Brasileiros buscam novas técnicas para produzir diamantes

Reator para deposição de diamante CVD e nanotubos de carbono, no laboratório

Deposição de vapor químico
Evaldo José Corat, pesquisador do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), está chefiando um projeto que envolve áreas diferentes, mas com um ponto em comum: são materiais de carbono.
Esses materiais são os diamantes sintéticos, os nanotubos de carbono e os chamados DLC (diamond-like-carbon, ou diamantes tipo carbono).
E todos são produzidos por meio de técnicas de deposição química a partir da fase de vapor.
Trata-se de um processo conhecido internacionalmente pela sigla CVD, de Chemical Vapor Deposition.
O processo envolve a ativação de um gás, o que pode ser feito ao se alterar a temperatura, fazer um plasma ou, no caso de diamante, pelo uso de filamento aquecido.
A partir de reação desse gás reativo é feita a deposição de materiais sobre superfícies, processo conhecido como "crescimento" e usado para produzir o diamante CVD (sigla que o distingue do diamante usado para as jóias), o DLC (diamond-like carbon) e os nanotubos de carbono.
Diamantes CVD
O CVD é conhecido dos pesquisadores desde os anos 1950.
No caso dos estudos do Inpe, ele é crescido a partir de uma mistura de gases que contém uma pequena concentração de metano.
A mistura é colocada em reatores de filamento quente - o equipamento usado para a pesquisa usa filamentos de tungstênio -, com temperaturas acima de 2.300 ºC. A partir da ativação desse gás, é feito o depósito desse diamante em um substrato, formando o filme de diamante.
Apesar de a descrição ser simples, produzir diamante em laboratório requer tempo. "A taxa de crescimento é de 2 a 4 micrômetros por hora. Podemos crescer diamantes bem finos até relativamente espessos", disse Corat.
Em um projeto desenvolvido anteriormente, envolvendo o uso de diamante CVD em brocas de perfuração de solo, os pesquisadores cresceram diamantes com 2 milímetros de diâmetro, em processo que levou mais de um mês.
Aplicações dos diamantes sintéticos
O diamante é conhecido por ser o material mais duro existente na natureza e os exemplares produzidos em laboratórios mantêm essa característica.

• Cientistas fabricaram diamantes artificiais mais duros do que diamantes naturais

