{"id":4423,"date":"2012-06-04T12:23:30","date_gmt":"2012-06-04T15:23:30","guid":{"rendered":"https:\/\/www.cnpem.staging.wpengine.com\/?p=4423"},"modified":"2026-03-03T10:09:21","modified_gmt":"2026-03-03T13:09:21","slug":"ourivesaria-em-atomos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cnpem.br\/en\/ourivesaria-em-atomos\/","title":{"rendered":"Ourivesaria em \u00e1tomos"},"content":{"rendered":"

Revista Pesquisa FAPESP – Edi\u00e7\u00e3o especial 50 anos, em Maio\/2012<\/em><\/p>\n

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Revista Pesquisa FAPESP, em 20\/08\/2012<\/em><\/p>\n

IGOR ZOLNERKEVIC | Edi\u00e7\u00e3o Especial 50 Anos de FAPESP<\/p>\n

Um momento hist\u00f3rico para a ci\u00eancia brasileira aconteceu no dia 17 de dezembro de 2001. A edi\u00e7\u00e3o daquela semana da mais importante revista de f\u00edsica do mundo, a Physical Review Letters<\/em> (PRL<\/em>), estampava pela primeira vez em sua capa uma pesquisa 100% tupiniquim. A simula\u00e7\u00e3o por computador descrita no artigo em destaque, assinado por Edison Zacarias da Silva, da Universidade de Campinas (Unicamp), e Adalberto Fazzio e Ant\u00f4nio Jos\u00e9 Roque da Silva, ambos da Universidade de S\u00e3o Paulo (USP), revelou pela primeira vez como um amontoado de 300 \u00e1tomos de ouro esticado pelas pontas pode se distender formando um fio, que s\u00f3 se rompe ap\u00f3s se afinar, at\u00e9 criar um colar feito de apenas cinco \u00e1tomos enfileirados.<\/p>\n

Esse trabalho te\u00f3rico foi inspirado nos resultados de experimentos realizados em microsc\u00f3pios eletr\u00f4nicos, na \u00e9poca sob administra\u00e7\u00e3o do Laborat\u00f3rio Nacional de Luz S\u00edncrotron (LNLS), e que hoje fazem parte do Laborat\u00f3rio Nacional de Nanotecnologia (LNNano), em Campinas. Os experimentos foram idealizados pelo criativo f\u00edsico argentino Daniel Ugarte. Desde que chegou ao Brasil em 1993, para trabalhar no LNLS, Ugarte, que atualmente \u00e9 professor da Unicamp, formou uma equipe cuja pesquisa rende at\u00e9 hoje artigos na PRL<\/em> e em outras revistas de alto impacto. Depois de observar os nanofios de ouro \u2013 uma fa\u00e7anha que outros grupos experimentais no exterior j\u00e1 haviam conseguido \u2013 o time de Ugarte passou a \u00faltima d\u00e9cada descobrindo e explicando a forma\u00e7\u00e3o de estruturas completamente in\u00e9ditas, do tamanho de poucos nan\u00f4metros (isto \u00e9, de milion\u00e9simos de mil\u00edmetros), feitas do encadeamento de \u00e1tomos de metais nobres: as menores ligas met\u00e1licas j\u00e1 constru\u00eddas e o menor nanotubo de prata poss\u00edvel na natureza.<\/p>\n

Entender essas nanoestruturas met\u00e1licas se torna cada vez mais importante \u00e0 medida que a miniaturiza\u00e7\u00e3o dos microchips dos dispositivos eletr\u00f4nicos chega cada vez mais perto da escala at\u00f4mica. \u00c9 bem prov\u00e1vel que nos pr\u00f3ximos anos sejam constru\u00eddos transistores feitos de uma \u00fanica mol\u00e9cula. E para conectar uma s\u00e9rie dessas mol\u00e9culas em um microchip, os engenheiros precisar\u00e3o de fios nanom\u00e9tricos que conduzam eletricidade bem e sejam resistentes.<\/p>\n

