{"id":27793,"date":"2022-07-05T09:57:36","date_gmt":"2022-07-05T12:57:36","guid":{"rendered":"https:\/\/dev.cnpem.br\/?p=27793"},"modified":"2026-03-12T11:44:31","modified_gmt":"2026-03-12T14:44:31","slug":"a-nanotecnologia-sob-nossos-pes","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cnpem.br\/en\/a-nanotecnologia-sob-nossos-pes\/","title":{"rendered":"A nanotecnologia sob nossos p\u00e9s"},"content":{"rendered":"

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Pesquisadores do CNPEM e colaboradores demonstram o potencial de minerais de abund\u00e2ncia natural e baixo-custo para aplica\u00e7\u00e3o em nanodispositivos<\/p>\n<\/blockquote>\n

A crosta terrestre \u00e9 constitu\u00edda em sua maior parte por minerais chamados silicatos, rochas compostas principalmente pelos elementos qu\u00edmicos sil\u00edcio (Si) e oxig\u00eanio (O). Esse \u00e9 o caso do feldspato, cuja eros\u00e3o d\u00e1 origem \u00e0s argilas, e do quartzo, principal componente da areia, entre outros. Extremamente abundantes, os silicatos s\u00e3o utilizados n\u00e3o apenas na produ\u00e7\u00e3o de materiais de constru\u00e7\u00e3o, vidros e cer\u00e2micas, como tamb\u00e9m encontram aplica\u00e7\u00e3o na agricultura e nas ind\u00fastrias farmac\u00eautica, cosm\u00e9tica, qu\u00edmica e petroqu\u00edmica.<\/p>\n

Silicatos em camadas<\/strong><\/h3>\n

Os silicatos s\u00e3o diferenciados pela propor\u00e7\u00e3o entre o n\u00famero de \u00e1tomos de sil\u00edcio e oxig\u00eanio. Essa propor\u00e7\u00e3o determina como esses e demais \u00e1tomos que comp\u00f5em o mineral se distribuem no espa\u00e7o, chamada de estrutura cristalina. Por sua vez, essa estrutura determina as propriedades f\u00edsicas e qu\u00edmicas do mineral, e, consequentemente, suas poss\u00edveis aplica\u00e7\u00f5es.<\/p>\n

Uma classe importante desses minerais \u00e9 a dos filossilicatos, que tem em sua constitui\u00e7\u00e3o a propor\u00e7\u00e3o de 2 \u00e1tomos de sil\u00edcio para 5 de oxig\u00eanio. Essa propor\u00e7\u00e3o faz com que sua estrutura mais est\u00e1vel seja na forma de empilhamento de camadas tetra\u00e9dricas de sil\u00edcio como \u00e1tomo central e oxig\u00eanio nos v\u00e9rtices, formando uma rede hexagonal de sil\u00edcio. Essas camadas tetra\u00e9dricas de sil\u00edcio s\u00e3o intercaladas com camadas octa\u00e9dricas de \u00e1tomos centrais bivalentes, como o magn\u00e9sio, ou trivalentes, como o alum\u00ednio, contendo oxig\u00eanio e hidroxilas nos v\u00e9rtices.<\/p>\n

Aliada ao car\u00e1ter de isolante el\u00e9trico dos filossilicatos, sua estrutura permite que materiais isolantes de poucas camadas at\u00f4micas possam ser obtidos facilmente por esfolia\u00e7\u00e3o mec\u00e2nica, o mesmo m\u00e9todo pelo qual o grafeno pode ser obtido a partir do grafite.<\/p>\n

Isolantes de poucas camadas at\u00f4micas com propriedades adequadas s\u00e3o fundamentais para a fabrica\u00e7\u00e3o de dispositivos eletr\u00f4nicos na nanoescala. No entanto, pesquisas nesse sentido destacam-se pela utiliza\u00e7\u00e3o de materiais sint\u00e9ticos como o nitreto de boro hexagonal (hBN). Como os filossilicatos s\u00e3o naturalmente abundantes e de f\u00e1cil extra\u00e7\u00e3o, a possibilidade de serem utilizados como isolantes na fabrica\u00e7\u00e3o de nanodispositivos \u00e9 de grande interesse, j\u00e1 que o custo associado \u00e0 fabrica\u00e7\u00e3o desses dispositivos pode ser reduzido em rela\u00e7\u00e3o \u00e0 utiliza\u00e7\u00e3o de isolantes sint\u00e9ticos, favorecendo a produ\u00e7\u00e3o em larga escala.<\/p>\n

