Laboratório de nanociência e nanotecnologia é inaugurado no Rio

Com informações do CBPF - 10/12/2010

A sofisticada infraestrutura de nanofabricação e caracterização de amostras conta os mais modernos equipamentos disponíveis. Na foto, o microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução.
[Imagem: Vanessa Mebus/CBPF]

O Rio de Janeiro inaugura hoje seu primeiro laboratório de nanociência e nanotecnologia, totalmente aberto aos grupos de pesquisa de todo o país.

O Laboratório Multiusuário de Nanociência e Nanotecnologia - LABNANO, está instalado no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF).

A comunidade científica acredita que as instalações irão impulsionar as pesquisas na área de materiais nanoestruturados e dará ênfase à produção de estruturas em escala nanométrica, tais como sensores com ampla gama de aplicações, desde imageamento térmico até sistemas lab-on-chip para diagnósticos médicos.

Nanofabricação

A sofisticada infraestrutura de nanofabricação e caracterização de amostras conta com microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução, sistema de nanolitografia por feixe de elétrons RAITH e_LINE, microscópio eletrônico de varredura com sistema de espectroscopia por dispersão de raios X, além de outros recursos integrados.

As decisões estratégicas relacionadas à implementação e ao gerenciamento do LABNANO estão a cargo de um comitê gestor, presidido pelo diretor do CBPF, Ricardo Galvão, e integrado pelos pesquisadores José d'Albuquerque e Castro (UFRJ), José Soares (UERJ), Fernando Lázaro Freire Jr. (PUC-Rio), Marcelo Prado (IME), Roberto Bechara Muniz (UFF), Edson Passamani (UFES).

A equipe de especialistas do CBPF estima que o LABNANO atenda a pelo menos 100 projetos de pesquisa por ano.

Um comitê assessor externo irá avaliar o mérito das propostas para utilização do LABNANO, levando em conta a relevância do projeto de pesquisa, a sua compatibilidade com o equipamento demandado e com a produção científica no campo das nanotecnologias, a produtividade do proponente.

O tempo de uso do laboratório previsto terá uma distribuição com 60% para projetos da comunidade científica, 20% para projetos do CBPF, 10% para prestação de serviços pelo CBPF e 10% para manutenção dos equipamentos e capacitação técnica.

Nanociência e nanotecnologia

"O projeto do LABNANO levou em conta, desde o início, um modelo inovador e participativo, que agregasse a comunidade envolvida com nanociência e nanotecnologia em torno da gestão, operação e utilização do Laboratório", afirmou Ricardo Galvão, diretor do CBPF.

O pesquisador Rubem Sommer, coordenador da área de física de matéria condensada experimental do CBPF e do Comitê Técnico-Científico do LABNANO, lembra que, desde meados da década de 90 o trabalho com filmes finos - estruturas que desempenham função de condutores, semicondutores ou isolantes elétricos nos dispositivos e circuitos integrados - já demandava um maior controle dimensional na fabricação das amostras.

"Até dez anos atrás não havia no CBPF técnicas sofisticadas de análise e de caracterização de nanoestruturas. Um dos únicos laboratórios abertos que trabalhavam com caracterização era o Síncroton (Laboratório Nacional de Luz Síncroton - LNLS, em Campinas, SP)," explica Sommer.

Nessa época, alguns pesquisadores do Centro já vinham trabalhando com a técnica de litografia para fabricação de nanoestruturas e embora não houvesse ainda no Brasil nenhum equipamento de ponta capaz de fazer litografia, isso já era uma demanda. "Quando o MCT acenou com a instalação no CBPF de uma estrutura que atendesse às demandas em nanofabricação já existentes, a opção pelo sistema de nanolitografia por feixe de elétrons pareceu muito natural", conta.

Luiz Sampaio, pesquisador responsável pelo sistema de nanolitografia do LABNANO, também considera que a infraestrutura do Laboratório, orientada para caracterização de materiais e nanofabricação, privilegiou acertadamente a técnica de litografia por feixe de elétrons, que já era, desde então, uma aspiração da instituição.

"Em escala de laboratório, a técnica de litografia por feixe de elétrons é a mais viável em termos de custos, para obtenção de estruturas artificiais de até 20 nanômetros," diz ele.

Para o pesquisador, além das oportunidades abertas pelo barateamento das tecnologias de nanofabricação, a ampliação do leque de aplicações derivadas não podia ser desconsiderada pelos grupos engajados no fortalecimento da pesquisa em nanotecnologia na região.