Eles também são excelentes condutores térmicos e transparentes na faixa do espectro que vai do raio X até o infravermelho longínquo. Essas características podem ser exploradas na proteção de superfícies de equipamentos espaciais, em dispositivos microeletrônicos, em ferramentas de corte, como camada antiatrito em motores automotivos e aeronáuticos, para proteção de superfícies para ambientes agressivos e no processamento de vidros e materiais cerâmicos.
O diamante CVD também pode ser usado nas áreas médico-odontológica, como material para brocas rotativas usadas por dentistas, ou em aparelhos de ultrassom, em dispositivos para implantes e como eletrodos para sistemas de tratamento de efluentes e de água.
Corat e os pesquisadores a ele associados enfrentam o desafio de ampliar o crescimento de tubos de diamante CVD sobre fios finos de tungstênio.
"Estamos fazendo o escalonamento da produção para obter volumes relativamente grandes. Queremos obter ferramentas abrasivas, incluindo brocas de alta durabilidade para perfuração de rochas, com perspectivas de aplicação na perfuração de poços de petróleo. O desafio é tornar a produção economicamente viável", explicou.
O desenvolvimento de interfaces para deposição de diamante CVD sobre aços e materiais de ferramenta é outro importante objetivo do projeto. Os estudos identificaram que a interface de carboneto de vanádio e de boretos de ferro, obtidos por processo de termodifusão (difusão produzida por calor), tem capacidade de promover o crescimento de diamante de alta qualidade. Outra aplicação em estudo é a do diamante como eletrodo para eletroquímica, a ser usado, por exemplo, em tratamento de água.
O grupo coordenado por Corat também está pesquisando o processo de crescimento do nanodiamante, com potencial uso em um novo conceito de células solares que convertem calor diretamente em eletricidade e promete energia solar a custos menores que com as células de silício. Essa é uma linha de pesquisa básica do grupo coordenado pelo Inpe, que envolve o estudo de cálculos do processo e a identificação do material, procurando entender como e por que o nanodiamante cresce.
Nanotubos de carbono
Os pesquisadores estão estudando também o crescimento de nanotubos de carbono de forma alinhada sobre a superfície - geralmente, os nanotubos são apresentados na forma de pó.
A principal aplicação é em compósitos estruturais, ou seja, fazer o depósito de nanotubos alinhados sobre fibra de carbono.
"Estamos fazendo os estudos para o escalonamento desse processo, ainda na escala do laboratório e para uso próprio", explicou Corat. Os pesquisadores querem fazer o processo de forma mais rápida e ágil, obtendo amostras maiores de compósito para avançar suas pesquisas.
Outra área de trabalho é o desenvolvimento de técnicas para dar características de hidrofobicidade (capacidade de uma superfície repelir a água) e hidrofilicidade (afinidade de uma superfície com a água) a superfícies de nanotubos alinhados.
Com a técnica de plasma de oxigênio, os pesquisadores transformam a superfície de nanotubos alinhados em material super-hidrofílico; e com o tratamento a laser, que evapora parte dos nanotubos, tornam a superfície super-hidrofóbica.
Uma aplicação possível é a filtragem de água e óleo, ou seja, pode ser usado em filtros para plataformas de petróleo.
Mas a pesquisa que Corat destaca com mais ênfase envolvendo os nanotubos de carbono é a que investigou a interação dos nanotubos alinhados com células.
"Crescemos células e hidroxiapatita em nanotubos, com melhoria do processo de crescimento celular. É uma linha que temos intenção de continuar investindo", disse. A hidroxiapatita é um mineral importante para ossos e dentes, por exemplo.
Janela de luz
Outro subprojeto do grupo envolve parceria com o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), vinculado ao Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCT) e localizado em Campinas (SP).
Os pesquisadores estudam o uso do diamante CVD em janelas de raio X, foco de alta energia. As janelas são uma interface entre o meio ambiente e o ambiente interno do anel, onde corre a linha de luz.
"São poucos os materiais que podem ser usados como janela. Geralmente usam berílio, um material caro e perigoso. Estamos em processo de estudo para substituição dessas janelas pelas de diamante", explicou Corat.
Diamante amorfo
O outro material que está sendo pesquisado é o DLC. Apesar de serem materiais formados por carbono, o diamante e o DLC são muito diferentes. O primeiro tem a estrutura cristalina e o outro é amorfo, e, por isso, não é considerado propriamente um diamante.
O DLC surgiu de uma tecnologia derivada do processo de tentativa de crescimento de diamantes em laboratório. Em algumas circunstâncias nesse processo foram obtidos materiais com características semelhantes às do diamante, mas que não tinham as estruturas cristalinas que o caracterizam.
"O DLC tem aplicabilidade industrial muito maior do que o diamante porque podemos fazer sua deposição em temperaturas mais baixas, praticamente em temperatura ambiente, e sobre materiais convencionais, como aço, alumínio, latão, plástico e vidro, que são mais importantes para a indústria.
Isso é algo que não conseguimos fazer com diamantes, que precisam de temperaturas muito altas, em torno de 800 ºC, e não podem ser depositados sobre qualquer tipo de material", acrescenta.
Apesar de ser muito duro, o DLC tem 30% a 40% da dureza do diamante, seu coeficiente de atrito é extremamente baixo. "Graças a essa característica, usamos o DLC no Inpe como lubrificantes sólidos, utilizados em satélites", contou Corat.
Até pouco tempo atrás, o lubrificante era importado. "Hoje, temos uma empresa nacional, a Fibraforte, que desenvolveu conosco o processo de deposição de DLC sobre as partes móveis do satélite, o que permitiu substituir a importação", disse.
Os esforços da equipe do projeto estão centrados também no estudo da adesão do DLC em aço e titânio. No caso do primeiro material, o interesse é desenvolver uma tecnologia que possa ser transferida para a indústria.
No caso do titânio, são para aplicações de interesse do Inpe, necessárias para o funcionamento de satélites. Em um dos estudos, os pesquisadores introduziram nanopartículas de diamante no DLC, melhorando propriedades desse material, como o coeficiente de atrito e resistência ao desgaste

