Grupo investiga dissipação de energia em nanotubo de carbono

“Nanoviolão” é um termo que tem apelo midiático, mas não foi criado pelo professor Gustavo Wiederhecker, da Unicamp, nem por seus parceiros da Cornell University, que assinam artigo na Nature explorando a vibração mecânica em nanoescala. Mostrar como se dá a dissipação de energia em moléculas como o nanotubo de carbono era um problema que estava em aberto na comunidade científica e cujo melhor entendimento deve impactar, por exemplo, na busca por computadores cada vez mais rápidos, o que passa pela miniaturização de componentes eletrônicos como o transistor. “Este é o verdadeiro triunfo científico do nosso trabalho”, diz o professor do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW).

Gustavo Wiederhecker recorda que esta pesquisa possui uma história bem longa, que vem desde 2011, porque foram diversas tentativas frustradas. “A semente deste trabalho está em uma parceria com pesquisadores da Cornell University, onde fiz estágio de pós-doutorado há oito anos, participando de um grupo de pesquisas em emissão de som com a luz e realizando as primeiras tentativas para provar a existência de vibrações mecânicas em uma molécula. Chegamos a um sensor óptico que sabíamos ser extremamente sensível e queríamos demonstrá-lo em algo tão diminuto.”

O pesquisador fez uma primeira experiência tentando montar uma estrutura integrada com o dispositivo óptico e um nanotubo de carbono, o que se mostrou inviável. “Iniciamos então uma jornada liderada por Paul McEuen, cujo grupo é especializado na fabricação de nanotubos. Unimos expertises tentando manipular o nanotubo e o sensor, aproximando-os manualmente. Levamos vários anos até um resultado final que parece elementar: recorremos a uma pinça – cuja fabricação foi tema de doutorado de Arthur Barnard – para ‘pescar’ o nanotubo, aproximá-lo do sensor e esticá-lo, provocando vibrações como da corda de violão.”

Wiederhecker salienta, no entanto, que este “nanoviolão” jamais seria ouvido por nós humanos, já que no nanotubo de carbono as vibrações ocorrem em frequências bem superiores às frequências audíveis. “Se nós ouvimos até 10 ou 20 quilohertz, ou 1.000 ciclos por segundo (nível estridente como de um alarme), o nanotubo vibra em frequências que se aproximam de 1 milhão de ciclos por segundo, ou seja, até mil vezes mais altas que o limite da audição humana. Portanto, o ‘nanoviolão’ não possui finalidades artísticas”, brinca.

De qualquer forma, o professor do Departamento de Física Aplicada acha a analogia interessante, já que se trata no fundo de uma corda de violão em nanoescala, que é esticada com uma pinça para sintonizar a frequência de vibração – ou a nota desejada, a exemplo da haste do instrumento. O artigo na Nature traz a composição do hino da Universidade Cornell, que pode ser ouvido aqui. “Foi uma ideia de Arthur Barnard para mostrar que a faixa de sintonia de frequência do nanotubo é tão ampla que, esticando-o em diferentes pontos, é possível construir uma escala musical.”

Importância científica

Em que pese esse aspecto lúdico, a importância científica da pesquisa, reitera o pesquisador da Unicamp, está na exploração de vibrações mecânicas em nanoescala. “Entende-se muito bem quais são os mecanismos que causam a dissipação da energia na corda de violão, que vai oscilar por certo tempo e depois emitir a onda acústica no ar. Porém, quando se tenta entender o que acontece microscopicamente, nos deparamos com um problema bastante sofisticado, já que a corda é constituída de moles de átomos [mol é a medida da quantidade de átomos em substâncias].”

Gustavo Wiederhecker explica que, mesmo com os recursos computacionais de hoje, não se consegue modelar uma corda de violão inteira para entender a interação de “zilhões” de átomos que a constituem. “Mas quando se vai para a nanoescala, passamos a ter um sistema pequeno o suficiente para construir modelos microscópicos que representem a estrutura como um todo. Os modelos teóricos para explicar os mecanismos de dissipação são muito bem estabelecidos e o nanotubo de carbono é uma das plataformas em que isso acontece.”