"Áreas emergentes, tais como spintrônica, fotônica, nanomagnetismo, computação quântica e eletrônica molecular, só para citar alguns exemplos, necessariamente exigem a fabricação de nanoestruturas, e não podíamos ficar de fora", acrescenta ele.

Este é o Nanolito, sistema de litografia por feixe de elétrons. Baseado em um microscópio eletrônico de varredura com fonte de elétrons por emissão de campo, o equipamento conta com facilidades de imagem e suporte de amostras com rotação e inclinação.
[Imagem: Vanessa Mebus/CBPF]

Laboratório multiusuário

Além da definição de sua estrutura atual, todas as decisões estratégicas relacionadas ao Laboratório têm sido assumidas por esse coletivo de instituições parceiras e representadas no Comitê Gestor do LABNANO, afirma Ricardo Galvão, que também preside o Comitê.

"Um dos primeiros compromissos do Comitê Gestor foi o de estabelecer o funcionamento em regime multiusuário da estrutura laboratorial concentrada no CBPF", lembra o tecnologista ANDRÉ PINTO, responsável pelos sistemas de microscopia do LABNANO. ANDRÉ avalia que naquele momento (em fins de 2005) os grupos representados no Comitê Gestor consideraram ser mais apropriada essa configuração de uma única instalação compartilhada. "Com esta base consolidada, pode-se agora compor uma rede com funcionamento complementar ao LABNANO, que amplie os serviços oferecidos pelo laboratório multiusuário".

André Pinto, responsável pelos sistemas de microscopia do LABNANO, explica que a chegada ao mercado, há cerca de dez anos, de novas tecnologias de alta resolução em microscopia eletrônica a preços mais competitivos tornou possível a montagem do Laboratório Multiusuário com as sofisticadas fontes de elétrons (FEG - Field Emission Gun) do MET e do NANOLITO.

"No Brasil, um equipamento de perfil multiusuário e com resolução e disponibilidade de ferramentas analíticas (EDS - espectroscopia de dispersão de energia de raios X, e EELS - espectroscopia de perda de energia de elétrons) comparáveis ao MET do LABNANO só pode ser encontrado no Laboratório Nacional de Luz Síncroton (LNLS/MCT), em Campinas (SP); da mesma forma, o sistema de nanolitografia do NANOLITO não tem ainda um similar no país disponível para utilização em regime multiusuário", afirma ele.

Nanolitografia

O NANOLITO é, de maneira bastante simplificada, um sistema que permite a construção de objetos nanométricos em um substrato - tipicamente silício, embora outros substratos possam ser usados.

Sobre o silício, ou outro substrato, é aplicado um material polimérico, em cima do qual um feixe de elétrons faz um "desenho". Um solvente aplicado ao material polimérico sensibilizado pelo feixe de elétrons define a área a ser dissolvida e que posteriormente deve ser preenchida por alguma técnica de deposição ou atacada para remoção de material do substrato.

Este processo de fabricação é conhecido como litografia, só que em escala nano.

A mudança de escala tecnológica é demandada pelas transformações que atravessam alguns setores, como o da microeletrônica: à medida que aumentou a capacidade dos dispositivos de memória dos computadores e a quantidade de elementos integrados nos processadores, as trilhas e dispositivos de dimensões micrométricas foram gradativamente substituídas por outras, de dimensões nanométricas.

Não é só "fazer menor"

A transição da escala micro para a escala nano traz em si uma série de implicações, além das já previstas na fabricação de estruturas minúsculas.

Por exemplo, a distância entre a posição de cada bit numa sequência de bits contidos em um processador é hoje tão ínfima, que a manipulação desse tipo de estrutura vem exigindo uma revisão do conhecimento científico e tecnológico para que se evite a ocorrência de certos eventos indesejados associados ao trabalho em escala nano.

"Pode acontecer de, ao se trocar um bit de uma determinada unidade, outro bit, numa posição vizinha, ser também afetado. Não se trata simplesmente de conseguir fabricar 'menorzinho': esse é um desafio em si; mas, mais significativo são os ajustes tecnológicos necessários para contornar efeitos que, embora não sejam considerados em escala macrométrica, se tornam importantes em dimensões nanométricas", completa ele.

Laboratório e sala limpa

O trabalho em escala nano impõe algumas restrições não só à fabricação de estruturas mas também à configuração do ambiente de fabricação, que, além de livre de interferências eletromagnéticas ou mecânicas que podem afetar a resolução dos equipamentos, deve ser também isolado de poeiras e outras partículas que podem interferir com esse processo.