Nanoartesanato<\/strong>
\nUgarte come\u00e7ou a estudar nanofios de cobre, ouro, prata e platina em 1996, com seu ent\u00e3o estudante de mestrado e hoje colega professor na Unicamp, Varlei Rodrigues, que construiu um instrumento capaz de criar nanofios e medir suas propriedades el\u00e9tricas, o chamado experimento de quebra mec\u00e2nica controlada de jun\u00e7\u00f5es. Para tanto, o maior desafio foi criar uma c\u00e2mara de ultra-alto v\u00e1cuo, um compartimento sem ar e extremamente limpo, onde puderam analisar as mais puras poss\u00edveis amostras de seus materiais.<\/p>\n

No equipamento desenvolvido por Rodrigues, as pontas afinadas de dois filamentos met\u00e1licos de aproximadamente um d\u00e9cimo de mil\u00edmetro de espessura s\u00e3o encostadas uma na outra. No ambiente de ultra-alto v\u00e1cuo, as duas pontas ficam grudadas pela for\u00e7a atrativa entre seus \u00e1tomos. Em seguida, os pesquisadores for\u00e7am de leve o contato entre elas. \u00c9 nesse momento que os nanofios se formam, como o queijo derretido entre dois peda\u00e7os de pizza sendo separados, pendurados entre as pontas dos filamentos. O instrumento n\u00e3o permite ver os nanofios, o que \u00e9 poss\u00edvel apenas por meio de microsc\u00f3pios eletr\u00f4nicos. Para detectar sua presen\u00e7a, os pesquisadores monitoram a passagem de uma corrente el\u00e9trica pelos filamentos. Diferentemente de um fio macrosc\u00f3pico, a corrente el\u00e9trica em um nanofio n\u00e3o diminui de maneira suave e linear \u00e0 medida que seu di\u00e2metro se reduz. Em vez disso, a corrente el\u00e9trica permanece constante em certas faixas de tamanho e cai em v\u00e1rios saltos abruptos. Cada tipo de nanofio tem um padr\u00e3o de saltos diferente, que funciona como uma impress\u00e3o digital.<\/p>\n

Enxergar os nanofios s\u00f3 foi poss\u00edvel a partir de 1998, quando Ugarte come\u00e7ou a coordenar no LNLS a montagem do que seria, dentro de dez anos, o laborat\u00f3rio de microscopia eletr\u00f4nica mais completo do pa\u00eds. Utilizados por centenas de pesquisadores de todo o Brasil, seus seis instrumentos, com poder de amplia\u00e7\u00e3o de mais de um milh\u00e3o de vezes, custaram R$ 8 milh\u00f5es, financiados pela FAPESP. Ugarte supervisionou o projeto especial do pr\u00e9dio e das salas que abrigam os microsc\u00f3pios, constru\u00eddos com R$ 6 milh\u00f5es da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), e que isolam ao m\u00e1ximo os delicados instrumentos de vibra\u00e7\u00f5es mec\u00e2nicas, mudan\u00e7as de temperatura e campos eletromagn\u00e9ticos.<\/p>\n

\u201cGrosso modo, o microsc\u00f3pio eletr\u00f4nico de transmiss\u00e3o funciona como um retroprojetor\u201d, explica o pesquisador Jef-ferson Bettini, do LNNano. Em vez da luz de uma l\u00e2mpada, \u00e9 um feixe de el\u00e9trons focalizado por lentes magn\u00e9ticas que atravessa uma l\u00e2mina de material, interagindo com ele. O feixe resultante da intera\u00e7\u00e3o \u00e9 ent\u00e3o projetado por outras lentes e registrado por uma c\u00e2mera de v\u00eddeo. Soa f\u00e1cil de usar, mas na verdade um estudante pode levar de dois a tr\u00eas anos para dominar o instrumento e obter imagens relevantes. \u201cMicroscopia n\u00e3o \u00e9 apertar bot\u00e3o\u201d, afirma Ugarte. \u201c\u00c9 voc\u00ea no comando, pilotando.\u201d<\/p>\n

