Diamantes para toda obra

Diamantes para toda obra

Do espaço ao fundo da Terra, o diamante entra em cena quando nenhum outro material agüenta trabalho pesado ou executado em condições adversas. Incorporado à eletrônica, ele promete revolucionar o mundo dos computadores

É apenas uma pedra, de estrutura simples, composta por átomos do elemento básico de toda forma de vida., o carbono. Raro, elaborado pela natureza há milhões de anos em camadas profundas da Terra, o diamante desde a Idade Média tem sido o ornamento mais fascinante e valioso das coroas reais e das jóias das mulheres afortunadas. Ao longo das últimas décadas ele se tornou também uma pedra preciosíssima para cientistas que pesquisam materiais.

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Essa jóia, porém, não é natural nem nasce no fundo da Terra, mas em laboratórios. Como uma versão contemporânea dos alquimistas medievais, que procuravam a pedra filosofal para transformar chumbo em ouro, esses cientistas fazem diamantes a partir de substâncias tão pouco nobres como grafita ou gás metano. Longe de criar pedras para ornamentar anéis, eles buscam aperfeiçoar um material que pode se tornar o trampolim de um novo salto tecnológico, promessa mais concreta do que os badalados supercondutores cerâmicos anunciados alguns anos atrás.

Por suas propriedades, os diamantes se constituem num espécie de panacéia tecnológica, remédio para problemas em locais tão diversos quanto usinagem de metais, instrumentos medidores de radiação, computadores, naves espaciais e perfuração de petróleo. “Um diamante, seja natural ou sintético, é o material mais duro que existe”, diz o físico João Herz da Jornada, chefe do Grupo de Física de Altas Pressões da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, que pesquisa a síntese de diamantes há seis anos. Isso significa que a pedra risca e penetra qualquer outro material, mas não pode ser riscada por nenhum deles. Duro mas frágil: devido ao tipo de arranjo molecular dos átomos de carbono, o diamante quebra quando leva pancadas em determinados planos. Mas sua resistência à abrasão é poderosa, o que lhes permite desgastar de cerâmicas a metais e sofrer bem pouco ataque.

Diamantes são também os melhores condutores térmicos, ou seja, dissipam calor mais rápido que qualquer outra substância, ao passo que são isolantes elétricos, impedindo a passagem de correntes elétricas. Inertes quimicamente, dificilmente reagem com outras substâncias, passando incólumes por banhos de ácido capazes de dissolver metais.Tudo isso misturado numa só pedrinha, e tem-se a receita de um material quase perfeito. Até 1955, quando nos laboratórios da General Electric americana foi produzido o primeiro diamante sintético, dependia-se apenas dos naturais que haviam se dignado a subir à superfície da Terra. Somente em 1797, o químico inglês Smithson Tennant provou que o diamante era simplesmente uma forma de carbono: queimado na presença de oxigênio, virava dióxido de carbono, como acontece com a grafita ou com o reles carvão vegetal. O século e meio seguinte foi de corrida para ver quem descobria a receita de transformar grafita em diamante, em que a GE chegou primeiro.O método desenvolvido pela GE é a técnica de alta pressão e alta temperatura. Junta-se um pouco de grafita, um catalisador (metais como ferro, cobalto e níquel), faz-se um sanduíche de várias camadas, colocando-o no centro de uma câmara de alta pressão. No Laboratório de Alta Pressão da Federal gaúcha, montado com máquinas e equipamentos totalmente projetados e construídos no Brasil (e iguais aos estrangeiros ), essa câmara é o furo central de um disco de carboneto de tungstênio. uma liga superdura. 

Colocada numa prensa de 500 toneladas, a câmara atinge a pressão de 50 000 a 60 000 atmosferas—1 atmosfera é a pressão do ar ao nível do mar. Uma corrente elétrica passa então por dentro da câmara e aquece o sanduíche na temperatura ideal de 1 500ºC. Em cinco minutos, tem-se uma mistura solidificada de diamantes pequenininhos e metal. Um banho de ácido dissolve o metal e ficam só as pedrinhas. Parece simples, mas é preciso controlar muito bem temperatura e pressão, para que o processo seja eficiente.Acima de 1 000 graus Celsius, o diamante em pressão normal se grafitiza. Isso só não acontece na câmara por causa da alta pressão, condição em que a forma estável do carbono é o diamante. Quando se quer uma pedra maior, monocristalina, um pequeno diamante é colocado na base da câmara, e ali o carbono vai se depositar, fazendo-o crescer, num processo que pode demorar uma semana.Foi assim que o laboratório da GE fabricou seu diamante ultrapuro, com 99,9% de isótopos de carbono-12 (enquanto os naturais têm 99% ), e apenas 0,1% de carbono-13, considerado uma impureza. Esse ultrapuro consegue a proeza de conduzir calor com 50% a mais de eficiência do que o diamante natural. Do diamante, costuma-se dizer que é para sempre, mas na verdade não deveria ser nem por trinta segundos. Na temperatura e pressão da superfície da Terra, a forma estável do carbono é a grafita. O diamante é a forma metaestável, ou seja, só continua existindo porque não há energia suficiente (alta temperatura) que sacuda seus átomos e o faça retornar à forma estável, a grafita.

Calcula-se em 1 bilhão de dólares anuais o mercado mundial de diamantes sintéticos, Graças a sua dureza, o diamante entra em cena na indústria toda vez que ferramentas normais não dão conta do serviço pesado. Só nos automóveis, cada um que sai da linha de montagem deixa para trás 1 quilate (0.2 grama) de diamante gasto em sua produção. Como nessa indústria trabalha-se muito com peças e ferramentas de materiais duros e abrasivos, o diamante é quem dá melhor resultado nas usinagens—retiradas de material para que as peças atinjam as dimensões exigidas— e acabamentos. como polimento de discos de freio ou dos cilindros dos motores. Quem faz esse trabalho é o chamado policristalino de diamante, ou PCD, uma das formas de aplicação do diamante industrial que nada tem a ver com as gemas vistosas incrustadas nos anéis.Quase 90% dos diamantes industriais são sintéticos. Pedrinhas minúsculas, com tamanho variável entre 1 200 e 0,25 mícrons (1 mícron é 1000 vezes menor que 1 milímetro), parecem a olho nu um punhado de purpurina extremamente brilhante. O PCD é feito com milhares de diamantes de 10 mícrons colocados sobre uma base de metal-duro, uma liga de carboneto de tungstênio com cobalto. Sob alta temperatura e pressão, o cobalto penetra nos interstícios entre os diamantes, unindo os pedacinhos num corpo agora inteiro, com formatos diversos e tamanhos de até 5 centímetros. 