Diamantes são produzidos explodindo CO2

A explosão gera uma altíssima pressão, que dura apenas uma fração de segundo, mas suficiente para cristalizar o carbono do CO2 na forma de minúsculos diamantes, aqui vistos por um microscópio. [Imagem: Jason Nadler/Gatech]

Vida e riqueza
O dióxido de carbono bem poderia rivalizar com o oxigênio como o "gás da vida", dada sua importância no ciclo biológico da Terra.
Hoje, porém, ele é mais conhecido como um gás de efeito estufa - o mesmo efeito que permite a vida na Terra, mas que, levado ao exagero, pode colocar essa mesma vida em dificuldades.
Esse excesso talvez agora possa ganhar uma destinação bem mais brilhante e preciosa: mais especificamente, o CO2 pode transformar-se em diamante.
Diamante de CO2
Muitos especialistas diziam há anos que fazer diamantes a partir do dióxido de carbono era impossível.
Mas o pesquisador Daren Swanson, da Universidade de Queens, no Reino Unido, não se convenceu, e prosseguiu com suas explosões geradoras de pressão até finalmente ter sucesso.
Depois de três anos de pesquisa, ele provou que o CO2 pode realmente ser usado para produzir minúsculos diamantes industriais - eles não são grandes o suficiente para se transformarem em uma joia, mas são muito bem pagos para utilização em inúmeras aplicações industriais.
Detonação a frio
Chamada de "Detonação Física a Frio" - ou CDP (Cold Detonation Physics) -, a técnica consiste em misturar gelo seco, que é essencialmente CO2 congelado, com outros ingredientes para fazer um explosivo.
Esta mistura, a -78,5 ° C, é comprimida dentro de um tubo de aço muito grosso e então detonada.
A explosão gera uma altíssima pressão, que dura apenas uma fração de segundo, mas suficiente para cristalizar o carbono do CO2 na forma de diamante.
A fina poeira de diamante produzida - os cientistas os chamam de nanodiamantes - tem aplicações que vão desde o revestimento de ferramentas, discos de corte e peças para polimento, até o transporte de drogas quimioterápicas no interior do corpo humano.
Diamantes sintéticos
Segundo os pesquisadores, a produção de diamantes a partir do CO2 pode se tornar a técnica mais barata para a fabricação de diamantes sintéticos - certamente o mais ambientalmente amigável, uma vez que ela literalmente detona o CO2.
Um subproduto interessante da pesquisa é o próprio explosivo, que poderá ser usado em mineração - o explosivo é menos ambientalmente danoso do que a dinamite.

