CEPID:

Centro de Pesquisa e Inovação em Materiais Funcionais e Quânticos

CRISQuaM (Center for Research and Innovation on Smart and Quantum Materials)

Missão
“Potencializar a inovação por meio da excelência interdisciplinar em materiais funcionais e quânticos.”

Coordenação e Equipe

Coordenador: Daniel M. Ugarte (Instituto de Física Gleb Wataghin)

Vice Coordenador Materiais: Arnaldo N. de Brito (Instituto de Física Gleb Wataghin)
Vice Coordenador Tecnologias Habilitadoras: Marcos C. de Oliveira (Instituto de Física Gleb Wataghin)
Vice Coordenadora Aplicações: Mônica Alonso Cotta (Instituto de Física Gleb Wataghin)

Coordenador de Educação e Difusão: Marcelo Knobel (Instituto de Física Gleb Wataghin)
Coordenador de Inovação: Antonio Riul Júnior (Instituto de Física Gleb Wataghin)

Pesquisadores Principais:

• Arnaldo Naves de Brito – IFGW - UNICAMP
• Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro – IFGW - UNICAMP
• Diego Muraca – IFGW - UNICAMP
• Fanny Béron – IFGW - UNICAMP
• Felipe Fernandes Fanchini – UNESP
• Gabriela Castellano – IFGW - UNICAMP
• José Alexandre Diniz– FEEC - UNICAMP
• Marcos César de Oliveira – IFGW - UNICAMP
• Mônica Alonso Cotta – IFGW - UNICAMP
• Varlei Rodrigues – IFGW - UNICAMP
• Vivian Vanessa França Henn - UNESP

Comitê Consultivo Internacional:

• Laura M. Lechuga (Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology, Spain)
• Manuel Quevedo-Lopez (The University of Texas at Dallas, USA)
• Thuc-Quyen Nguyen (University of California at Santa Barbara, USA)
• Laura Fabris (Politecnico di Torino, Italy)
• Osvaldo Novais de Oliveira Jr (Universidade de São Paulo, Brasil)

Instituições

• Instituto de Física Gleb Wataghin – UNICAMP
• Faculdade de engenharia Elétrica e Computação – UNICAMP
• Instituto de Economia - UNICAMP
• Faculdade de Ciências – Bauru - UNESP
• Instituto de Química – Araraquara – UNESP
• Instituto de Agricultura de Campinas – IAC
• Laboratório Nacional de Luz Síncrotron - LNLS – CNPEM
• Instituto de Física – UFRJ-RJ
• Universidade Presbiteriana Mackenzie
• Campus Integrado de Manufatura e Tecnologias - SENAI – CIMATEC-BA
• Universidad Católica - Temuco - Chile

Resumo

O CRISQuaM visa explorar o desenvolvimento sinérgico de ciência fundamental e aplicada para criar novos materiais com alto potencial para a construção de dispositivos e sensores para enfrentar desafios tecnológicos associados à sustentabilidade, mudanças climáticas, agricultura de precisão, ecologia e saúde. Para alcançar esses objetivos, montamos uma equipe de pesquisa interdisciplinar e colaborativa, integrando competências em diversos domínios científicos, pesquisando materiais inéditos com elevado potencial de inovação. Ao combinar métodos originais de síntese, técnicas avançadas de caracterização, abordagens teóricas, simulações computacionais, tecnologias quânticas e projetos de construção de dispositivos, buscamos impulsionar avanços em materiais inteligentes e quânticos, fomentando a excelência científica e o desenvolvimento tecnológico. Com isso, planejamos inovações disruptivas em instrumentação — abrangendo hardware e ferramentas baseadas em inteligência artificial —, bem como em tecnologias quânticas, dispositivos biomédicos e processamento de sinais, além de biônica vegetal, explorando interações planta-patógeno. Além das atividades de pesquisa, planejamos ações intensas em educação, difusão e comunicação para o público não especializado, pois uma sociedade moderna deve estar ciente dos desafios que a humanidade enfrenta e de como pesquisa e tecnologia são essenciais para utilizar de forma responsável os recursos limitados do planeta. As atividades de Inovação do CRISQuaM são aceleradas por meio de parcerias com diversas empresas de tecnologias correlatas, muitas delas brasileiras. Por fim, todas as atividades do Centro são geridas em consonância com metas e boas práticas de diversidade, equidade e inclusão.