No entanto, por serem materiais naturais, elementos qu\u00edmicos como ferro (Fe) e mangan\u00eas (Mn) presentes no ambiente de sua forma\u00e7\u00e3o geol\u00f3gica s\u00e3o incorporados em sua estrutura. Chamados de impurezas, esses \u00e1tomos podem desempenhar um papel importante nas propriedades f\u00edsico-qu\u00edmicas desses minerais. Para que a utiliza\u00e7\u00e3o dos filossilicatos nesse tipo de tecnologia seja otimizado, \u00e9 preciso, portanto, investigar a fundo as propriedades desses minerais na forma de poucas camadas, com foco principalmente na compreens\u00e3o de como as impurezas podem influenciar as propriedades do mineral e de como podem ser manipuladas para a obten\u00e7\u00e3o das propriedades adequadas.<\/p>\n

Esse \u00e9 o trabalho que pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), e colaboradores de institui\u00e7\u00f5es do Brasil e Jap\u00e3o, vem desenvolvendo, resultando at\u00e9 o momento na publica\u00e7\u00e3o de dois artigos em revistas de impacto na \u00e1rea. Os trabalhos apresentam um estudo sistem\u00e1tico das propriedades de poucas camadas partindo das propriedades de muitas camadas de dois filossilicatos, chamados clinocloro e flogopita, com o cuidado de entender como as impurezas presentes nesses minerais influenciam suas propriedades macrosc\u00f3picas.<\/p>\n

Do solo para a nanotecnologia<\/strong><\/h3>\n

Em trabalho publicado no peri\u00f3dico Applied Surface Science [1], os pesquisadores conduziram uma investiga\u00e7\u00e3o robusta do mineral clinocloro, da fam\u00edlia das cloritas, e de suas caracter\u00edsticas estruturais e espectrais na forma de muitas e poucas camadas.<\/p>\n

Por meio de diversas t\u00e9cnicas experimentais, incluindo t\u00e9cnicas que utilizam a luz s\u00edncrotron, acompanhadas de um estudo te\u00f3rico, o grupo demonstrou que a incorpora\u00e7\u00e3o de impurezas de mangan\u00eas (Mn) e cromo (Cr) ocorre de forma homog\u00eanea no mineral, enquanto impurezas de ferro (Fe) podem ser incorporadas tamb\u00e9m na forma de inclus\u00f5es. Al\u00e9m disso, o estudo mostrou que as impurezas de ferro s\u00e3o as principais respons\u00e1veis pela redu\u00e7\u00e3o no\u00a0bandgap\u00a0<\/em>\u00f3ptico do material, ou seja, em sua capacidade isolante. Foi observado ainda que o clinocloro mant\u00e9m suas propriedades vibracionais da rede cristalina quando reduzido de muitas para poucas camadas at\u00f4micas por esfolia\u00e7\u00e3o mec\u00e2nica, sendo poss\u00edvel obter camadas ultrafinas de clinocloro com superf\u00edcies atomicamente planas compar\u00e1veis ao hBN.<\/p>\n

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\"\"<\/p>\n

Figura 1: (a) Fotografia do cristal natural e estrutura cristalina do clinocloro, (b) imagens de AFM (sup. direita) e de infravermelho (sup. esquerda) e (inf.) espectro de nano-FTIR obtido em poucas camadas at\u00f4micas do material.<\/p>\n<\/div>\n

J\u00e1 no artigo publicado no peri\u00f3dico 2D Materials [2], foi realizado o estudo da flogopita, filossilicato da fam\u00edlia das micas, na forma de muitas e poucas camadas, semelhante ao estudo realizado com o clinocloro.<\/p>\n