Brasil produz primeiros 10 mil quilates de diamantes sintético

O Brasil acaba de entrar no restrito grupo de países que dominam a tecnologia da síntese de diamantes, indispensável para a produção de equipamentos e ferramentas utilizados em 60% da indústria brasileira, inclusive no setor de petróleo. Os primeiros 10 mil quilates de diamante sintético produzidos na América do Sul saíram de Campos, na Região Norte Fluminense, graças à combinação da experiência de pesquisadores russos com a criatividade de jovens cientistas brasileiros da Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro (Uenf).
Embora criado em 1994, o Setor de Materiais Superduros (SMSD) da Uenf ganhou grande impulso a partir do ano 2000, graças ao apoio financeiro da Faperj (Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro), também órgão da Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação.
Foi justamente nos anos seguintes que a Uenf conseguiu atingir a marca dos 10 mil quilates (equivalentes a dois quilos) de diamantes. Além disso, a universidade de Campos formou profissionais para continuar aprimorando a tecnologia -- três doutores, seis mestres e 15 engenheiros de materiais -- e desenvolveu tecnologias específicas para construção de dispositivos de alta pressão, cápsulas deformáveis e outros componentes utilizados no processo de síntese.
"O diamante está em quase todos os ramos da indústria, desde a metal-mecânica até a produção de madeira. Pelo menos 60% da indústria brasileira necessita de diamante, mas ainda importa toda a matéria-prima de que precisa," afirma o pesquisador russo Guerold S. Bobrovntichii, líder do grupo de pesquisa.
Segundo dados do Departamento de Produção Mineral (DNPM), só no ano 2002 o Brasil importou seis toneladas de diamante em pó -- de países como África do Sul, China, Irlanda e Estados Unidos --, o que representa um custo de R$ 60 milhões.
O diamante -- formado no interior da Terra, a 150 quilômetros de profundidade, em meio a altíssimas temperaturas (até 2.000°C) e pressões (70 toneladas por cm²) -- é o produto mais duro que existe na natureza. Há séculos que o homem tenta produzi-lo artificialmente, mas a primeira síntese oficial ocorreu em 1954, pela General Eletric. Hoje, somente cerca de 17 países sintetizam o produto.
A produção anual está em mais de 500 milhões de quilates por ano, sendo que dois terços da produção correspondem a apenas quatro países -- Estados Unidos, Irlanda, Rússia e África do Sul. No Brasil, a primeira síntese de diamante sintético foi realizada em 1987, pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Mas só agora com a Uenf o país consegue desenvolver tecnologia para produção industrial.

Sonda da NASA encontra mina de opala no complexo de cânions de Valles Marineris em Marte

A sonda da NASA Mars Reconnaissance Orbiter que está atualmente orbitando Marte descobriu depósitos da gema opala no gigantesco complexo de cânions de Valles Marineris (considerado a maior fissura do Sistema Solar, aparentemente), a leste de Tharsis. É claro que, como pedra preciosa, a opala não é tão valiosa a ponto de estabelecermos uma exploração interplanetária. O mineralóide opala é formado por sílica amorfa hidratada e seu percentual de água pode chegar a 20%. A relevância dessa descoberta é a evidência que a água no estado líquido sobre existiu em Marte por mais 1 bilhão de anos além do que as teorias anteriores previamente estabeleciam. Com isso os cientistas suspeitam agora que a água em Marte teve um papel importante na modelagem de sua superfície e possivelmente suportou a existência da vida no passado no planeta vermelho.

Opala no Valles Marineris em Marte - HIRISE - NASA {1}

Scott Murchie da Johns Hopkins University, que é o responsável pela operação do expectômetro da Mars Reconnaissance Orbiter afirma que “Essa é uma descoberta surpreendente uma vez que ela alonga o intervalo de tempo útil em que a água líquida existiu em Marte e aumenta a gama de lugares em que a vida poder ser existido” e acrescenta “a identificação do silicato de opalina nos diz que a água líquida em Marte pode ter existido até cerca de 2 bilhões de anos atrás”.

Até recentemente os estudos apontavam que a água líquida desapareceu da superfície do planeta vermelho há 3 bilhões de anos atrás. Essa teoria estava baseada nas descobertas de filossilicatos e sulfatos hidradatos similares ao barro. Agora essa descoberta de veios da gema opala permitiu a NASA reestimar a data da “Grande Seca” de Marte, deslocando-a para frente por mais 1 bilhão de anos.

