Brasileiro desenvolve técnica para criar os menores fios possíveis

Com informações do Jornal da Unicamp - 21/07/2010

A cadeia atômica linear consiste numa linha na qual um átomo está ligado a dois outros sucessivamente numa configuração linear que pode chegar a até dez átomos no caso do ouro.
[Imagem: E.P.M.Amorim]

Por um nanofio

A necessidade de ampliar a capacidade de processamento computacional está resultando em um intenso esforço científico e tecnológico para produzir circuitos eletrônicos cada vez menores.

A grande fronteira concentra-se atualmente nos nanofios metálicos - especialmente de cobre e ouro. Eles vêm sendo estudados experimental e teoricamente como possíveis nanocondutores capazes de fazer contatos elétricos e conectar dispositivos.

O físico Edgard Pacheco Moreira Amorim, da Unicamp, utilizou simulações computacionais e experimentos práticos para pesquisar as propriedades mecânicas e eletrônicas desses nanofios, que já foram testados até mesmo para estimular neurônios individuais.

Os resultados de sua pesquisa permitiram não apenas um novo entendimento sobre a formação dos nanofios, como abriu caminho para novas técnicas de fabricação dessas estruturas nanométricas, que poderão vir a ser utilizadas para superar as barreiras físicas do silício e em uma grande variedade de outras aplicações, como na distribuição de medicamentos pelo corpo humano.

Cadeias atômicas lineares

Nas dimensões nanoscópicas dos nanofios, quando tensionados, eles tendem a rearranjar-se, formando cadeias atômicas lineares - o que significa o menor condutor possível. Esse comportamento na fronteira entre o tridimensional, o bidimensional, indo até o unidimensional, foi verificado por Edgard em nanofios de cobre e de ouro.

"A contribuição de fato da pesquisa está em constatar esse efeito. Consequentemente, isso abriu uma nova perspectiva de trabalho para teóricos e experimentalistas investigarem nanofios de cobre mais profundamente", afirmou Amorim, que foi orientado pelo professor Edison Zacarias da Silva.

Amorim explicou que a cadeia atômica linear consiste numa linha na qual um átomo está ligado a dois outros sucessivamente numa configuração linear que pode chegar a até dez átomos no caso do ouro.

Como no caso do cobre foi constatada uma evolução para uma cadeia atômica menor e também com pontas menos simétricas, isso indica que tanto a maleabilidade quanto a ductibilidade - que medem a capacidade dos materiais deformarem, formando lâminas e fios - é menor no cobre do que no ouro quando são consideradas suas configurações nanométricas.

Estruturas malucas

A estrutura cristalina macroscópica de ambos os metais é composta por uma configuração periódica de geometria cúbica de face centrada, na qual átomos nos vértices e no centro de cada face de um cubo repetem-se ordenadamente por todo o sólido.

Quando estes materiais são alongados até ficarem bem finos, a relação entre superfície e volume do condutor torna-se cada vez mais significativa, perdendo a coesão macroscópica entre os átomos.

Nesta situação, prossegue Amorim, foi observado em alguns casos o aparecimento de estruturas não cristalinas, com geometrias tão diferentes que foram batizadas de estruturas "malucas".

São estruturas de múltiplas camadas, helicoidais ou de uma única camada, que foram observadas para ouro e platina em experimentos de microscopia eletrônica. "Em nossos cálculos, mostramos que nanofios de ouro, puxados em uma dada direção cristalográfica, evoluem intrinsecamente para uma estrutura helicoidal," garantiu o físico.

Além disso, estabeleceu-se uma relação entre o aparecimento desse tipo de estrutura e a formação de longas cadeias atômicas lineares. Quando a estrutura helicoidal, surge é possível mostrar que, à medida que são esticadas, suas pontas possuem baixa simetria de tal forma que o átomo da ponta está ligado a um só átomo. Nesta condição, a cadeia atômica linear se desenrola da ponta como um fio saindo de um novelo de lã. A cadeia se rompe a partir do momento no qual o átomo da ponta divide suas ligações com três ou mais átomos, tornando-se energeticamente menos favorável acrescentar mais átomos à cadeia atômica do que quebrar uma ligação desta.