Para isso, tanto as rotas adotadas pelo LABNANO - caracterização e fabricação de nanoestruturas - quanto a infraestrutura técnica requerida para atingi-las ajudaram a especificar a obra civil necessária às instalações do Laboratório.

A deposição de filmes finos simples ou em multicamadas pode servir ao estudo das propriedades ópticas, magnéticas ou elétricas desses materiais ou fazer parte do processo de fabricação de nanoestruturas.
[Imagem: Vanessa Mebus/CBPF]

Como explica André Pinto, "por ainda não existir um consenso técnico sobre as instalações de um laboratório desse tipo, o projeto civil foi orientado pelas especificações dos equipamentos e pela experiência prévia de outros laboratórios. A sensibilidade do sistema de alta resolução do MET a ruídos eletromagnéticos e vibrações mecânicas, por exemplo, exigiu cuidados especiais na instalação elétrica, no revestimento das paredes e do piso e na definição do sistema de refrigeração", explica ele.

Outro ponto de atenção foi o isolamento das instalações do Laboratório das vibrações mecânicas que poderiam afetar o funcionamento do MET e do NANOLITO. Com essa finalidade, foram construídos dois blocos inerciais - pesados alicerces de concreto - que servem de base aos microscópios.

A preparação do terreno apresentou um obstáculo inesperado: um leito de águas pluviais construído provavelmente ainda durante o século 17 e que demandou um longo e cuidadoso trabalho de estaqueamento dos blocos. "A complexidade dessa obra foi responsável por um atraso significativo na finalização do projeto", explica ANDRÉ PINTO.

Com uma área útil de 134 m2, o LABNANO comporta uma sala de preparação de amostras, uma sala limpa classe 1000 com duas capelas classe 100, além dos ambientes MEV (com resolução de 3 nanômetros), MET (com resolução de 0,16 nanômetros, equipado com diversas ferramentas analíticas) e o sistema de nanolitografia, aliando dispositivos de inspeção de alta resolução (1,4 nanômetros) e ferramenta de fabricação.

Integrado ao LABNANO, o sistema de deposição de filmes finos vai funcionar também em regime multiusuário e de maneira complementar aos demais sistemas do Laboratório. A deposição de filmes finos simples ou em multicamadas pode servir ao estudo das propriedades ópticas, magnéticas ou elétricas desses materiais ou fazer parte do processo de fabricação de nanoestruturas.

Fluxo contínuo

Ao longo do projeto, desde a definição dos equipamentos e durante a execução das obras, o MCT fez um aporte total de recursos da ordem de R$ 6,8 milhões, principalmente através da FINEP e do CNPq.

Em 2009 e 2010, mais investimentos foram recomendados pelo MCT e contemplam novos equipamentos - como o FIB (Focus Ion Beam), uma ferramenta de microscopia analítica em 3D e de usinagem direta por feixe de íons focalizados, além de acessórios como um sistema de difração de precessão para o MET, ambos já em processo de aquisição - que completam uma suíte de equipamentos para caracterização e nanofabricação.

"O desafio agora é garantir recursos para a manutenção dessa infraestrutura com fluxo contínuo de investimentos do MCT", afirma Rubem Sommer, que explica ainda que um contrato anual de manutenção para os equipamentos já instalados, incluída uma provisão para peças de reposição, não sai por menos de R$ 200 mil.

"A importância de o MCT investir em um empreendimento como o LABNANO, como tem investido também outros laboratórios de pesquisa no país, é garantir o funcionamento de uma estrutura aberta, o que fortalece todo o sistema nacional de ciência e tecnologia", conclui o pesquisador.

Precisa-se de nanocientistas

O funcionamento do LABNANO tem ainda como desafio aumentar a equipe de trabalho, que hoje conta com seis especialistas do CBPF, entre pesquisadores, tecnologistas e técnicos, além de bolsistas.

"Precisaríamos de ao menos mais um tecnologista e mais dois técnicos integralmente dedicados ao LABNANO", afirma Rubem Sommer. Para o pesquisador, o futuro do Laboratório passa pela formação de pessoal especializado, e o CBPF tem trabalhado nessa linha.

Nos últimos anos, o Centro de Pesquisas já realizou três Escolas de Nanofabricação e duas Escolas de Microscopia Eletrônica de Transmissão, e tem oferecido cursos de treinamento para a equipe que vai dar suporte aos usuários do LABNANO.

A partir do próximo ano, a agenda do Laboratório prevê cursos regulares e extensivos de nanolitografia e microscopia, além de cursos de curta duração nessas mesmas especialidades.