Além da indústria automobilística, o PCD é usado na aeronáutica, para trabalhar os novos materiais leves e resistentes como kevlar e fibra de carbono."No caso da fibra de carbono, é imprescindível o uso de ferramentas que sustentem o poder de corte por muito tempo, como as de diamante, pois se ficarem cegas estragam a fibra", explica o engenheiro Luiz Carlos Caetano da Silva, da De Beers Diamantes Industriais do Brasil. Outro processo de construir ferramentas diamantadas é a sinterização, em que grãos de diamantes são misturados a ligas metálicas que aprisionam esses grãos. Essa liga cravejada de pedras pode ser posteriormente soldada a diferentes bases, formando ferramentas como rebolos, serras e limas. Uma das ferramentas mais importantes é a broca para perfuração de poços de petróleo. Com o diamante sinterizado na ponta, a broca vai perfurando várias camadas de rocha até perto de 4 000 metros de profundidade. Só o diamante consegue chegar lá inteiro—ainda que as pedras sofram desgaste no processo, ele é muito menor do que o sofrido por qualquer outro material que fosse utilizado, tornando a broca resistente por mais tempo. Segmentos sinterizados de diamantes são aplicados também em serras. Elas cortam qualquer pedra que apareça pela frente, de mármore e granito a concreto.

O método mais moderno de fabricar diamantes sintéticos é chamado CVD, sigla de Chemical Vapour Deposition, ou deposição de vapor químico, inventado por soviéticos há mais de dez anos. Os avanços científicos e técnicos nesse método, nos últimos quatro anos, transformaram- no na última moda em laboratórios de todo o mundo. "Nesse processo, não se passa de uma fase a outra, mas de uma substância a outra". afirma o físico Rogério Pohlmann Livi, do Grupo de Altas Pressões da Federal do Rio Grande do Sul.A matéria-prima aqui não é a grafita, mas o gás metano (CH4). Numa proporção de mais de 99% de hidrogênio e menos de 1% de metano, o gás é levado a um recipiente de vidro protegido com quartzo e passa por um filamento de tungstênio, semelhante ao das lâmpadas domésticas, onde é aquecido a 2 000°C. A temperatura ativa o gás e quebra as ligações moleculares, ocorrendo a formação de radicais livres (CH3, CH2,CH, etc.). Em muitos experimentos o gás é ativado por microondas, Iaser ou até mesmo pelas reações químicas em maçaricos.Dentro do recipiente de vidro fica a base onde vai se formar o diamante, o substrato, geralmente uma plaquinha de silício mantida aquecida a 800°C. Cada molécula de CH3 se deposita sobre o substrato, deixando ali o carbono e liberando o hidrogênio. 

Os átomos de carbono se arranjam então na forma de diamante, microscópicos cristais nascendo ao longo do substrato, num processo chamado nucleação. Os pequenos cristais de diamante espalhados pela superfície crescem até se tocarem, formando uma camada continua. O resultado do CVD, portanto, é um filme de diamante policristalino, ou seja, formado por milhares de infinitesimais cristais de diamantes agregados.A invenção do CVD foi um achado. É certo que ele ainda custa muito mais do que o de alta pressão—calcula-se em 100 dólares por quilate—, pois são necessárias cerca de dez horas de um consumo extraordinário de energia para fabricar um 1 filme de 1.5 cm x 1.5 cm com até 10 mícrons de espessura. Apesar do preço ainda elevado, essa nova técnica permite o revestimento de diamante em superfícies relativamente extensas (atualmente mais de 100 centímetros quadrados) e com formas complexas, o que viabiliza um grande número de novas aplicações.Por outro lado, para campos tão diferentes como revestimentos antiabrasivos, ferramentas de corte e microeletrônica, apenas camadas muito finas—e portanto baratas—são necessárias. Estima-se que a introdução do processo CVD irá ampliar consideravelmente o mercado do diamante sintético, dos atuais 1 bilhão de dólares por ano para algo em torno de 7 bilhões de dólares por ano. Imune a radiações, o diamante daria um ótimo passageiro a bordo de naves espaciais, já que passaria ileso pelo mar de raios lá em cima, como os ultravioleta e os raios X. 

É uma janela perfeita também para aparelhos de raios laser. Isso tudo, se ainda não é uma realidade comercial, já é viável tecnologicamente. Porém, um dos grandes desafios pelos quais fervilham os laboratórios que pesquisam materiais em todo o mundo é aprender a usar o potencial do diamante como semicondutor, na fabricação de chips com características muito melhores do que os existentes hoje, baseados no silício.Melhor dissipador de calor já nascido ou inventado, e transportando impulsos elétricos a velocidades muito superiores à do silício o diamante poderia fazer maravilhas dentro de um computador. Os chips de silício, que fazem o trabalho de processar informação, já pedem água por tanto esforço que fazem. A movimentação dos elétrons dentro deles produz calor—assim, quanto mais informação passa mais ele fica quente—, e acima de 200 ou 300°C o chip está destruído. A 1 50°C ele já não funciona direito, um problema sério para computadores a bordo de automóveis, veículos militares e mísseis, que nem sempre trabalham sob sombra e água fresca, como aconteceu recentemente na Guerra do Golfo Pérsico. Supercomputadores, não fossem seus eficientes sistemas de refrigeração, simplesmente não poderiam funcionar.