“Vemos numerosos afloramentos de minerais opalinos, nas camadas finas entendendo por grandes distâncias ao redor das bordas do Valles Marineris e algumas vezes dentro do sistema de cânions também”, afirmou Ralph Milliken do Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA. Milliken é um dos cérebros da NASA e especialista no estudo das pedras preciosas que se formam com ajuda de água. Essa nova descoberta é coerente com a nossa experiência aqui na Terra. Uma fração grande da opala do mundo vem de Austrália. A cidade de Coober Pedy, em particular, é uma das principais fontes dessa gema. A Austrália é um lugar parecido com Marte: seco e predominantemente vermelho. De fato, a opala é aclamada como a gema ‘oficial’ da Austrália. Milliken é o autor principal do artigo da revista “Geology” de novembro que descreve a idenficação do silicato opalino. O estudo revela que esses minerais, que recentemente também foram encontrados na cratera Gusav pelo robô Spirit da NASA, ocorrem em terrenos relavitamente jovens.

Fontes:

The Register: NASA probe finds opals in Martian crevices – Mars became uninhabitable later than thought por Lewis Page

NASA JPL: NASA Orbiter Reveals Details of a Wetter Mars

Rejeitos da extração de opala serão destinados à fabricação de tijolos

A lapidação de opalas em Pedro II, cidade localizada a 195 quilômetros ao norte de Teresina, foi intensificada no final da década de 90. Em 2004, o Ministério Público interditou as áreas de extração da pedra, devido a conflitos entre garimpeiros locais e australianos, que até então eram os maiores beneficiados com a extração da opala na região.

Para resolver a questão, foi criado o Arranjo Produtivo Local, APL, da Opala, que conta com a parceria do Serviço de Apoio às Micro e Pequenas Empresas, Sebrae no Piauí. Por meio desse projeto, as áreas de extração foram legalizadas e liberadas para uso por parte dos garimpeiros de Pedro II.

A Mina do Boi Morto foi uma das áreas liberadas para extração. O local, devido à exploração desenfreada de mais de mais 40 anos, encontrava-se bastante degradado. Na época foi definido um Plano de Recuperação. A 1ª Carta Ambiental tratou sobre as normas técnicas do processo de mineração.

Na 2ª carta, o foco era um destino para o rejeito, de forma a reduzir o passivo ambiental, herança de quase cinco décadas. Atualmente, esse rejeito tem um volume de mais de 10 milhões de metros cúbicos. Estudos mostraram que a areia grossa do material era de excelente qualidade, o que fez os pesquisadores elaborarem o plano de uma célula de fabricação de tijolo ecológico.

“O que acontece é um regarimpo de um produto garimpado por mais de 40 anos desordenadamente. Com o passivo ambiental da mina, conseguimos produzir um material ecologicamente correto, sem queima de energia, e que gera emprego e renda”, explica o engenheiro Marcelo Morais, coordenador do APL da Opala.

A vantagem dos tijolos ecológicos, segundo Morais, é o conforto térmico, além da resistência do material. “A parte interna das construções com esse tijolo tem em torno de 5ºC de diferença em relação ao seu exterior. Apresentamos um projeto de construção de casas com esse tijolo para a prefeita Neuma Café, que ficou bastante entusiasmada com a idéia. Queremos divulgar a utilidade e os benefícios desse produto”, acrescenta Marcelo.

A Mina do Boi Morto ainda tem áreas intactas e no rejeito ainda há uma grande quantidade de cascalhos que podem ser utilizados na confecção de joias e outros produtos.

Em Pedro II, existem mais de trinta minas de opala, das quais cinco são trabalhadas por garimpeiros locais. A pedra que só é encontrada na região e na Austrália, se destaca pela resistência e firmeza, tendo seu valor definido com base nas nuances de cores. Quanto mais cores, mais valiosa é a pedra.

Reza a história, que em Pedro II já foi encontrada uma pedra de quase cinco quilos, que está no museu de Londres. A outra grande pedra que se tem registro da extração ainda está em Pedro II e tem seu valor avaliado em R$ 300 mil.