Para se enxergar o nanotubo, segue explicando o pesquisador, é possível recorrer a técnicas já disseminadas como de microscopia eletrônica de varredura, que segue o mesmo princípio da luz. “Acontece que ao invés de partículas de luz, o microscópio joga elétrons no material: a imagem é formada na medição dos elétrons ejetados. Esta técnica é extremamente perturbativa, atacando a estrutura e, além disso, é lenta: a imagem pode demorar de 10 a 15 segundos para ser exposta e, se houver o menor movimento, o que aparece é um borrão. A técnica é apropriada para imagem de objetos estáticos.”

O professor do IFGW acrescenta que, pelo microscópio, a imagem do nanotubo de carbono seria como de uma roda de automóvel em velocidade, mas aparentemente parada. “O nosso sensor óptico (o olho) não consegue identificar as etapas do movimento da roda, vê-se uma média. Esta experiência já tinha sido feita com o nanotubo e se viu um borrão, indicando que a estrutura estava se movimentando. Nosso desafio foi aumentar esta velocidade a ponto de provarmos literalmente a movimentação do nanotubo em tempo real.”

Sensível e rápido

A técnica desenvolvida com os pesquisadores de Cornell, assegura Wiederhecker, é extremamente sensível e rápida. “O resultado do trabalho é o que chamamos de estrutura ressonante, onde a luz é propagada entre dois espelhos e, ao invés de interagir uma única vez com o objeto, interage na ida e na volta – idas e voltas que ocorrem milhares de vezes. E o tempo de ida e volta da luz, dando uma volta no objeto, é ínfimo, de um trilionésimo de segundo, ou seja, em um ciclo de oscilação do nanotubo, a luz já passou por ele cem mil vezes.”

Por outro lado, observa o coautor do artigo, o sistema é dotado de um sensor óptico com sinal de alta sensibilidade que interage minimamente com a luz, e inúmeras vezes, oferecendo a informação do movimento do nanotubo – e muito rapidamente. “Este foi o diferencial do nosso trabalho, que nos permitiu ver, literalmente, como o nanotubo oscila no tempo. Notamos, por exemplo, que o nanotubo não é como corda de violão, em que se toca uma nota que se dissipa; ali, ao tocar uma nota lá, ela de repente vira dó, ré e volta a ser lá.”

O professor afirma que esta característica se deve à massa muito pequena do nanotubo, equivalente ao milionésimo de um trilionésimo do grama. “A temperatura ambiente, por volta dos 270C e em que se deu o experimento, injeta calor na estrutura do nanotudo, fazendo com que se movimente o tempo todo, ganhando uma amplitude muitas vezes maior que a sua própria dimensão (cinco nanômetros de diâmetro). A estrutura sacode como corda de violão tocando o tempo todo, e tocando de forma aleatória. O resultado é que as frequências começam a trocar energia – esse foi o valor científico que justificou o interesse de uma revista do prestígio da Nature.”
 

Possíveis aplicações

Além de servir como um transistor (cerne de um processador de computador), o nanotubo de carbono pode ser aplicado como um sensor de massa, a fim de pesar algo levíssimo como um átomo, se atendidas as expectativas do pesquisador do IFGW. “Há gases perigosos que podem matar uma pessoa apenas com uma parte por bilhão. Um sensor de nanotubo de carbono dispararia no contato com o primeiro átomo de gás que chegasse a ele. Outra alternativa seria no caso de doenças, detectando um único vírus no organismo humano antes de a infecção se espalhar.”

O docente da Unicamp informa que existe toda uma linha de pesquisa ligada a sensores ultrassensíveis, envolvendo dispositivos que dependem do entendimento de como eles funcionam na nanoescala. “Parte do nosso trabalho possibilita uma previsão de como tais dispositivos vão se comportar. Essa técnica permite avaliar como mitigar a influência de uma vibração mais complexa do nanotubo, ou mesmo se determinada aplicação é inviável, devido à limitação por processos que reportamos no artigo. Creio que a pesquisa colocou uma luz sobre esta região meio obscura.”

Nesse sentido, Gustavo Wiederhecker manifesta a sua surpresa com o momento de obscurantismo que o Brasil vive em relação à ciência, ainda que sejam desenvolvidas pesquisas como esta em parceria com a Cornell University. “As pessoas usam ciência todo dia. Como não reconhecer de onde saiu o celular, que hoje é feito pela indústria, mas na década de 70 era objeto de laboratório? O desenvolvimento científico, geralmente produzido em universidades do mundo todo, se dá a partir de pesquisas elementares. Por mais remotas que as aplicações aparentam ser, elas vão chegar, por um caminho ou por outro.”