Embora seja isolante elétrico, o diamante, tal e qual o silício, vira um semicondutor quando dopado (adicionado de impurezas) com outra substância, nesse caso o boro. Só que a confecção de chips de diamante para computadores e outros equipamentos eletrônicos, pelas mesmas tecnologias existentes para o silício, esbarra na inabilidade em se produzirem camadas finas monocristalinas do material. Por enquanto, só se consegue fazer crescer filmes policristalinos (um aglomerado de monocristais).Por isso, em dezenas de laboratórios do mundo, existe hoje uma corrida louca atrás do crescimento epitaxial (com a mesma orientação cristalina) de diamante sobre silício e outros materiais, tendo como resultado as duas camadas monocristalinas. “Mesmo que isso seja conseguido, existem muitos outros problemas a serem resolvidos para a fabricação de chips comerciais, como contatos elétricos, dopagern seletiva, adesão de camadas e temperatura de funcionamento", adverte João Herz da Jornada. De qualquer forma, protótipos de diodos e transistores—peças básicas dos chips —feitos de diamante já provaram seu funcionamento em laboratório. Fazê- los trabalhar no mundo real parece ser uma questão de tempo e de desenvolvimento tecnológico. Quando esse dia chegar, os computadores verão o futuro mais brilhante.

Boxes da reportagem

Caixa de reflexos

Antes de ser lapidado, um diamante natural tem a aparência de uma pedra qualquer. É nos cortes sofridos durante a lapidação que ele se transforma numa verdadeira caixa refletora de luz. Qualquer que seja o formato, de circular a quadrado, o importante é dar ao diamante a proporção correta. Assim, a luz, ao entrar pela pane de cima da pedra, reflete e sai também por cima, causando aos olhos a impressão de brilho. Se a pedra ficar com um cone muito profundo, a luz reflete uma vez e escapa para o lado. Num diamante raso demais, a luz passa direto e o atravessa, sem refletir.Quando passa pelo processo de lapidação, um diamante perde metade de seu peso original. É necessário extrair cerca de 250 toneladas dos veios de kimberlito, a rocha que abriga os diamantes formados a 160 quilômetros de profundidade numa temperatura de cerca de 1 700° C, para se conseguir uma gema—uma pedra com pouca ou quase nenhuma impureza, e de tamanho suficiente para ser cortada.

Dez cristais com magia, beleza... e potencial tecnológico

[Imagem: Dirk Wiersma/BBC]

Fluorita

Esqueça os rubis, as granadas e as safiras. A fluorita é provavelmente o mineral mais colorido do mundo por causa da enorme variedade de cores brilhantes e até iridescentes que exibe.

E o mais incrível é que o cristal puro de fluorita é transparente.

A cor de um cristal é determinada pela maneira como a luz interage com suas moléculas e como elas são organizadas. Qualquer impureza que consegue penetrar na fluorita pode alterar sua aparência. Íons de manganês, por exemplo, a tornam cor de laranja.

Defeitos estruturais também têm o mesmo efeito. A cor roxa-escura que é típica da fluorita é resultado de um pequeno número de íons de fluoreto sendo permanentemente forçados para fora de suas posições pela irradiação ou pelo calor. Quando eles se movem, um elétron é deixado para trás em cada buraco. Ao incidir no cristal, a luz é absorvida e reemitida por esses elétrons, produzindo a cor que enxergamos.

A fluorita foi essencial no progresso do processo de fabricação de chips no início dos anos 2000, e hoje estão presentes em várias tecnologias de lentes ópticas.

Selenita

[Imagem: Javier Trueba/BBC]

Enterrada sob as montanhas da Serra de Naica, no Estado de Chihuahua, no norte do México, a Caverna dos Cristais abriga os maiores cristais do planeta.

Gigantescas vigas brancas de selenita - algumas medindo mais de 11 metros de comprimento e 1 metro de largura - cruzam-se na câmara subterrânea.

"Não existe outro lugar na Terra onde o reino mineral se revele com tanta beleza," afirma o geólogo Juan Manuel García-Ruiz, da Universidade de Granada, na Espanha, especialista em cristais.

O lugar foi descoberto em 2000 por dois irmãos que escavavam túneis na mina de Naica, em busca de novas jazidas de zinco, prata e chumbo. A cavidade, que mede cerca de 10 metros por 30 metros, estava inundada com água quente. Apenas quando os mineradores começaram a bombear a água, as monumentais estruturas surgiram.

Em 2007, García-Ruiz e sua equipe descobriram como os cristais conseguiram crescer tanto. Há cerca de 26 milhões de anos, a atividade vulcânica sob a mina encheu a caverna com água quente e rica em anidrita. Esse mineral é estável em temperaturas superiores a 58°C, mas, à medida que o magma presente se resfriou, a anidrita se dissolveu na água.

Lentamente, ao longo de centenas de milhares de anos, seus componentes químicos se rearranjaram como gipsita, que pode assumir a forma de cristais. E grandes cristais alongados de gipsita são conhecidos como selenita - apesar do nome, ela nada tem a ver com o selênio, sendo um sulfato de cálcio hidratado - seu nome deriva "selene" a palavra grega para lua.

Outra caverna descoberta mais perto da superfície em Naica também contêm espetaculares colunas de selenita, ainda que menores.

Espato da Islândia

[Imagem: Natural History Museun London/BBC]

As sagas da Islândia no século 10 relatam os detalhes das aventuras dos vikings e descrevem uma misteriosa "pedra do sol", que os navegadores escandinavos usavam para localizar o Sol no céu e se orientarem em dias nublados.

A identidade dessa pedra intrigou geólogos durante séculos. Em 2011, estudiosos franceses e canadenses levantaram a hipótese de se tratar do mineral conhecido como espato da Islândia.

Essa variedade transparente da calcita é comum nos países nórdicos, e é capaz de refratar a luz de duas formas diferentes, produzindo uma imagem dupla. Isto se deve a discrepâncias entre as forças que mantêm os átomos dos cristais unidos - elas são mais fortes em algumas direções do que em outras.

