LMBTLaboratório de Materiais e Baixas Temperaturas

Laboratório de Materiais e Baixas Temperaturas (LMBT)

A palavra “materiais”, no nome do Laboratório, refere-se ao estudo de novos materiais com propriedades diferentes das conhecidas – um campo muito ativo na física contemporânea. No LMBT, os físicos produzem e investigam basicamente dois tipos: nanoestruturas magnéticas e ligas amorfas.

Ligas amorfas são ligas metálicas nas quais os átomos estão desordenados. Acontece que, em ligas metálicas normais, os átomos ordenam-se naturalmente em estruturas cristalinas. As ligas amorfas são, portanto, materiais novos com propriedades diferentes das usuais, que o grupo tem investigado. O segredo para produzi-las é o resfriamento ultrarrápido (10 mil graus por segundo), que impede os átomos de se reorganizarem para formar cristais antes de o material terminar de se solidificar.

Produção de ligas amorfas na forma de fitas

Esquema de uma das formas de produção de ligas amorfas na forma de fitas. O resfriamento ultrarrápido acontece pelo contato do metal derretido com a roda girante resfriada. À direita, fotografia do aparato
Fonte: Tese de doutorado de José Gerivaldo dos Santos Duque. IFGW, Unicamp (2005), pág. 28

As nanoestruturas magnéticas, por sua vez, são materiais magnéticos que possuem estruturas (“detalhes”) cujas dimensões são da ordem do nanômetro (centenas de átomos). Isso é muito pequeno, se considerarmos que a cabeça de um alfinete tem cerca de 10 milhões de átomos de diâmetro. Tais materiais, devido às dimensões reduzidas, apresentam novos fenômenos físicos não observados em sua “versão” volumétrica.

Essa novidade tem sido explorada pelos novos ramos da nanociência e da nanotecnologia. As aplicações são inúmeras, desde novos medicamentos (as nanoestruturas são tão pequenas que uma enorme quantidade delas pode comportar-se macroscopicamente como um líquido com propriedades incomuns) até estudos para um “nanocomputador”, que seria muito menor que os de hoje (que tem estruturas microscópicas).

Produzindo nanoestruturas

Nanopartículas de cobalto imersas em uma matriz de sílica

Imagem de nanopartículas de cobalto imersas em uma matriz de sílica - Co0,71(SiO2)0,29 -, feita por microscopia eletrônica de transmissão de campo claro. Na imagem, um centímetro equivale a aproximadamente 20 nanômetros (20 milionésimos de milímetro)
Fonte: Tese de doutorado de Ana Lúcia Brandl, IFGW, Unicamp (2004), pág. 51

As duas vertentes – ligas amorfas e nanoestruturas – estão intimamente ligadas: é partir das ligas amorfas que o grupo produz algumas das nanoestruturas estudadas. Isso é feito graças ao fato de que o estado amorfo das ligas assim produzidas não é muito estável: a liga cristaliza-se espontaneamente (portanto, deixa de ser amorfa) caso haja alguma perturbação, como uma pequena elevação de temperatura ou uma corrente elétrica passando por ela. Por isso, diz-se que elas estão num “estado metaestável”.

Acontece que a cristalização não se dá de forma homogênea por toda a fita: ela acontece simultaneamente em inúmeros pontos. E não há nada que obrigue esses cristais produzidos independentemente em diferentes partes a “encaixarem-se” perfeitamente um nos outros, de modo a produzir um cristal uniforme por toda a fita. Aparecem, portanto, várias regiões cristalinas diferentes, independentes. Em algumas ligas, essas regiões são minúsculas, com tipicamente centenas de átomos de tamanho. Produzem-se, então, as “nanoestruturas”.

O LMBT tenta entender as características dessas nanoestruturas e por que elas são como são. Para isso, fazem o que se chama “caracterização”, ou seja, estudos de suas propriedades mediante aplicação de campo magnético, mudança de temperatura, pressão corrente elétrica etc.

No momento, o LMBT se dedica à fabricação e estudo de uma série de outras nanoestruturas, como nanopartículas, nanofios diversos, sistemas de “antidots” magnéticos, magnetos moleculares e filmes finos.

A magnetorresistência e a magnetoimpedância gigantes

Entre os vários fenômenos diretamente relacionados a nanoestruturas, a magnetorresistência gigante (GMR, da sigla em Inglês), em cuja descoberta esteve envolvido um físico brasileiro (Prof. Mario Baibich), sem dúvida é o mais conectado com nossa vida cotidiana. Sua descoberta em 1988 provocou uma revolução em certas áreas da tecnologia, em especial no que diz respeito à leitura de informações gravadas nos discos rígidos dos computadores. A GMR consiste na mudança da resistividade de um material mediante aplicação de campo magnético externo e sua explicação se baseia em um mecanismo de espalhamento magneto-eletrônico de origem quântica e que depende da orientação do spin do elétron com relação á magnetização local do material.