Para criar os nanofios no microsc\u00f3pio eletr\u00f4nico, Ugarte usou o pr\u00f3prio feixe de el\u00e9trons da m\u00e1quina. Focalizado em sua m\u00e1xima intensidade, o feixe \u00e9 capaz de abrir buracos na superf\u00edcie de l\u00e2minas met\u00e1licas finas, com apenas algumas dezenas de \u00e1tomos de espessura. Depois de perfurar a l\u00e2mina at\u00e9 que ela ficasse como um queijo su\u00ed\u00e7o, o f\u00edsico ajustava rapidamente o feixe eletr\u00f4nico para explorar sua superf\u00edcie. \u00c9 em pontes estreitas, na borda entre dois buracos muito pr\u00f3ximos, em quest\u00e3o de segundos, que o metal se distende espontanea-mente at\u00e9 formar os nanofios.<\/p>\n

Ugarte e Rodrigues descobriram que, dependendo de sua orienta\u00e7\u00e3o em rela\u00e7\u00e3o \u00e0 maneira como os \u00e1tomos se organizam no metal, os nanofios podem se romper abruptamente ou aos poucos, se esticando at\u00e9 formarem cadeias de \u00e1tomos enfileirados. Al\u00e9m disso, usando um modelo geom\u00e9trico simples, foram os primeiros a conseguir relacionar as estruturas at\u00f4micas dos nanofios vistas ao microsc\u00f3pio com suas impress\u00f5es digitais de condu\u00e7\u00e3o el\u00e9trica. O resultado foi publicado em 2000, na PRL<\/em>.<\/p>\n

Teoria na pr\u00e1tica<\/strong>
\nNenhum modelo te\u00f3rico simples, entretanto, conseguia explicar como se formavam os fios de ouro com apenas um \u00e1tomo de espessura, at\u00e9 que, incitados por Ugarte, Zacarias da Silva, Fazzio e Jos\u00e9 Roque decidiram realizar uma simula\u00e7\u00e3o extremamente detalhada, a partir de solu\u00e7\u00f5es exatas das equa\u00e7\u00f5es da mec\u00e2nica qu\u00e2ntica. A simula\u00e7\u00e3o que saiu na capa da PRL<\/em> finalmente conseguiu mostrar passo a passo os arranjos que assumem um conjunto de \u00e1tomos de ouro sob tens\u00e3o, se alongando at\u00e9 formar uma fileira de cinco \u00e1tomos antes de arrebentar.<\/p>\n

O trio de f\u00edsicos te\u00f3ricos descobriu ainda que, nas pontas dessa fileira at\u00f4mica, os \u00e1tomos de ouro formam uma estrutura muito est\u00e1vel que batizaram de chap\u00e9u franc\u00eas, por lembrar a figura do chap\u00e9u de soldado de brincadeira que as crian\u00e7as fazem com jornal. Em trabalhos posteriores de Fazzio e sua equipe, o grupo de Simula\u00e7\u00e3o Aplicada a Materiais e Propriedades Atom\u00edsticas (Sampa), da USP, a nova estrutura foi usada para construir em simula\u00e7\u00f5es de computador as pontas conectando um transistor feito de uma \u00fanica mol\u00e9cula com uma superf\u00edcie de ouro. A descoberta tamb\u00e9m motivou Fazzio e sua equipe a desenvolver t\u00e9cnicas que simulam de maneira realista a passagem dos el\u00e9trons por mol\u00e9culas org\u00e2nicas, nanofios met\u00e1licos, nanotubos, nanofitas e superf\u00edcies de carbono, que renderam v\u00e1rias publica\u00e7\u00f5es, inclusive na PRL<\/em>.<\/p>\n

Enquanto isso, o grupo de Ugarte iniciou uma parceria que perdura at\u00e9 hoje com a equipe do f\u00edsico te\u00f3rico Douglas Galv\u00e3o, da Unicamp. \u201cA gente se re\u00fane com os alunos, os dele e os meus, e discute o que \u00e9 poss\u00edvel medir e calcular\u201d, conta Ugarte. \u201c\u00c9 uma colabora\u00e7\u00e3o extremamente frut\u00edfera\u201d, diz Galv\u00e3o. Al\u00e9m de realizar alguns c\u00e1lculos similares aos da equipe de Fazzio, que simulam no m\u00e1ximo algumas centenas de \u00e1tomos, Galv\u00e3o desenvolveu junto com Fernando Sato, Pablo Coura e S\u00f3crates Dantas, todos da Universidade Federal de Juiz de Fora, um m\u00e9todo mais aproximado, que, no entanto, permite simular milhares de \u00e1tomos e assim comparar o resultado dos c\u00e1lculos diretamente com as medidas experimentais.<\/p>\n