Quando a luz passa através de um cristal de calcita, ela se divide em dois feixes. A assimetria da estrutura do cristal faz com que os caminhos desses feixes adotem diferentes ângulos, resultado na imagem dupla.

Quartzo

[Imagem: Sindair Stammers/BBC]

O quartzo - óxido de silício - está na base de toda a tecnologia eletrônica atual, mas o mineral também possui "superpoderes" por causa de suas assimetrias estruturais.

Se comprimido, um cristal de quartzo gera uma leve corrente elétrica, pois a pressão na superfície força os íons internos a saírem de sua posição original. Isso desequilibra a carga total no cristal, fazendo dele uma minúscula pilha com faces de cargas opostas.

Esse fenômeno é conhecido como "efeito piezoelétrico", e também funciona ao revés: o cristal se comprime se for submetido a uma corrente elétrica. Esse efeito está por trás do promissor campo dos nanogeradores e da colheita de energia.

Relógios de quartzo e rádios usam minúsculas lascas do cristal como osciladores para manter a hora certa ou ditar seu ritmo interno. Sempre que você ouvir falar do "clock" (relógio) de um computador ou outro circuito, saiba que há um cristal de quartzo fazendo os tiquetaques que dão a batida esse circuito.

O quartzo também foi fundamental para uma maior compreensão geral dos cristais, principalmente como seus átomos são arranjados. As fibras ópticas também nasceram a partir do quartzo.

Galena

[Imagem: Martin Land/BBC]

A galena é o mineral de chumbo mais comum no planeta, e um importante minério de chumbo e prata.

Mas essa é apenas um de seus papéis. Sua capacidade de extrair música e vozes de ondas de rádio é o que a torna verdadeiramente sedutora - talvez você já tenha ouvido falar dos rádios de galena.

Ocorre que a galena é um semicondutor, o que significa que ela conduz eletricidade sob certas circunstâncias.

Em um rádio de galena, um fino fio metálico conhecido como "bigode de gato" pousa delicadamente na superfície de um cristal de galena. Isso permite que uma corrente passe tranquilamente em uma direção, mas não na oposta, convertendo as ondas de rádio capturadas por uma antena em um sinal elétrico que é transformado em som por autofalantes.

Cristais de carbono extraterrestres

[Imagem: Tony & Daphne Hallas/BBC]

O diamante é o material mais duro encontrado naturalmente na Terra - do qual temos conhecimento, pelo menos - servindo para atividades industriais como corte, trituração, perfuração e polimento.

Mas dois novos tipos de cristais de carbono ultraduros, encontrados em 2010 em um meteorito caído na Finlândia anos antes, podem abalar a reputação do diamante.

O meteorito de Haverö se chocou com a Terra em 1971. Quando pesquisadores usaram uma pasta de diamante para polir uma de suas fatias, eles notaram algo extraordinário: pequenos bolsões de material emergiam na superfície. Ao analisá-los, descobriram se tratar de duas formas completamente novas de carbono.

Os pesquisadores também observaram que uma das substâncias era um tipo de carbono cristalino, algo "intermediário entre o grafite e o diamante". Eles acreditam que os choques de pressão e o calor intenso provocados pela entrada do meteorito na atmosfera fundiram várias camadas de grafite, formando a nova substância.

Hoje já se estudam vários planetas de carbono e estrelas de diamante, onde condições extremas podem dar origem a minerais ainda desconhecidos por aqui.

Autunita

[Imagem: Joem Arem/BBC]

A autunita é um mineral que se poderia chamar de encantador - seus cristais em forma de tablete parecem escamas amarelo-esverdeadas.

O mais impressionante, ele é fluorescente, embora sua composição de urânio o torne radioativo.

Quando uma luz ultravioleta incide em um cristal de autunita, ela transmite energia para elétrons dentro dos átomos de urânio. Cada partícula excitada momentaneamente salta para fora do núcleo do átomo e depois volta para ele.

É nesse momento que os elétrons liberam flashes de luz visível. E o efeito coletivo faz a autunita ter um aspecto geral de emitir um verde brilhante.

Açúcar

[Imagem: Ted Kinsman/BBC]

Quer ver um cristal brilhar, mas não tem um museu de mineralogia na vizinhança? Isso não é um problema. Basta recolher alguns cubos de açúcar, ir para um quarto totalmente escuro e usar o fundo de um copo para esmagá-lo. É muito provável que você observe um pálido brilho azul emanando dos cristais.

Isso se chama triboluminescência e foi notado pela primeira vez pelo sábio Francis Bacon, no século 17. Mas até hoje ainda é um mistério para os cientistas entender como o açúcar é capaz de tal fenômeno.

Algumas teorias defendem que, quando seus cristais são fraturados ou esmagados, sua estrutura assimétrica incentiva a formação de minúsculos campos piezoelétricos. Isso separa as cargas positivas e negativas dentro do cristal e, quando elas se recombinam, geram uma faísca. As moléculas de nitrogênio retidas dentro dos cristais então absorvem essa energia e brilham, como acontece durante uma tempestade.

Cristais fotônicos

[Imagem: James King-Holmes/BBC]

Cristais fotônicos são minúsculas estruturas repetidas, cada uma com cerca de um bilionésimo de metro de comprimento, que controlam e manipulam o fluxo da luz.

Dependendo dos ângulos de suas faces, esses cristais só deixam passar certos comprimentos de onda de luz - certas cores -, enquanto bloqueiam todos os outros.

Mas os comprimentos de onda próximos daqueles rejeitados se espalham e interferem uns com os outros. Isso cria cores vívidas e uma iridescência impressionante - até mesmo em insetos como borboletas e besouros - esses são os cristais biofotônicos.

É possível fabricar cristais fotônicos simples a partir de polímeros sintéticos, que já são usados para criar materiais como a cobertura refletiva de óculos de sol, por exemplo.

Ao replicar estruturas fotônicas mais complexas, como as dos insetos, pode ser possível melhorar tecnologias como as das fibras ópticas e células solares. Muitas pesquisas nessa área já estão trazendo novidades, entre as quaismemórias RAM de luz e processadores de computador fotônicos.

