As pesquisas do Grupo de Física de Nanossistemas e Materiais Nanoestruturados possuem basicamente duas vertentes: estudos experimentais de nanoestruturas (nanofios, nanopartículas) e desenvolvimentos da instrumentação para os mesmos, incluindo aparelhos e softwares

As nanoestruturas

A investigação das propriedades de nanofios e nanopartículas – estruturas com até algumas dezenas de átomos de diâmetro – é uma parte fundamental da nanociência e da nanotecnologia, pois grande parte dos nanodipositivos serão feitos desses mínusculos objetos. As suas características são bem diferentes do que seriam no caso de um objeto macroscópico feito do mesmo material. A razão é que, como são tão pequenos – já foram produzidos nanotubos com apenas um átomo de espessura –, as propriedades de sua superfície interferem bastante nas propriedades do corpo como um todo. Além disso, nessa escala de tamanho, efeitos quânticos podem se tornar importantes (como a quantização da corrente elétrica).

No caso dos nanofios, as pesquisas do grupo procuram explorar suas características e seu potencial, investigando como eles transportam corrente elétrica, o que acontece quando são esticados, dobrados, comprimidos (suas propriedades mecânicas); as consequências, nessas características, de pequenos defeitos na sua constituição atômica, etc. O principal método usado pela equipe é observar imagens dos nanofios em nível atômico, feitas por equipamentos do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas. Tudo isso é feito por meio de uma associação com simulações computacionais teóricas dos fenômenos envolvidos, feitas por outros grupos do IFGW. As informações vindas de ambas as linhas – teórica e experimental –, devidamente articuladas entre si, produzem conhecimento que não poderia ser obtido com apenas uma delas.

Imagens feitas pelo grupo no LNLS de um nanotubo de átomos de prata. As imagens mostram três momentos no processo de afinamento e ruptura do nanotubo, da esquerda para a direita. Na imagem do meio, adquire uma configuração oca com três átomos de espessura. Na figura à direita, ele já possui apenas um átomo de espessura. Fonte: Lagos et al., Nature Nanotechnology 4, 149 (2009).

Outro sistema abordado pela equipe são nanopartículas sobre superfícies e nanoagregados. Estes últimos são partículas nanométricas e subnanométricas crescidas a partir de um gás. Mais sobre eles na parte sobre instrumentação, abaixo.

A instrumentação

Na vertente “instrumentação”, a ideia é fazer os instrumentos específicos para pesquisa de ponta, usando para isso o conhecimento produzido pelo próprio grupo. Todos os equipamentos utilizados pelos seus membros foram feitos dentro da equipe (com exceção do microscópio eletrônico, que não se faz artesanalmente, é comprado). A razão é que, em pesquisas na linha de frente da física, os aparelhos devem ser projetados de modo muito específico, de modo que em geral não podem ser encontrados no mercado comercial – devem ser construídos pelos próprios pesquisadores. Isso deve ser feito de tempos em tempos, pois a própria especificidade dos equipamentos exige sua substituição com o avanço das pesquisas.

Os equipamentos mais recentes no qual essa parte das atividades do grupo se concentrou são o microscópio de tunelamento de varredura (STM – scanning tunnel microscope) e uma fonte de agregados metálicos selecionados em massa.

O STM - É um microscópio capaz de distinguir os próprios átomos em uma superfície. O objetivo, com ele, é investigar nanopartículas em superfícies. Nesse tipo de microscópio, há um sensor que é mantido muito perto da amostra a ser estudada - tipicamente a um angstrom (distância menor que o diâmetro da maior parte dos átomos). A essa proximidade, ele pode extrair elétrons da superfície sem tocá-la. À medida que ele se desloca paralelamente à amostra, o relevo da mesma faz com que a distância entre os dois tende a variar – e então a quantidade de elétrons extraída também varia. Essa variação é detectada pelo sensor e o sistema eletrônico é capaz de transformar esses sinais em dados sobre o relevo da amostra. Assim, pode-se obter imagens com resolução do tamanho de um único átomo.

Com o sensor tão próximo da superfície, é necessário barrar todas as vibrações. Todo o sistema é construído sobre um amortecedor que bloqueia frequências acima de 1 Hz com amplitudes abaixo de um micron. Além disso, também há o amortecimento devido à rigidez do sistema (ou seja, o sensor e a amostra acompanham a vibração e não há problema).

Isso é feito com pequenas pinças ou pontas com as quais é possível fazer arranjos e dar forma a estruturas nanométricas artesanalmente enquanto são observadas pelo microscópio. Esse mesmo sistema tem capacidade para medir forças. Pode-se com ele também fazer ensaios em metalurgia de nanossistemas (puxa-se um nanofio, vê-se como estica, como se curva, medem-se as forças envolvidas etc.).

Sequência de manipulação de um nanofio de InP (índio-fósforo). Em as duas pontas pegam um nanofio (a), transportam-na para um substrato com contatos de ouro (b) e é posicionado entre dois desses contatos (c-f).
Fonte: Tese de Doutorado de Denise Basso Nakabayashi, Unicamp/IFGW (2007), pág. 29

A fonte de agregados - Trata-se de uma máquina que sintetiza partículas nanométricas e subnanométricas a partir de um gás. Esse aparelho produz uma nuvem de nanopartículas de diversos tamanhos; em seguida, um sistema eletrostático as separa de acordo com suas massas: a atração elétrica acelera mais as mais leves e, assim, elas separam-se no espaço de acordo com suas massas e pode-se coletar apenas aquelas com o tamanho que se queira. Com isso, é possível se obter partículas de apenas alguns poucos átomos, tanto de metais puros como de ligas metálicas. Elas apresentam propriedades muito peculiares que dependem fortemente do seu tamanho. Essa parte instrumental das pesquisas requer uma formação complementar dos estudantes dentro do próprio grupo, voltada a atividades necessárias nesse tipo de estudo, como construção de aparelhos eletrônicos, hidráulica e desenho mecânico. Os alunos adquirem treinamento em áreas que tradicionalmente não fazem parte da formação de um físico, como conhecer comercialmente sistemas de tecnologia de ponta para saber o que comprar e o que não comprar, manutenção de contatos com a área técnica, domínio do jargão técnico.

História do grupo

O Grupo nasceu em 2005, tendo como linhas iniciais de pesquisa a investigação de nanofios por meio da microscopia eletrônica e por meio de radiação síncrotron no LNLS.

Desde então, a equipe tem se especializado não só na investigação de nanoestruturas (incluindo também agregados subnanométricos e nanopartículas sobre substratos), mas também na construção dos próprios equipamentos que utilizam.