O primeiro desafio encarado em conjunto pelos gru-pos de Ugarte e Galv\u00e3o foi tentar explicar as dist\u00e2ncias extremamente longas entre os \u00e1tomos de ouro das cadeias at\u00f4micas. Enquanto em um peda\u00e7o de ouro qualquer os n\u00facleos dos \u00e1tomos se encontram 0,3 nan\u00f4metro distantes uns dos outros, Ugarte observou nas cadeias dist\u00e2ncias de at\u00e9 0,5 nan\u00f4metro entre os \u00e1tomos de ouro. A explica\u00e7\u00e3o proposta em 2002 em um artigo na PRL<\/em> por Ugarte, Rodrigues, Galv\u00e3o e S\u00e9rgio Legoas, da Universidade Federal de Roraima, foi que \u00e1tomos de carbono, com bem menos carga el\u00e9trica que o ouro, e, portanto, invis\u00edveis ao microsc\u00f3pio eletr\u00f4nico, teriam se infiltrado nas cadeias at\u00f4micas, se alojando entre os \u00e1tomos de ouro. Fazzio e seus colaboradores, entretanto, rejeitaram a explica\u00e7\u00e3o em outro artigo publicado no ano seguinte na PRL<\/em>, argumentando que a impureza entre os \u00e1tomos de ouro n\u00e3o era carbono, mas sim \u00e1tomos de hidrog\u00eanio.<\/p>\n

A pol\u00eamica continua acesa, com ambos os grupos publicando artigos e coment\u00e1rios, muitos na PRL<\/em>, defendendo suas teorias. Ugarte comenta que a discuss\u00e3o \u201c\u00e9 bem agressiva, mas \u00e9 a forma com que se trabalha em ci\u00eancia: a gente discorda e n\u00e3o se ofende com isso\u201d. Faz-zio, por sua vez, comemora os frutos do que chama de \u201cbriga salutar\u201d. Por exemplo, estudando o efeito de v\u00e1rios tipos de impurezas nos nanofios, o grupo de Fazzio mostrou em outro artigo publicado na PRL<\/em> em 2006 que a inser\u00e7\u00e3o de \u00e1tomos de oxig\u00eanio tornava as cadeias at\u00f4micas de ouro mais resistentes \u2013 um efeito verificado posteriormente por experimentos de outros pesquisadores.<\/p>\n

Agora, Fazzio e sua equipe esperam resolver de vez a quest\u00e3o desenvolvendo m\u00e9todos de simula\u00e7\u00e3o ainda mais detalhados, que levam em conta efeitos qu\u00e2nticos do movimento dos n\u00facleos at\u00f4micos e de flutua\u00e7\u00f5es t\u00e9rmicas \u2013 m\u00e9todos que poder\u00e3o ser aplicados em muitos outros estudos. Do ponto de vista da contenda entre os dois grupos, por\u00e9m, os resultados ainda preliminares desses c\u00e1lculos n\u00e3o parecem animadores. \u201cTalvez Ugarte tenha raz\u00e3o\u201d, admite Fazzio.<\/p>\n

Ligas e tubos<\/strong>
\nOutra quest\u00e3o que Galv\u00e3o e Ugarte tentaram responder, desta vez com ineg\u00e1vel sucesso, foi como se formam os nanofios, n\u00e3o de um elemento puro, mas de uma liga met\u00e1lica. As simula\u00e7\u00f5es da forma\u00e7\u00e3o de cadeias at\u00f4micas de ligas com composi\u00e7\u00e3o variada de ouro e prata feitas pela equipe te\u00f3rica de Galv\u00e3o revelaram um estranho comportamento. Por mais prata que a liga tivesse, o estiramento dos nanofios expulsava os \u00e1tomos de prata, fazendo com que as cadeias at\u00f4micas contivessem somente ouro. Apenas quando a concentra\u00e7\u00e3o de prata ultrapassava 80% do total \u00e9 que surgiam cadeias at\u00f4micas mistas de ouro e prata.<\/p>\n