Cristais de gelo vulcânico

[Imagem: Chadden Hunter/BBC]

O Morte Eerebus, na Antártida, é o vulcão ativo localizado no ponto mais ao sul do planeta. Seu cume é pontilhado por uma rede de cavernas de gelo que abrigam frágeis formações de gelo que não existem em nenhum outro lugar da Terra.

O labirinto foi esculpido na camada de neve por gases quentes vindos do vulcão, que se infiltram através das rachaduras e fissuras da rocha subjacente.

Dentro das cavernas, o ar quente e úmido do vulcão atinge as paredes geladas, congelando-se e adquirindo formas complexas e com aspecto de penas, guiadas pelas correntes de ar.

Biomineração usa bactérias e fungos para extrair metais

Bactéria extremófila A. ferrooxidans em plena atividade de biomineração. [Imagem: Unesp Ciência]

Mineração biológica

O mundo não se pode dar ao luxo de abrir mão da mineração, que é um dos motores da economia global e que está na base de todas as demais indústrias.

Mas talvez possa ser possível fazê-la de uma forma mais eficiente.

É nessa direção que caminham os esforços de cientistas que pretendem substituir os métodos tradicionais da atividade mineradora por outros, que se aproveitam do trabalho silencioso e invisível dos micro-organismos, particularmente bactérias.

É a biomineração.

Bactérias naturalmente encontradas junto a grandes depósitos de cobre, níquel e ouro vêm sendo estudadas por cientistas como Denise Bevilaqua, do Instituto de Química da Unesp de Araraquara, que busca uma forma economicamente viável de extrair esses minerais da natureza, por meio de um processo conhecido como biolixiviação ou bio-hidrometalurgia.

Segundo a pesquisadora, a biomineração pode ser menos agressiva ao ambiente.

"A grande vantagem," afirma a pesquisadora, "é que na biomineração a liberação do material de interesse não exige queima, como nos métodos tradicionais [pirometalurgia], o que elimina a emissão de gases poluentes, como o monóxido de carbono e o óxido sulfuroso".

Biomineração de cobre

Os micro-organismos mineradores consomem substâncias conhecidas como sulfetos, e os convertem em ácido sulfúrico, que acaba tornando solúveis os minérios de interesse econômico. Estes, por sua vez, são recuperados posteriormente, na forma sólida.

"Cerca de 20% do cobre produzido no mundo já é extraído por biomineração, e boa parte dele vem do Chile, onde o processo está mais desenvolvido", diz Denise.

Lá, pesa ainda o fato de ser muito caro levar uma infraestrutura complexa até grandes altitudes, na região dos Andes. "Por isso os chilenos preferem carregar equipamentos mais simples usados na biolixiviação, que é feita in loco", acrescenta a pesquisadora.

Maior produtor mundial, o Chile foi responsável por 36% dos 16 milhões de toneladas de cobre comercializados em 2010, segundo o Grupo Internacional de Estudos sobre o Cobre (ICSG, na sigla em inglês). O Brasil é o 15º maior produtor mundial do metal, com produção estimada de 230 mil toneladas em 2010.

Amostra de calcopirita, mineral que é uma das principais fontes de extração do cobre. [Imagem: Unesp Ciência]

Resíduos e dejetos

Espera-se também que a biomineração aumente a eficiência do processo extrativo.

Os micróbios mineradores podem ser usados em materiais com baixo teor do metal de interesse, quando o custo de empregar as tecnologias atuais não compensa. Isso significa explorar depósitos que hoje são considerados economicamente inviáveis.

Usar a mão de obra invisível também é conveniente quando o substrato é complexo, porque aglutina diferentes tipos de minerais, o que hoje representa um desafio para a mineração tradicional.

Mas o melhor de se colocar as bactérias para trabalhar como mineiras é que elas conseguem retirar metais de resíduos e dejetos da indústria mineradora, fazendo ao mesmo tempo a extração do material de interesse econômico e o tratamento dos efluentes.

O grupo de pesquisa chefiado por Denise em Araraquara trabalha com a calcopirita (CuFeS2), o minério bruto de onde é extraído o cobre.

Apesar de abundante, a calcopirita não é o subtrato que mais facilita o trabalho bacteriano, por isso mesmo ninguém desenvolveu ainda um método de larga escala para biomineração.

A bactéria eleita para a tarefa chama-se Acidithiobacillus ferrooxidans.

Não tão amigável

Para que o processo possa ser colocado em prática, nem sempre será necessário que haja uma inoculação de bactérias no local.

O que pode ser feito é o despejo de um meio ótimo para que os micro-organismos já presentes naquele material cresçam e se desenvolvam satisfatoriamente.

Esse meio líquido seria despejado em uma pilha de minério, posta sobre uma camada impermeabilizante e ligada a um sistema de drenagem.

Em alguns casos, é realizada também a inoculação da linhagem desenvolvida, sempre em pilhas isoladas do restante da mina.

"É muito importante controlar o meio e impedir que ele vaze e alcance os rios, já que todo processo de extração mineral é contaminante", pondera Denise, ressaltando que a biolixiviação é um processo mais amigável ao ambiente que os usados tradicionalmente, mas não chega a ser tão amigo assim.

"É uma operação muito mais econômica e tem um gasto de energia bem menor, mas não deixa de degradar. Tem que arrancar a pedra, quebrar, explodir, não tem jeito."

Versão selvagem do fungo Aspergillus nidulans, que está sendo adaptado para exploração de terras raras. [Imagem: Unesp Ciência]

Terras raras

Mas nem só com bactérias se faz biomineração.

O grupo de pesquisa coordenado por Sandra Sponchiado, também do Instituto de Química de Araraquara, trabalha com fungos e já identificou em certas espécies o potencial para obter metais valiosos por meio da biossorção - nome dado aos processos em que um sólido de origem biológica retém certos tipos de metal.

Os metais em questão são as cobiçadasterras raras, elementos químicos do grupo dos lantanídeos - a penúltima linha da tabela periódica - que têm grande valor por serem matérias-primas de boa parte dos aparelhos de alta tecnologia desenvolvidos no Vale do Silício - smartphones e tablets, por exemplo.