Descrição

O Centro reúne cientistas, engenheiros e inovadores em um esforço colaborativo para aplicar ciência de materiais e tecnologias quânticas no estado da arte, projetando novos materiais e nano(bio)sensores para diagnósticos avançados. O Centro conta com uma equipe capaz de produzir ampla gama de (nano/micro) materiais, associados a caracterizações químicas e físicas precisas por meio de técnicas modernas (síncrotron, microscopia avançada, magnetotransporte, ressonância magnética, óptica etc.). Além disso, a equipe oferece diversas opções em tecnologias habilitadoras, incluindo miniaturização, processamento e manufatura aditiva, bem como instrumentação, sensoriamento quântico e desenvolvimento de eletrônica. A análise de dados empregará abordagens atualizadas (simulação numérica, aprendizado de máquina clássico e quântico e otimização quântica).
As aplicações na fronteira do conhecimento abordarão necessidades urgentes de sustentabilidade nas áreas ambiental, agricultura de precisão, biônica vegetal e interfaces biomédicas, contribuindo para o desenvolvimento de tecnologias locais em estreita parceria com a indústria brasileira.

Instituição-sede e Equipe de Pesquisa

O CRISQuaM tem sede no Instituto de Física Gleb Wataghin (UNICAMP), um centro de excelência com inúmeras contribuições em áreas teóricas, experimentais e de instrumentação científica, tanto acadêmicas quanto tecnológicas. A proposta agrega também parcerias importantes: pesquisadores de outras universidades (UNESP, UFRJ, CIMATEC, IAC, CNPEM, Mackenzie) e empresas (Venturus, Krilltech, CiaCamp, Amazon Agroscience, Labtermo e 3DBS, além da europeia Veridi), mantendo forte interface com P&D.

A organização do Centro baseia-se em três pilares — Materiais, Tecnologias Habilitadoras e Aplicações — em conjunto com as empresas parceiras, como descrito na figura embaixo.

Metas Científicas e Tecnológicas

Nosso objetivo principal é atingir em médio prazo o desenvolvimento de trilhas científicas e tecnológicas que identifiquem respostas inteligentes de materiais, compreendê-las e aperfeiçoá-las, avançando para a prototipagem de aplicações em sensores. Mantemos colaboração próxima com parceiros industriais para acelerar a exploração de oportunidades futuras de inovação, por meio de iniciativas como o PIPE (FAPESP) e a EMBRAPII, além do apoio a startups e empresas juniores criadas por jovens empreendedores das nossas universidades.

Materiais:

Nas últimas décadas, materiais inteligentes e nanomateriais revolucionaram o campo de sensores, elevando sensibilidade, rapidez de resposta, seletividade e robustez. Em termos de sinal, materiais funcionais podem produzir mudanças de cor, deslocamentos espectrais ópticos e respostas elétricas ou magnéticas diversas, além de propriedades mais exóticas, como autorreparo ou superhidrofobicidade. Outros ganhos vêm do aumento da interação entre excitação e portador do sinal, como em metamateriais, cristais plasmônicos ou antenas plasmônicas, que ampliam a sensibilidade. Sensores baseados em fibras ópticas — que combinam flexibilidade e alta sensibilidade — abrem oportunidades em ambientes perigosos ou de difícil acesso. Essas fibras podem ser biocompatíveis e biodegradáveis, o que é atraente para aplicações médicas. Acoplar física aplicada e fabricação de dispositivos a uma compreensão básica da estrutura eletrônica de moléculas em solução é um exemplo do trabalho desenvolvido pelo CRISQuaM.

Outra linha estratégica é a investigação de materiais quânticos, cujas propriedades exóticas emergem do comportamento quântico de seus elétrons. Nossas frentes principais concentram-se em materiais nanoestruturados, nanopartículas e materiais 2D, bem como na investigação do transporte elétrico dependente de spin em arranjos micro e nanoestruturados. A convergência entre propriedades de materiais quânticos e protótipos de dispositivos quânticos é particularmente forte em materiais 2D. Apesar dos desafios para a maturidade tecnológica, tais características abrem oportunidades em informação quântica: qubits baseados em pontos quânticos, emissores de fótons únicos, qubits supercondutores e plataformas de computação quântica topológica.