Impurezas úteis

Amorim aponta ainda que outro aspecto relevante investigado em seu trabalho é a inserção de impurezas em nanofios de cobre. Experimentalmente foram observadas distâncias entre átomos de ouro muito maiores do que usualmente é calculada com métodos chamados de primeiros-princípios, que são fundamentados nos princípios da mecânica quântica, sendo considerados como o estado da arte no cálculo das propriedades dos materiais.

Portanto, tanto pesquisadores experimentais quanto teóricos atribuíram estas grandes distâncias à influência de impurezas leves, tais como hidrogênio, oxigênio e carbono, entre outras, que estariam entre dois átomos de ouro e que não poderiam ser vistas em imagens de microscopia eletrônica. A partir disso, vários trabalhos teóricos buscaram calcular quais seriam as impurezas mais prováveis e a influência delas nas propriedades mecânicas, eletrônicas e de transporte eletrônico nestes nanofios metálicos.

A pesquisa desenvolvida por Amorim mostra que impurezas de N e N2 em nanofios de cobre tornam a ligação entre átomos tão forte que possibilitam a reconstrução das pontas adicionando mais átomos à cadeia atômica linear, tornando-se um meio mecanoquímico de reconstruir cadeias maiores do que se observa em nanofios puros. Isso sugere a possibilidade de produzir nanocondutores mais longos sintetizados em atmosferas nitrogenadas.

Estrutura helicoidal

De uma forma geral, disse o físico, todos os resultados apresentados em sua pesquisa foram observados em laboratório. No entanto, especialmente no que se refere às estruturas helicoidais de ouro, ele garantiu que acrescentou uma interpretação nova a respeito da formação, que é dada por um comportamento intrínseco de se puxar o nanofio nesta direção - direções cristalográficas 100, 110 e 111.

Além disso, ele explica a relação direta entre a estrutura helicoidal e a observação de cadeias mais longas do que usualmente é obtido por nanofios de ouro alongados em outras direções. Embora todos os experimentos e cálculos sejam fundamentais no que se refere à ciência de base, do ponto de vista de possíveis aplicações tecnológicas, a deposição de nanofios metálicos em superfícies parece ser potencialmente promissora para se ter, de fato, uma eletrônica em escala nanométrica.

Portanto, uma nova direção interessante para prosseguir com os estudos mostrados neste trabalho, segundo Amorim, seria avaliar a possibilidade da aplicação tecnológica de nanofios depositados em diferentes superfícies, observando o efeito da temperatura e da contaminação por impurezas leves normalmente presentes em condições ambientais típicas as quais estes experimentos são realizados. "E, principalmente, avaliar como e quanto essas condições afetam as propriedades de estrutura eletrônica e de transporte desses sistemas", concluiu.

Silício no limite e fármacos

Atualmente, a aplicação tecnológica da nanociência é fomentada pela indústria da informática e também pela produção de fármacos. Uma das grandes fabricantes de processadores, a Intel, produz atualmente transistores em uma escala de tamanho na faixa de 45 nanômetros - lembrando que um nanômetro equivale a 1 metro dividido por 1 bilhão.

Isso possibilita colocar em uma área menor que 26 milímetros quadrados algo em torno de 47 milhões de transistores, trazendo cada vez mais próximo o limite físico de toda tecnologia baseada no silício.

O desenvolvimento do encapsulamento de fármacos, por sua vez, que abrange o esforço de físicos, químicos e biólogos, recentemente levantou a possibilidade de se produzir nanopartículas de ouro para transportar os medicamentos no interior do corpo humano.

Aglomerados com o fármaco poderiam ser transportados pela corrente sanguínea, sendo derretidos por meio de radiação não-invasiva a tecidos biológicos liberando-os com precisão nanométrica, consistindo numa forma eficaz de atacar tumores sem afetar células saudáveis.

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