Viagens da física: do laboratório ao mercado

Com informações do IFSC/USP - 05/06/2015

Muitas vezes é difícil saber como uma descoberta feita nos laboratórios poderá se traduzir em benefícios práticos.

O problema é consistente, já que poucos sabem quais os fenômenos, materiais ou propriedades de materiais são os responsáveis pela tecnologia que já é prática, mas cujo funcionamento não se compreende.

Veja abaixo alguns exemplos de processos e produtos que resultaram diretamente de pesquisas de laboratórios - mais especificamente de física.

Parte de uma infinidade de inventos que ajudou a moldar aquilo de chamamos de "Era da Tecnologia", esses exemplos ajudam a alinhavar a conexão entre a pesquisa científica e a utilidade tecnológica, talvez desmistificando um pouco a descrição muitas vezes árida das descobertas relatadas nos artigos científicos.

A magnetorresistência gigante também deu origem ao campo da spintrônica e suas conexões com a eletrônica molecular - hoje já se conhecem novas conexões entre eletricidade e magnetismo que ainda não foram exploradas de forma prática.
[Imagem: CFN]

Magnetorresistência gigante

Talvez você nunca tenha ouvido falar de magnetorresistência gigante (MRG), mas certamente já ouviu falar de computadores melhores.

Esse estudo fenômeno, resultado de trabalhos independentes dos físicos Albert Fert (França) e Peter Gruenberg (Alemanha), aprimorou significativamente o hardware dos computadores que utilizamos.

A magnetorresistência gigante ocorre em um sistema de camadas magnéticas e não magnéticas, no qual a alteração da direção da magnetização em uma das camadas magnéticas altera a resistência elétrica do sistema como um todo.

Graças a isso é que os discos rígidos dos computadores puderam ser miniaturizados, aumentando a capacidade de armazenamento de dados dos computadores atuais.

"A empresa responsável por isso foi a IBM. Quando os HDs ultrapassaram a capacidade de 1Gb, a MRG foi o fenômeno que permitiu a redução desse componente", conta o professor Guilherme Sipahi, do Instituto de Física da USP em São Carlos (IFSC).

Por esse trabalho, Fert e Gruenberg ganharam o Nobel de Física de 2007.

A ressonância magnética nuclear tem estreitas conexões com pesquisas na área da computação quântica.
[Imagem: Ag.FAPESP]

Ressonância Magnética Nuclear

Em 1937, quando o físico norte-americano Isidor Isaac Rabi apresentou um artigo na Physical Review 51 falando sobre uma nova técnica para medir momentos magnéticos nucleares, certamente não imaginou que a Ressonância Magnética Nuclear (RMN) faria tanto sucesso e teria uma aplicação tão ampla. Pois foi o que aconteceu.

Dos primeiros estudos da técnica até sua aplicação no diagnóstico de doenças, passaram-se cerca de quatro décadas. Atualmente, a aplicação mais conhecida é na área médica, para a detecção das mais variadas enfermidades, como tumores cancerígenos, acidente vascular cerebral (AVC), esclerose múltipla etc.

Porém, a RMN também pode ser utilizada na química, física, biologia, agricultura, sondagem de petróleo e até mesmo em informação quântica, para o desenvolvimento e aprimoramento dos computadores quânticos.

Hoje já existem transistores de silício com um átomo de espessura.
[Imagem: Nature Nanotechnology - 10.1038/nnano.2015.10]

Elétron, semicondutor, transístor

Se hoje você tem um televisor muito mais fino e mais leve do que os primeiros que foram inventados, agradeça aos estudiosos de física da matéria condensada. Tudo começou nos laboratórios Bell, pouco depois da Segunda Guerra Mundial, quando seus pesquisadores buscavam uma solução para substituir as válvulas termoiônicas usadas nos sistemas telefônicos da época.

Em 1947 foi então criado o transístor, dispositivo eletrônico que controla a passagem de corrente elétrica. "O desenvolvimento do transístor dependeu do entendimento de como os elétrons se comportam dentro de um material semicondutor, e foi o físico teórico John Bardeen quem entendeu os mecanismos fundamentais que os elétrons precisavam realizar dentro dessas estruturas para controlar sua passagem", explica o professor Rodrigo Gonçalves Pereira, também do IFSC.

Se não fossem os semicondutores, o transístor, e o entendimento de como os elétrons se comportam neles, a eletrônica jamais teria chegado onde chegou - a eletrônica portátil seria virtualmente impossível.

Além dos superLEDs, com até 150 Watts, agora já existem também os LECs.
[Imagem: Sinano/Chinese Academy of Sciences]

LED

Considerada a maior revolução na iluminação desde a invenção da lâmpada elétrica, o LED azul foi o resultado de estudos realizados pelos japoneses Isamu Akasaki e Hiroshi Amano e Shuji Nakamura e já está por todos os lados - o LED original na verdade foi inventado há mais de 50 anos.