Alvos Específicos de Pesquisa e Tecnologia

• Grafeno, materiais 2D e nanocompósitos
• Síntese e organização de nanopartículas
• Estruturas metal-orgânicas (MOFs) e materiais nanoporosos
• Nanostruturas fotônicas
• Polímeros biocompatíveis em fibras
• Fibras ópticas biodegradáveis
• Materiais híbridos: Orgânico + Inorgânico
• Skyrmions (transporte elétrico)
• Sistemas topológicos e quase-partículas
• Compostos de terras raras (acoplamento de spin)
• Entrelaçamento quântico em materiais quânticos e nanomateriais
• Comportamento crítico e transições de fase quânticas

Tecnologias Habilitadoras

O CRISQuaM inclui na sua equipe membros com longa experiência na fabricação de micro e nano dispositivos, cujos resultados certamente serão melhorados com a multidisciplinaridade da proposta. Acoplar a física aplicada e a fabricação de dispositivos com a compreensão básica da estrutura eletrônica de moléculas em soluções é um dos exemplos desta multidisciplinaridade e sinergia, potencializando a capacidade do centro.

O CRISQuaM também conta com especialistas em informação e computação quânticas, que exploram sistemas físicos para codificar, processar e transmitir informação. Nosso foco é identificar oportunidades nas propriedades de materiais para desenvolver dispositivos quânticos — incluindo qubits e sensores. A equipe ainda contribui com técnicas híbridas de aprendizado de máquina (ML) clássico-quântico para síntese de materiais. A integração de ML aplicado à engenharia de materiais com propriedades físicas específicas já é realidade; exploramos métodos híbridos para tratar grandes volumes de dados e acelerar avanços.

Alvos Específicos de Pesquisa e Tecnologia

• Aplicação de Feixe de íons focalizado (FIB) e manufatura aditiva
• Microfabricação litográfica e impressão de trilhas condutoras
• Geração de Grafeno induzido por laser
• Fibras ópticas microestruturadas
• Espectroscopias óptica na faixa de THz
• Dispositivos de ondas acústicas de superfície
• Diodos Schottky de SiC, capacitores MOS e desenvolvimento de qubits
• Microscopia eletrônica avançada e STM criogênico
• Análise de imagens e processamento de sinais
• Manipulação de célula única e microfluídica
• Microscopia biológica in situ e impressão 3D de materiais biológicos vivos
• investigação teórica de novos materiais baseada em IA e síntese guiada por IA
• “Machine learning” clássico e quântico aplicado à síntese de materiais
• Algoritmos de otimização quântica para aplicações agroindustriais e em saúde (em alguns casos com IoT para decisões mais rápidas)

Aplicações

Como meta de longo prazo, o CRISQuaM visa o desenvolvimento de dispositivos que ofereçam novas oportunidades para avaliação precisa e soluções otimizadas para desafios contemporâneos — clima, agricultura e saúde. Em saúde, é crucial monitorar doenças em tempo real por biossensoriamento com entrega simultânea de fármacos e dosagem correta, redefinindo o tratamento médico; sensores táteis e de pressão, aliados a técnicas de “Deep Learning” em análise de sinais, podem impulsionar programas de reabilitação física e neurológica. Em países como o Brasil, cuja economia depende da agricultura, é fundamental manter — e, se possível, ampliar — a produtividade com práticas sustentáveis sob mudanças climáticas. Além do monitoramento em tempo real da entrega de nutrientes, da saúde do solo e da vitalidade do ecossistema, é essencial lançar luz sobre processos biológicos cruciais, como a comunicação planta–fitopatógeno, usando biossensoriamento avançado e a abordagem da biônica vegetal, para gerar tecnologias que sustentem a agricultura em condições adversas. Também visamos tratar problemas de comunicação e conectividade em áreas tão diversas quanto neurociência e interações planta–patógeno, a partir de modelos conceituais que envolvem modulação de sinais, plasticidade e reorganização de redes.

Para aplicações agrícolas, métodos emergentes de otimização quântica têm grande potencial para revolucionar a resolução de problemas desafiadores na agroindústria, como rotação de culturas, alocação de áreas e otimização de cadeias de suprimento e logística. Sensores quânticos também podem transformar a agroindústria, oferecendo níveis sem precedentes de precisão, sensibilidade e versatilidade no monitoramento de parâmetros agrícolas. Esses são focos centrais da equipe, em estreita colaboração com parceiros industriais.