Nesse caso, empregam-se os chamados fungos filamentosos pigmentados. Segundo Sandra, a presença dos pigmentos é justamente o que faz com que a biomassa produzida pelo fungo tenha grande capacidade de se ligar a metais.

O grupo de Sandra realizou um amplo estudo com diversas espécies de fungos, o que levou à escolha definitiva de um deles: o Cladosporium sp.

"A grande vantagem dos fungos é que podemos obter a biomassa com baixo custo. É muito barato cultivá-los", afirma a pesquisadora.

Atualmente ela trabalha com uma linhagem mutante da espécie Aspergillus nidulans, isolada em seu laboratório, cuja capacidade biossortiva está se mostrando superior à do Cladosporium.

"O intuito dessa pesquisa, na verdade, é fazer a extração desses metais contidos em resíduos industriais", diz Sandra. "Há resíduos com quantidades de terras raras que não podem mais ser retiradas por meio de processos químicos. Com o alto valor que esses metais possuem, uma biomassa de fungos que ainda consiga extrair mais um pouco pode ser uma possibilidade interessante".

DEPÓSITOS DE ALEXANDRITA DE MALACACHETA, MINAS GERAIS*

DEPÓSITOS DE ALEXANDRITA DE MALACACHETA, MINAS GERAIS* , alexandrite [Be(Al2-xCrx)2O4], the chromium-bearing crysoberyl variety, has been exploited from alluvial and paleo-alluvial deposits in the Malacacheta region. The alluvial deposits consist of resedimented gravel along the present drainage streams. The paleo-alluvial deposits are richer in alexandrite, and show well-developed soil horizons covering the alexandrite-bearing gravel layer. Alexandrite grains show angular shapes with very sharp edges, suggesting transport for short distances. The country rocks are quartz-mica schist and peraluminous mica schist (Salinas Formation), covered by alternating mica schist and quartzite layers (Capelinha Formation). Both formations are of Neoproterozoic age. They host tectonic slabs of metaultramafic rocks, and are cut by intrusive granites of Cambrian age. No alexandrite-bearing rock has been found in the area, probably due to the intense tropical weathering. However, some of the mapped rocks are sources for Be (granites), Cr (metaultramafics) and Al (peraluminous schists), the essential elements for alexandrite crystallization. We suggest a metasomatic system of Cambrian age for alexandrite genesis in the area, involving the interaction of granite-related Be-rich fluids with metaultramafic rocks and peraluminous schists. *Suporte financeiro de FAPEMIG, CNPq e CAPES 1 Universidade Federal de Ouro Preto, Dep. de Geologia, Morro do Cruzeiro, Ouro Preto, MG. marcio.basilio@uol.com.br 2 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Dep. de Química, Av. Amazonas 5253, Belo Horizonte, MG 3 Universidade Federal de Minas Gerais, IGC-CPMTC, Campus Pampulha, 31270-901 Belo Horizonte, MG INTRODUÇÃO Alexandrita, uma das mais raras e valiosas gemas do mundo, é a variedade cromífera do crisoberilo (BeAl2 O4 ). O efeito alexandrita se manifesta pela mudança de cor, em função do tipo de iluminação, que passa de verde intenso, sob luz do sol, para violeta ou vermelho framboesa, sob luz incandescente(White et al. 1967). A substituição de parte do Al+3 por Cr+3, representada na fórmula [Be(Al2-xCrx ) 2 O4 ], é a causa do efeito alexandrita. O conteúdo de cromo substituindo o alumínio pode variar dentro de limites relativamente amplos (0,03% a 1,5%), sendo a presença do cromo o fator determinante da cor e da mudança de cor na alexandrita (Schmetzer et al. 1980, Gübelin e Schmetzer 1982, Pinheiro et al. 2000). No Brasil, a alexandrita é explorada principalmente em Minas Gerais, nas regiões de Itabira-Nova Era e Malacacheta-Setubinha, sendo também encontrada em pequenas ocorrências no Espírito Santo e Bahia (Cassedanne e Baptista 1984, Pinto e Pedrosa-Soares 2001). A descoberta de alexandrita em Malacacheta ocorreu em 1975, após a identificação de pequenas pedras verdes contidas no barro trazido do Córrego do Fogo (Fig. 1). Logo que estas gemas foram classificadas como alexandrita de alta qualidade, teve início um grande fluxo de garimpeiros que chegaram a totalizar 5000 homens acampados às margens do Córrego do Fogo e ribeirões Soturno e Setubinha. A atividade garimpeira na região teve seu pico entre os anos de 1975 e 1987. Durante aqueles 12 anos foram produzidos cerca de 2 kg de alexandrita de muito boa qualidade (Proctor 1988). Em 1985 foi descoberto um cristal pesando 14,6 g no Ribeirão Soturno que, depois de lapidado, gerou um cabochão de 18,5 ct, considerado uma das mais raras e finas alexandritas olho-de-gato do mundo. A partir de 1987, a produção declinou muito. Em 1998, cerca de 100 garimpeiros ainda trabalhavam nos aluviões, mas a produção era muito pequena, não superando poucos quilates de gema de boa qualidade por ano. ENQUADRAMENTO GEOLÓGICO O Distrito Gemológico de Malacacheta localiza-se à cerca de 30 km ao norte da cidade homônima. O intenso intemperismo tropical transformou as rochas da área em extensos e profundos solos lateríticos com exposições periódicas de saprólito. Quando ocorrem, as exposições de rochas frescas situam-se ao longo de drenagens, cortes de estrada e escarpas íngremes. O Distrito Gemológico de Malacacheta situa-DEPÓSITOS DE ALEXANDRITA DE MALACACHETA, MINAS GERAIS A Formação Salinas é composta predominantemente por quartzo-mica xisto granatífero e xisto peraluminoso rico em almandina e sillimanita fibrosa, com intercalações de rochas cálcio-silicáticas. Os xistos são mais ricos em biotita que moscovita. Seixos e matacões de formações ferríferas bandadas (tipos óxido e silicato) e de ortoanfibolitos são frequentes nos terrenos desta