Al\u00e9m disso, os pesquisadores avaliaram que os flocos ultrafinos de flogopita obtidos por esfolia\u00e7\u00e3o mec\u00e2nica s\u00e3o est\u00e1veis \u200b\u200bao serem expostos ao ar e a varia\u00e7\u00f5es de temperatura, podendo ser utilizados na fabrica\u00e7\u00e3o de nanodispositivos formados pelo empilhamento de camadas at\u00f4micas de diferentes materiais lamelares, chamados de heteroestruturas de van der Waals. O grupo demonstrou que a efici\u00eancia de recombina\u00e7\u00f5es excit\u00f4nicas, quando el\u00e9trons e buracos ligados se recombinam emitindo luz, em monocamadas de WS2<\/sub>\u00a0sobre flogopita \u00e9 pelo menos tr\u00eas vezes maior do que em substratos de SiO2<\/sub>, semelhante \u00e0 efici\u00eancia obtida para monocamadas desse mesmo material sobre nitreto de boro hexagonal.<\/p>\n

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\"\"<\/p>\n

Figura 2: (a) Fotografia do cristal natural e (b) estrutura cristalina da flogopita, (c) mapeamento de XRF em uma regi\u00e3o e em uma ilha de Fe isolada no cristal de flogopita, (d) imagem de microscopia \u00f3tica de uma heteroestrutura de van der Waals.<\/p>\n<\/div>\n

Ambos os trabalhos d\u00e3o o primeiro passo na dire\u00e7\u00e3o de utilizar o clinocloro e a flogopita em nanotecnologias interessantes, refor\u00e7ando que minerais naturalmente abundantes s\u00e3o alternativas vi\u00e1veis de baixo-custo para a fabrica\u00e7\u00e3o de nanodispositivos e que seguem ainda pouco exploradas. A natureza nos reserva gratas surpresas, muitas vezes o que procuramos j\u00e1 est\u00e1 literalmente sob os nossos p\u00e9s, s\u00f3 precisamos aprender a manipul\u00e1-lo.<\/p>\n

Carna\u00faba<\/strong><\/h3>\n

Os estudos apresentados foram dois dos primeiros artigos cient\u00edficos com dados obtidos na linha de luz Carna\u00faba, da fonte de luz s\u00edncrotron Sirius, do CNPEM, uma das primeiras esta\u00e7\u00f5es de pesquisa a entrar em opera\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

As diferentes t\u00e9cnicas experimentais dispon\u00edveis neste tipo de infraestrutura permitem observar aspectos microsc\u00f3picos dos materiais, como os \u00e1tomos e mol\u00e9culas que os constituem, seus estados qu\u00edmicos e sua organiza\u00e7\u00e3o espacial, al\u00e9m de acompanhar a evolu\u00e7\u00e3o no tempo de processos f\u00edsicos, qu\u00edmicos e biol\u00f3gicos que ocorrem em fra\u00e7\u00f5es de segundo.<\/p>\n

A linha de luz Carna\u00faba \u00e9 a mais longa do Sirius, com 150 metros de comprimento. A grande dist\u00e2ncia entre a fonte de raios X e a amostra permite produzir um feixe de luz s\u00edncrotron com foco de apenas 30 nan\u00f4metros. Isso permite que sejam realizadas an\u00e1lises dos mais diversos materiais nano-estruturados, visando a obten\u00e7\u00e3o de imagens 2D e 3D com resolu\u00e7\u00e3o nanom\u00e9trica, com benef\u00edcios para as ci\u00eancias de materiais e nanotecnologia, ci\u00eancias da vida e ambientais, ou mesmo arqueologia e paleontologia.<\/p>\n

Fonte:<\/strong><\/h4>\n

[1] Raphaela de Oliveira, Luis A.G. Guallichico, Eduardo Policarpo, Alisson R. Cadore, Raul O. Freitas, Francisco M.C. da Silva, Ver\u00f4nica de C. Teixeira, Roberto M. Paniago, Helio Chacham, Matheus J.S. Matos, Angelo Malachias, Klaus Krambrock, Ingrid D. Barcelos, High throughput investigation of an emergent and naturally abundant 2D material: Clinochlore, Applied Surface Science, 2022, 153959. DOI: 10.1016\/j.apsusc.2022.153959<\/p>\n

[2] Alisson R. Cadore, Raphaela de Oliveira, Raphael Longuinhos, Ver\u00f4nica de C Teixeira, Danilo A. Nagaoka, Vinicius T. Alvarenga, Jenaina Ribeiro-Soares, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Roberto M. Paniago, Angelo Malachias, Klaus Krambrock, Ingrid D Barcelos, Christiano J. S. de Matos, 2D Materials, 9, 035007. DOI: 10.1088\/2053-1583\/ac6cf4<\/p>\n

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