De in\u00edcio, Ugarte achou que seria imposs\u00edvel verificar o resultado dessas simula\u00e7\u00f5es, uma vez que os \u00e1tomos de ouro e prata s\u00e3o praticamente indistingu\u00edveis nas imagens preto e branco do microsc\u00f3pio eletr\u00f4nico. Mas seu colega Bettini passou um ano aprimorando os sistemas de detec\u00e7\u00e3o e tratamento de dados do instrumento, at\u00e9 conseguir a sensibilidade para discernir entre as tonalidades de cinza dos dois tipos de \u00e1tomo e obter as primeiras imagens das menores ligas met\u00e1licas j\u00e1 observadas. Os resultados foram publicados em 2006 na prestigiosa Nature Nanotechnology<\/em>. Os editores da revista elegeram a pesquisa como sendo uma das mais importantes do ano. Na mesma \u00e9poca, os pesquisadores tamb\u00e9m conseguiram observar nanoligas de ouro e cobre.<\/p>\n

Em 2005, um novo estudante, o peruano Maureen Lagos, aceitou outro desafio: usar nitrog\u00eanio l\u00edquido para refazer a uma temperatura de 150\u00b0 C negativos os experimentos de Ugarte e Rodrigues, que haviam sido feitos a temperatura ambiente. Os pesquisadores esperavam que, resfriados a esta temperatura extrema, os \u00e1tomos se arranjariam de maneiras diferentes, criando nanofios com propriedades in\u00e9ditas.<\/p>\n

Lagos passou dois anos modificando o equipamento criado por Rodrigues para medir a condut\u00e2ncia el\u00e9trica dos nanofios resfriados. Depois, adaptou o m\u00e9todo de criar e observar nanofios ao microsc\u00f3pio eletr\u00f4nico para baixas temperaturas. Por conta de vibra\u00e7\u00f5es das pe\u00e7as do microsc\u00f3pio causadas pelo processo de resfriamento, o experimento exigia que Lagos passasse quatro dias trancado em uma sala escura at\u00e9 conseguir a estabilidade necess\u00e1ria para suas medidas. Foram anos de trabalho para obter poucas dezenas de filmes com alguns segundos de dura\u00e7\u00e3o, em que se podem ver claramente os nanofios.<\/p>\n

O mais espetacular dos nanofios observados foi um tubo oco de se\u00e7\u00e3o quadrada, feito de \u00e1tomos de prata. A estrutura surge e desaparece em quest\u00e3o de segundos, durante o esticamento de um bast\u00e3o de alguns \u00e1tomos de espessura, um pouco antes deste se afinar criando uma cadeia at\u00f4mica e arrebentar. Galv\u00e3o explica que \u00e9 a menor estrutura tridimensional que a prata pode formar. \u201cNem teoricamente foi especulado que esse nanotubo podia existir\u201d, ele diz. \u201cFoi realmente uma descoberta inesperada.\u201d<\/p>\n

Embora o surgimento da curiosa estrutura pare\u00e7a \u00f3bvio nos v\u00eddeos filmados por Lagos, n\u00e3o foi nada f\u00e1cil para os pesquisadores determinarem sua verdadeira natureza. S\u00f3 atrav\u00e9s de muito racioc\u00ednio e simula\u00e7\u00f5es computacionais, eles confirmaram que o tubo que enxergavam de perfil nas imagens era realmente oco e formado por uma s\u00e9rie de quadrados, feitos de quatro \u00e1tomos de prata. Comparando seus c\u00e1lculos com as imagens, explicaram tamb\u00e9m como os quadrados de prata podem se mexer, girando, contraindo e expandindo o nanotubo. \u201cConseguir ver e entender isso foi uma maravilha\u201d, diz Ugarte. A descoberta foi publicada em 2009 na Nature Nanotechnology<\/em>, enquanto os detalhes do modelo da din\u00e2mica do nanotubo, executado por Pedro Autreto renderam um artigo na PRL<\/em>, em 2011.<\/p>\n