formação, na área estudada. A Formação Capelinha consiste em uma sucessão basal de camadas alternadas de micaxisto, grafita xisto e protoquartzito, coberta por espesso pacote de ortoquartzito. O micaxisto é rico em moscovita, granada e sillimanita fibrosa. O protoquartzito contém moscovita e/ou feldspato e/ou sillimanita. Veios quartzofeldspáticos com textura pegmatítica são comuns nas camadas ricas em moscovita. Parte destes veios parece ter origem anatética e parte parece estar relacionada às intrusões graníticas. Corpos de rochas metaultramáficas ocorrem tectonicamente alojados nestas formações. O maior deles, denominado Corpo Catulé (Fig. 1), é constituído de tremolita-talco xisto com remanescentes de peridotito mostrando foliação milonítica. Espessos veios de diopsídio e quartzo, de granulação grossa, ocorrem associados a este corpo e foram garimpados para explotação dos belos cristais euédricos de diopsídio. Um granito intrusivo ocupa a porção central da área (Fig. 1). Trata-se de granito homogêneo, a duas micas, Figura 1: Mapa geológico simplificado da área garimpeira do Córrego do Fogo-Setubinha, no Distrito Gemológico de Malacacheta (adaptado de Voll & Pimenta, 1997). Figure 1: Simplified geologic map of the Córrego do Fogo-Setubinha area, Malacacheta Gemologic District (after Voll & Pimenta, 1997). 10 48 º W 42º W 16º S 20º S 42º 10' Formação Capelinha: micaxisto e quse em terreno metamórfico de fácies anfibolito, intrudido por granitos, do domínio tectônico interno da Faixa Araçuaí (Pedrosa-Soares e Wiedemann-Leonardos 2000). As unidades estratigráficas da área estudada estão representadas na Figura 1. O embasamento, de idade arqueana a paleoproterozóica, retrabalhado no Ciclo Brasiliano, é constituído predominantemente por biotita gnaisse bandado do Complexo Guanhães (Pedrosa-Soares et al. 1994). Sobre ele repousam as unidades que ocupam a maior parte da área, denominadas formações Salinas e Capelinha no qual a biotita predomina sobre a moscovita e a granada ocorre como acessório frequente. A orientação por fluxo ígneo verificada nas bordas do corpo desaparece no seu interior. Roof-pendants e xenólitos de rochas encaixantes são frequentes nos maciços graníticos. Os atributos mineralógicos e geoquímicos evidenciam que o Granito Córrego do Fogo é do tipo S, peraluminoso, alcalino-potássico e pós-colisional (Basílio, 1999). Zircões desta intrusão foram separados para datação pelo método Pb/Pb (evaporação) e agruparam-se em duas famílias. A família de zircões arredondados e corroídos, e cor amarelo claro a escuro, forneceu a idade de 2585 ± 19 Ma. Esta idade indica que fonte arqueana forneceu zircões para os metassedimentos que sofreram fusão parcial para gerar o granito. A família de zircões euédricos, límpidos, de prisma longo, forneceu a idade de 537 ± 8 Ma. Esta é a idade de cristalização do Granito Córrego do Fogo, em perfeita concordância com sua assinatura pós-colisional (Basílio 1999). Regionalmente, o Granito Córrego do Fogo pertence à Suíte G4, uma das suítes graníticas originadas durante o estágio de colapso orogênico póscolisional da Faixa Araçuaí (Pedrosa-Soares e Wiedemann-Leonardos, 2000). Os pegmatitos encontrados na área estudada são veios relativamente pequenos, cuja espessura máxima está em torno de 3 m. Quartzo, feldspato potássico macropertítico e moscovita são seus minerais essenciais, enquanto berilo e schorlita podem ocorrer como acessórios. Há pegmatitos que são claramente derivados do Granito do Córrego do Fogo, assim como há veios que são anatéticos. Em qualquer dos casos, são pegmatitos pobres em gemas que, eventualmente, produzem água-marinha. Cristais de rubelita ocorrem nos aluviões e provavelmente são oriundos dos pegmatitos. Não se tem notícia de alexandrita que tenha sido extraída dos pegmatitos da área. A ALEXANDRITA A alexandrita de Malacacheta apresenta-se como grãos milimétricos, mas raramente atinge alguns centímetros. Os grãos são angulosos e de arestas agudas. Faces cristalinas preservadas praticamente inexistem, devido ao intenso fraturamento. Estas características evidenciam transporte por distâncias curtas. As cores da alexandrita de Malacacheta variam do verde ao azul (conhecida comercialmente como “azul pavão”), mas pode ocorrer nítido tricroísmo, variando entre azul, verde intenso e verde amarelado. A presença do cromo, identificado por microssonda eletrônica, em substituição a parte do alumínio, está intimamente relacionada à característica mudança de cor, que se dá de verde ou azul em luz natural, para vermelho framboesa ou violeta sob luz incandescente. Os teores de cromo podem variar desde 0,3% a 1,2% (Basílio, 1999; Pinheiro et al., 2000). Inclusões de talco, antofilita e actinolita-tremolita, minerais comuns na rochas ultramáficas da área, foram identificadas em grãos de alexandrita do Córrego do Fogo (Henn, 1987). Basílio (1999) também verificou a presença de inclusões cristalinas, na forma de um mineral fibroso (actinolita?) e um mineral placóide hexagonal (biotita?). DESCRIÇÃO DOS DEPÓSITOS Desde 1975 a alexandrita tem sido extraída apenas de depósitos aluvionares no Distrito de Malacacheta. É ainda desconhecida a rocha na qual os cristais de alexandrita se cristalizaram (Basílio, 1999). Os depósitos mais ricos encontram-se ao longo de apenas dois cursos d’água: o Córrego do Fogo e o Ribeirão Soturno. Nos ribeirões Santana e Setubinha existem aluviões relativamente pobres em alexandrita. O Ribeirão Setubinha recebe as águas do Córrego do Fogo (Fig. 1). Três superfícies erosivas foram identificadas na região de Malacacheta por Guimarães e Grossi-Sad (1997). A superfície mais