Outro fenômeno relacionado ao transporte eletrônico em sistemas magnéticos investigados no LMBT é a magnetoimpedância gigante (GMI, da sigla em inglês). Com origem completamente diferente da GMR, tal efeito consiste na mudança da impedância elétrica (medida mediante passagem de corrente alternada) devida à aplicação de campo magnético externo.

Descoberta no início dos anos 1990, o efeito era muito maior que a “versão” observada devida à GMR e recebeu também o nome “gigante”. Apesar de ambas estarem relacionadas com resistência, são explicadas por mecanismos bem distintos e a magnetoimpedância produz efeitos bem maiores.

O fenômeno da GMI também teve brasileiros envolvidos em sua descoberta (Sérgio Rezende e Fernando Machado, da Universidade Federal de Pernambuco).

HISTÓRIA

O nióbio

O Laboratório de Baixas Temperaturas (hoje "de Materiais e Baixas Temperaturas") foi fundado em 1970 por Daltro Pinatti, que veio da Rice University, nos EUA, onde havia defendido seu doutorado, com a ideia de investir na pesquisa sobre nióbio.

Havia três razões para isso. Primeiro, o nióbio é muito bom para produzir as chamadas “ligas especiais”, que são ligas metálicas nas quais uma pequena quantidade de material adicionado melhora muito seu desempenho – como no aço. Atualmente, os aços microligados são responsáveis por 75% do consumo mundial de nióbio.

A segunda, a mais importante para Pinatti, era que o nióbio era (e é até hoje) o supercondutor mais usado, por sua conveniência. Os supercondutores de alta temperatura crítica (a temperatura na qual ele se torna supercondutor), descobertos a partir de 1986, ainda não têm aplicações comercialmente viáveis o suficiente para ameaçar o nióbio.

E a terceira razão era que o Brasil tinha – e ainda tem – as maiores reservas de nióbio do mundo. Hoje, é o maior produtor de nióbio puro do globo.

A parceria com a CBMM

O grupo começou, portanto, com ênfase na pesquisa aplicada. Os estudos concentravam-se, por um lado, na obtenção do nióbio de alta pureza a partir do minério extraído pela Companhia Brasileira de Mineração e Metais, CBMM, das minas de Araxá, em Minas Gerais (as maiores do mundo). Foi feito um convênio com a empresa para isso. Mais tarde, a própria empresa passou a produzir o nióbio puro, com um equipamento que comprou da Alemanha. As pesquisas do LMBT foram fundamentais para que a empresa chegasse a produzir o nióbio de alta pureza a ponto de poder exportá-lo, como faz hoje.

A parceria com a empresa continuou com pedidos esporádicos da mesma para a caracterização do nióbio que ela produzia. Mais tarde, a empresa voltou a procurar o grupo para esse fim.

Supercondutividade e outras pesquisas

Por outro lado, explorava-se também a supercondutividade do nióbio. Pesquisava-se a produção de fios supercondutores feitos com ligas de nióbio – especificamente, as ligas nióbio-titânio e nióbio-3-estanho. Também estudava-se outras ligas metálicas, concentrando-se em suas propriedades magnéticas, e vários metais refratários (resistentes a altas temperaturas).

Mudança para a pesquisa básica

O perfil das pesquisas começou a mudar com a chegada da pesquisadora Reiko Turtelli, em 1985, vinda do grupo de Rogério Cerqueira Leite, do Departamento de Física do Estado Sólido. Reiko queria estudar ligas amorfas e nanoestruturas e seu perfil estava na pesquisa básica. Em 1989, Daltro Pinatti foi para Lorena, SP, onde criou o Projeto Nióbio dentro da Fundação de Tecnologia Industrial, subordinada ao Ministério da Indústria e Coméricio (MIC). Nesta Fundação, foi possível o refino de nióbio em escala bem maior do que era possível com a estrutura do LBMT. Entretanto, as pesquisas de supercondutividade em ligas e compostos de nióbio continuaram no LMBT com Oscar Ferreira de Lima. A linha de pesquisa de Reiko, atualmente na Universidade de Tecnologia de Viena, teve continuidade com a chegada de outros pesquisadores, nos anos 1990, quando a magnetorresistência gigante e a magnetoimpedância gigante estavam sendo bastante pesquisadas no mundo todo.


SAIBA MAIS:

Prova de qualidade, revista Pesquisa Fapesp, agosto de 2001 (sobre a pesquisa com o MgB2 no IFGW).
http://www.revistapesquisa.fapesp.br/?art=1441&bd=1&pg=2&lg=

Superpoderes dos nanomagnetos (Marcelo Knobel), Ciência Hoje 159, pág. 132
http://www.cbpf.br/~labmag/knobel.pdf

Laboratório do IFGW otimiza propriedades dos nanomagnetos (Manuel Alves Filho), Jornal da Unicamp 239, 01/12/2003
http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/dezembro2003/ju239pag11.html

Nanociência e nanotecnologia: modelando o futuro átomo por átomo – Do projeto Desafios da Física, do CBPF
http://mesonpi.cat.cbpf.br/desafios/pdf/FolderNANO_BaixaRes.pdf