre o substrato (na técnica CBE) agregam-se às partículas de ouro preferencialmente, fazendo com que o fio cresça mais rápido que o filme no substrato ao redor . Abaixo: um nanofio de índio e arsênio montado sobre contatos metálicos de ouro (Au), com "soldas" de platina (Pt). A montagem desta “solda” foi realizada nos equipamentos do Centro de Componentes Semicondutores da Unicamp pelo estudante Murilo Neves de Martins.
Fonte: Dissertação de mestrado de Angela Carolina Narváez González, IFGW/Unicamp (2008), pág. 17 e 54.

Sistemas Biológicos e Biodispositivos

O Grupo também investiga materiais e sistemas biológicos. É possível usar para isso os mesmos equipamentos utilizados para o estudo dos outros tipos de materiais. A ideia é utilizar técnicas complementares às já usadas pelos biólogos ou engenheiros de materiais, de modo a adicionar informações aos estudos existentes, numa abordagem original. Um exemplo é o estudo do crescimento da bactéria Xylella fastidiosa – ou Xf - numa superfície de celulose, ao invés de no vidro, como geralmente se faz em laboratórios, com o objetivo de compreender como ela consegue se fixar num substrato (a Xylella causa o amarelinho, doença comum em frutas cítricas). Este estudo é feito em colaboração com o Centro de Citricultura do Instituto Agronômico de Campinas. Uma das vantagens é que as técnicas utilizadas no grupo – que incluem microscopia de fluorescência - permitem a observação das células vivas, como mostra a imagem (A).

(A) Imagem de microscopia de fluorescência mostrando estágios iniciais de biofilmes de bactérias Xf vivas que expressam GFP, proteína que fluoresce no verde (magnificação=60X)

Imagem AFM de células de Xf aderidas em vidro

Além disso, o grupo conta hoje com uma grande infra-estrutura de apoio (capelas, estufas, autoclave, etc) para a preparação de amostras no próprio laboratório, como ilustram as imagens a seguir.

Fotos do laboratório mostrando o microscópio de fluorescência e estação de pontas para medidas em dispositivos

Infra-estrutura de apoio à preparação de amostras biológicas

Infra-estrutura de apoio à preparação de amostras biológicas

Membrana modelo (múltiadas de lipídios sustentadas por lâmina de mica)observada por microscopia de força atômica em solução aquosa. Em t=0 foi adicionada o anestésico dibucaína em pequena concentração na célula líquida onde se encontra a membrana. Nota-se nas imagens bicamadas incompletas (com cor mais clara) que gradualmente desaparecem com o tempo devido à ação do anestésico (setas). Após cerca de 3hs, as bicamadas incompletas desaparecem totalmente e a camada inferior já exibe sinais de desestruturação pela ação do anestésico.
Fonte: Dissertação de mestrado de Gabriela Simone Lorite, IFGW/Unicamp (2007), p. 45

Outro exemplo de pesquisa nesta linha é a investigação da ação de compostos químicos sobre as membranas celulares. Para isso, são feitas membranas artificiais semelhantes às das células vivas (membranas modelo), mas depositadas em uma superfície sólida. Pode-se então investigar, em tempo real, alterações de suas propriedades quando em contato com diferentes quantidades das novas substâncias: mudanças na composição química das membranas, na sua forma, na sua elasticidade. Abaixo, imagens da ação de um anestésico local, a dibucaína, em uma membrana modelo. Há também pesquisas sobre outros artefatos, especialmente nanodispositivos, cujas aplicações são muito variadas e estão ainda sendo exploradas. A nanotecnologia e a nanociência são duas áreas muito promissoras em muitas áreas, da farmacologia à eletrônica. Nanossensores são um dos objetos de estudo do grupo, pois podem apresentar uma sensibilidade muito maior que dispositivos convencionais, justamente pela importância que a superfície (que realiza o sensoriamento) tem em suas propriedades como um todo. Há, no grupo, estudos sobre nanossensores que podem diagnosticar, por exemplo, se alguém teve um caso sutil de enfarte já no primeiro atendimento médico, por meio da análise de proteínas no seu sangue cuja concentração tem correlação com o enfarte. Nanossensores também podem ser usados para monitoramento ambiental (detecção de níveis de poluição e de contaminação, inclusive de patógenos em plantas).