O estudo se baseou no fenômeno da emissão de luz pela passagem de corrente elétrica por um material semicondutor, processo bem diferente das lâmpadas tradicionais, que utilizam filamentos metálicos aquecidos, descargas de gases e outros expedientes para produção de luz.

"O Nobel de 2014 foi dado aos inventores dos LEDs azuis, apresentados em 1994. Esses LEDs deram origem a uma nova geração de LEDs com frequências mais altas [azul a ultravioleta] e, em particular, ao LED branco, que só é dessa cor porque alia um LED azul a uma camada de fósforo que emite luz na região do amarelo e faz com que o efeito final seja uma luz branca," explica Guilherme Sipahi.

Dentre as vantagens da luz de LED estão maior vida útil, mais iluminação com menos consumo, além de ser ecologicamente correta, já que não possui mercúrio ou qualquer elemento danoso à natureza.

A física estatística é tão apaixonante que alguns pesquisadores mais entusiasmados falam até em prever o futuro e as necessidades humanas.
[Imagem: Alessandro Vespignani]

Estatística da física

Mas nem tudo são experimentos e "dispositivos". Há também a física estatística, que, basicamente, descreve o funcionamento do mundo macrofísico tendo como base o que acontece no micro.

"Não sabemos combinar informações de cada um dos elementos [moléculas e átomos] que formam um material para entender o todo, portanto tentamos descobrir leis de comportamentos médios," explica o professor Leonardo Paulo Maia.

Uma das aplicações da física estatística é na instalação de torres para cobertura de telefonia móvel. A parte estratégica desse trabalho, desenvolvida na maioria das vezes por engenheiros, é a distribuição dessas torres de tal maneira que não se necessite de grande quantidade delas - já que o gasto financeiro seria muito grande - e que a cobertura do sinal não seja comprometida.

"Na engenharia e matemática aplicadas, são formuladas as chamadas técnicas de otimização estocástica, e os físicos estatísticos poderiam atuar nessa direção, pois cotidianamente utilizam técnicas análogas, embora com outras finalidades", explica Leonardo.

Transistores que funcionam como sensores prometem novas formas de realizar exames médicos.
[Imagem: EPFL/Jamani Caillet]

Sensores

Quando se fala em sensores, a primeira coisa que vem à nossa mente são aqueles aparelhos que ficam nos tetos e paredes das casas e que, com a nossa presença, acendem luzes ou disparam alarmes. No mundo científico, contudo, a utilidade dos sensores vai muito além da segurança doméstica ou iluminação automática de ambientes.

Capazes de responder a diversos estímulos físico-químicos, os sensores são utilizados para detectar, entre outras coisas, moléculas de gases.

"A grande quantidade de carros que temos hoje nas grandes cidades tornou necessário o monitoramento intensivo de gases tóxicos, para que as pessoas tenham conhecimento da toxicidade que pode estar presente no ambiente onde estão inseridas," explica o professor Valmor Roberto Mastelaro.

Os primeiros sensores construídos tinham um tamanho muito grande ou usavam uma tecnologia complexa, o que comprometia sua praticidade e funcionalidade. Após vários anos de estudos, os sensores estão-se tornando cada vez mais compactos e eficientes.

"Atualmente, os pesquisadores já são capazes de produzir microssensores, feitos com os mais diversos tipos de materiais. Isso, além de tornar o sensor muito pequeno, menor do que uma moeda de 1 Real, tornou-o mais eficiente e seletivo. Ou seja, ele é capaz de detectar vários tipos de gases ou um único gás, separadamente", conta o pesquisador.

Alivie a dor e fique rico

Se tudo isso está ameaçando lhe dar dor de cabeça, talvez você se lembre da aspirina.

No final século XIX, "a Bayer começou a comercializar heroína como analgésico, que foi muito bem recebida, uma vez que uma dose pequena já trazia um grande alívio da dor. Por isso o nome 'heroína'. Porém, os fabricantes perceberam que ela causava grande dependência nos usuários, o que, além de prejudicial à saúde, não trazia uma boa imagem à empresa", explica o professor Rafael Carvalho Guido.

Depois de retirar a heroína do mercado, a própria Bayer começou a se interessar pelo ácido salicílico. "Mas havia um problema: esse ácido reagia com a estrutura da pele humana, causando danos celulares. Foi quando Felix Hoffman sintetizou o ácido acetilsalicílico, popularmente conhecido como AAS ou aspirina, que continha as mesmas propriedades terapêuticas do anterior, mas sem causar danos ao organismo", conta Rafael.

Depois de tantos exemplos, talvez seja melhor, da próxima vez que ouvir ou ler sobre uma descoberta ou novidade um tanto estranha saindo dos laboratórios, tentar imaginar um uso ou aplicação que aquela novidade poderia ter. Ou você achava que seria impossível virar um grande empresário lendo novidades científicas?

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