É importante frisar que o legado do Centro não deve se resumir a um dispositivo ou aplicação bem-sucedida. Uma contribuição crítica ao desenvolvimento do país é a formação de recursos humanos com visão multidisciplinar, conectando ciência básica/aplicada, engenharia e empreendedorismo. Um dos resultados mais transformadores que o CRISQuaM pode proporcionar é a formação desses recursos humanos para atuação em várias etapas de uma sociedade baseada em conhecimento.

Alvos Específicos de Pesquisa e Tecnologia

• Identificação de mecanismos de comunicação planta–fitopatógeno como novos alvos de sensoriamento
• Tratamentos de biofilmes contra bactérias humanas e de plantas
• Integração de tecnologias emergentes para monitoramento da saúde de plantas, inspeção de macronutrientes no solo e sensores de gases
• Inspeção óptica in situ do solo usando nanopartículas para aumentar a sensibilidade de detecção
• Entrega de fármacos via fibras e aplicações de (bio)sensoriamento
• Protocolos de hipertermia magnética
• Prospecção e desenvolvimento de sensores quânticos para aplicações em bio/saúde
• Monitoramento de funções vitais com biossensoriamento não invasivo
• Desenvolvimento de trilhas condutivas para sensores táteis e de pressão
• Melhoria de programas de reabilitação com monitoramento em tempo real “on-the-flight”

Inovação

O CRISQuaM proporciona um ambiente aberto a novas ideias, incentivando uma cultura de geração de conhecimento por meio de discussões internas e com empresas parceiras, selecionadas pela capacidade e motivação para atuar em desenvolvimento tecnológico e inovação. Por meio de reuniões e “brainstorms” periódicos entre os diversos atores, consolidamos valores e expectativas que estimulam a integração de novos desenvolvimentos e tecnologias, gerando soluções inovadoras e ampliando oportunidades de negócio. Fomentamos também uma cultura de experimentação, encorajando ideias que estimulem a criatividade e promovam avanços disruptivos. Ao mesmo tempo, nos preparamos para lidar com falhas, planejando estratégias para superar gargalos inerentes a desafios inéditos.
O CRISQuaM conta com a parceria da INOVA — escritório institucional de transferência de tecnologia e de lançamento/incubação de startups da UNICAMP, além da experiência de nossos parceiros do SENAI/CIMATEC, para acelerar o aumento do TRL (Technology Readiness Level) de dispositivos e produtos derivados de nossas pesquisas.

Educação e Difusão

O CRISQuaM atua combinando meios eletrônicos e atividades presenciais para difundir conhecimento científico sobre materiais quânticos e inteligentes ao público em geral. As ações visam não apenas divulgar o Centro como gerador de conhecimento científico e tecnológico em prol do avanço da sociedade, mas também firmá-lo como fonte de informação confiável. Isso é crucial em um cenário em que pseudociência e “fake news” podem contaminar parte significativa da população. Dada a frequência do uso pseudocientífico do adjetivo “quântico”, daremos ênfase ao que de fato são materiais quânticos e porque certos produtos não deveriam ser assim chamados. O plano inclui iniciativas para despertar o interesse de jovens por carreiras científicas e tecnológicas. Entre as ações presenciais, buscaremos a participação ativa de professores e estudantes do ensino médio, tanto para estimular o raciocínio científico e metodológico quanto para induzir reflexão crítica sobre a importância da ciência no dia a dia. Outra frente é a discussão sobre inovação, empreendedorismo e transferência tecnológica, com alunos de graduação e pós-graduação.

Diversidade, Equidade, Inclusão e Respeito (DEIR)

A diversidade é crucial para uma cultura de pesquisa saudável: eleva a qualidade da ciência e ajuda a garantir que seus benefícios sejam relevantes e amplamente aplicáveis. O CRISQuaM incorpora as melhores práticas internacionais para criar e sustentar um ambiente positivo e inclusivo para quem conduz a pesquisa, além de formar uma força de trabalho científica diversa e inclusiva. As metas de DEIR também são incorporadas às ações educacionais e de difusão científica, para identificar barreiras e criar planos de ação para mitigá-las. As estratégias de DEIR são alinhadas com as da Diretoria Executiva de Direitos Humanos da UNICAMP.