Tamb\u00e9m em 2011, na PRL<\/em>, os pesqui-sadores publicaram uma explica\u00e7\u00e3o para a conclus\u00e3o principal da tese de doutorado de Lagos, considerada como uma das melhores de 2010, pelo Pr\u00eamio Marechal-do-Ar Casimiro Montenegro Filho, concedido pela Secretaria de Assuntos Estrat\u00e9gicos da Presid\u00eancia da Rep\u00fablica. Lagos observou que, resfriados a -150 \u00b0C, os nanofios n\u00e3o se tornam quebradi\u00e7os como se poderia imaginar. Muito pelo contr\u00e1rio, fios que se romperiam bruscamente a temperatura ambiente ficam mais flex\u00edveis, podendo ser esticados at\u00e9 formarem cadeias at\u00f4micas. O segredo dessa plasticidade \u00e9 que os \u00e1tomos dos nanofios se movem mais devagar a baixas temperaturas. Assim, eles n\u00e3o podem se rearranjar abruptamente, o que provocaria o rompimento do fio. Em vez disso, planos de \u00e1tomos se deslocam no fio, criando degraus na superf\u00edcie. S\u00e3o esses defeitos na superf\u00edcie que permitem que o fio se alongue mais, sem se romper. Os c\u00e1lculos dos pesquisadores demonstraram como o tamanho e a forma dessas superf\u00edcies defeituosas controlam a deforma\u00e7\u00e3o dos nanofios.<\/p>\n

\u00c9 no estudo da influ\u00eancia desses defeitos nas propriedades mec\u00e2nicas dos materiais que Galv\u00e3o, Rodrigues e Ugarte planejam se concentrar a partir de agora, investigando a rela\u00e7\u00e3o entre o mundo nanom\u00e9trico e o macrosc\u00f3pico. \u201cA fadiga e a fratura de metais s\u00e3o fen\u00f4menos ainda n\u00e3o completamente entendidos e que t\u00eam a ver com a propaga\u00e7\u00e3o desses defeitos na escala nanom\u00e9trica\u201d, explica Galv\u00e3o. A nova pesquisa poder\u00e1 ajudar a desenvolver novos materiais mais resistentes, para serem usados, por exemplo, na fuselagem de avi\u00f5es.<\/p>\n

Artigos cient\u00edficos<\/strong><\/em>
\n1. SILVA, E. Z. da et al<\/em>. How do Gold Nanowires Break?<\/a>. Physical Review Letters<\/strong>. v. 87, p. 25610, 2001.
\n2. LAGOS, M. J. et al<\/em>. Observation of the smallest metal nanotube with a square cross-section<\/a>. Nature Nanotechnology<\/strong>. v. 4, p. 149-52, 2009.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Revista Pesquisa FAPESP – Edi\u00e7\u00e3o especial 50 anos, em Maio\/2012 Clique aqui para ler a mat\u00e9ria na revista. Revista Pesquisa FAPESP, em 20\/08\/2012 IGOR ZOLNERKEVIC | Edi\u00e7\u00e3o Especial 50 Anos…<\/p>\n","protected":false},"author":17,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":"","_links_to":"","_links_to_target":""},"categories":[1163,44],"tags":[33,83,36,170,40,206,109,45,305,43],"class_list":["post-4423","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-clipping-cnpem","category-clipping-lnnano","tag-brasil","tag-brazil","tag-campinas","tag-ciencia","tag-cnpem","tag-inovacao","tag-laboratorio","tag-lnnano","tag-nanotecnologia","tag-pesquisas","category-1163","category-44","description-off"],"acf":[],"yoast_head":"\nOurivesaria em \u00e1tomos - CNPEM<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/cnpem.br\/ourivesaria-em-atomos\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"en_US\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"Ourivesaria em \u00e1tomos - CNPEM\" \/>\n<meta property=\"og:description\" content=\"Revista Pesquisa FAPESP – Edi\u00e7\u00e3o especial 50 anos, em Maio\/2012 Clique aqui para ler a mat\u00e9ria na revista. 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