antiga, representada por chapadas, possui altitudes em torno de 1200 m. As chapadas são suportadas por quartzito da Formação Capelinha ou xisto da Formação Salinas. A segunda superfície tem altitudes em torno de 900 m e suas drenagens mostram vales estreitos e de margens abruptas, como ocorre com o Ribeirão Setubinha. Este e outros cursos que se estabeleceram no segundo ciclo erosivo parecem ter sido herdados do primeiro ciclo. Estes cursos escavaram seus canais na primeira superfície e, persistindo em sua ação erosiva, adquiriram meandros que foram realçados durante o segundo ciclo. A superfície erosiva mais recente é resultado do rebaixamento do nível de base local. Como evidência da erosão provocada por este rebaixamento observa-se a presença de paleoalúvios em cotas imediatamente superiores aos cursos d’água atuais e a reincisão dos aluviões atuais por estes mesmos cursos. Nestes compartimentos do relevo foram identificados três tipos de depósitos secundários de alexandrita, a saber: depósitos em paleoalúvios, depósitos em alúvios recentes e depósitos em tálus. Os depósitos paleoaluvionares estão presentes em grande parte da calha do Ribeirão Setubinha, nos trechos onde este corre mais encaixado, desde a foz do Córrego do Fogo até cerca de 5 km antes da cidade de Setubinha (Fig. 1). Os depósitos aluvionares recentes situam-se no Córrego do Fogo e ribeirões Santana, Soturno e Setubinha, sendo mais desenvolvidos nas cabeceiras do Córrego do Fogo e ao longo de todo o percurso dos ribeirões Santana e Soturno. O único depósito de tálus observado encontra-se próximo à margem esquerda do Córrego do Fogo, cerca de 4 km a montante de sua fozDEPÓSITOS DE ALEXANDRITA DE MALACACHETA, MINAS GERAIS Depósitos Paleoaluvionares A base dos depósitos paleoaluvionares do Ribeirão Setubinha está disposta cerca de 5 a 8 metros acima do nível atual da drenagem. Estes depósitos são compostos essencialmente por duas sequências, uma superior, de composição argilosa e outra, inferior, constituída por blocos e seixos rolados dispostos diretamente sobre saprólito de xisto. A Figura 2 mostra, esquematicamente, as relações entre o paleoalúvio, o alúvio recente e o xisto da Formação Capelinha. Figura 2: Perfil transversal e seção colunar, esquemáticos, ilustrando a distribuição lateral e o empilhamento entre o paleoaluvião com horizonte de cascalho mineralizado em alexandrita, o aluvião recente e o Ribeirão Setubinha. Figure 2: Schematic transect and section showing the lateral distribution and the stratigraphic relations shown by an alexandrite deposit in the Setubinha creek. Form ação Cap elinha Cascalho m ineralizado Rib eirão Setubinha Alúvio recente Solo orgânico Latossolo vermelho-am arelo com nív eis m icroconglomeráticos intercalados Cascalho m ineralizado Saprólito de xisto Paleoalúvio E W Sem escala A Figura 3 apresenta a descrição detalhada de um perfil do paleoaluvião mineralizado do Ribeirão Setubinha. O nível argiloso varia entre 4 e 8 m de espessura e mostra-se estruturado pedologicamente. Sua análise morfológica evidencia um latossolo vermelho-amarelo. Sua composição argilosa é homogênea, não obstante a presença localizada de níveis arenosos, mais raramente portador de pequenos seixos e grânulos intercalados. Uma linha de seixos centimétricos está presente localmente. Subjacente ao nível siltoargiloso encontra-se, em contato abrupto, o leito de cascalho portador de alexandrita. Trata-se de um nível de cerca de 1 m a 1,5 m de espessura, composto essencialmente por seixos e matacões de quartzo de veio, quartzito de granulação grossa e localmente, grandes fragmentos de pegmatito gráfico. Os blocos de quartzo apresentam-se maiores e mais bem arredondados que os fragmentos de quartzito. Este nível de cascalho é extremamente mal selecionado. Nele predominam os seixos e matacões, que podem medir mais de 1 m em seu maior diâmetro. Fragmentos de alexandrita, Depósitos Aluvionares Recentes P erfil es q u em á ti co sem es cala. ? Os vales da maioria das drenagens da área garimpeira são amplos e parcialmente entulhados por sedimentos aluvionares. Os rios estão, atualmente, reescavando este material aluvionar. A espessura deste tipo de depósito varia muito em função da sua localização ao longo do rio. Nos depósitos à montante a cobertura atinge cerca de 10 a 15 m acima do nível atual da drenagem. Já nas partes mais baixas, principalmente no Ribeirão Setubinha, a cobertura atinge 1,5 m acima do nível da lâmina d’água. A camada mineralizada, entretanto, encontra-se cerca de 3 metros, em média, abaixo do nível freático, independentementemedindo poucos milímetros, ocorrem associados a esta fração
grossa.

A região do leste da China, vem se destacando pelas suas jazidas de ouro de grande porte. 

A região do leste da China, na Província de Shandong, vem se destacando pelas suas jazidas de ouro de grande porte.

A última grande descoberta, em Laizhou, é um depósito de classe mundial com mais de 10 milhões de onças de ouro. Os depósitos da região de Yantai em Shandong, são profundos e, frequentemente, se estendem por mais de 2.000 metros de profundidade.

Com essas descobertas Yantai já é um dos maiores distritos de ouro do mundo. Segundo as autoridades chinesas esta descoberta de Laizhou é a de número 31 feita neste ano...

Os geólogos locais estimam os recursos de Yantai em mais de 30 milhões de onças de ouro. 

Apenas duas semanas atrás o Instituto de Mineração da Província de Shandong já havia publicado a descoberta de uma jazida submarina, coberta por mais de 2.000m de lâmina d’ água com recursos de 15 milhões de onças.

A China, o maior importador de ouro do mundo, celebra.