Brasil amplia pesquisas sobre grafeno

O centro MackGraphe recebeu investimentos de mais de R$ 100 milhões e é o primeiro do gênero na América Latina.[Imagem: Mackenzie/Divulgação]

Centro de pesquisas sobre grafeno

Doze anos depois da descoberta do grafeno, diversos países continuam na corrida para conseguir produzir em grande escala e alta qualidade o material obtido do grafite.

Com potencial para inúmeras aplicações, da tecnologia atual a novas tecnologias disruptivas, o material ainda sofre com a dificuldade de fabricação em escala industrial.

O Brasil está se juntando a esse esforço com a inauguração do Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias (MackGraphe), no campus da Universidade Presbiteriana Mackenzie (UPM), em São Paulo.

O Centro recebeu investimentos de mais de R$ 100 milhões e é o primeiro do gênero na América Latina.

O grafeno e a molibdenita estão se juntado para criar uma nova indústria da eletrônica ultrafina. [Imagem: ORNL]

Janela de oportunidade do grafeno

Um dos objetivos será aproximar o MackGraphe do setor industrial, com vistas a dominar a cadeia de processamento do grafeno e desenvolver inovações a partir do material no prazo de cinco anos - o período estimado da janela de oportunidade para desenvolver ciência e tecnologia do grafeno.

#Segundo os pesquisadores da área, o Brasil tem grandes chances de explorar essa janela de oportunidade, uma vez que possui uma das maiores reservas de grafite (a matéria-prima do grafeno) no mundo, cujo quilo custa US$ 1 e dele pode-se extrair 150 gramas de grafeno, comercializados a US$ 15 mil.

Além disso, a cadeia industrial do grafeno no mundo ainda não está estabelecida. Ao contrário do silício, que já possui uma cadeia industrial estabelecida no mundo e na qual o Brasil não conseguiu se inserir, a do grafeno só está no começo.

"O grafeno representa uma grande oportunidade para o Brasil justamente porque está no início. Se esperar demais e não participarmos dessa corrida, outros países irão desenvolver tecnologias a partir do grafeno, teremos que pagar royalties para usá-las e perderemos a oportunidade de dividir a riqueza que esse material vai gerar", afirmou Antônio Hélio de Castro Neto.

Atualmente na Universidade de Cingapura, Castro Neto, considerado uma das maiores autoridades mundiais na área, trabalhou com Andre Geim, um dos ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 2010 por sua pesquisa sobre o grafeno, já tendo participado de vários estudos importantes na área do grafeno: 

"Há milhares de cientistas no mundo inteiro buscando aplicações das mais diversas para o grafeno, como para transistores, métodos de análise de DNA, baterias e materiais compostos. Há mais de 10 mil patentes relacionadas a aplicações registradas", disse Andre Geim, que esteve no Brasil para participar da inauguração do MackGraphe.

A família inaugurada pelo grafeno agora já inclui molibdenita, fosforeno, estaneno, germaneno, siliceno e até um pentagrafeno. [Imagem: Cortesia Universidade de Basel]

Grafeno industrial

Com uma área superior a 4 mil metros quadrados à disposição, distribuídos em nove pavimentos, a equipe do Centro irá explorar as propriedades do grafeno e de outros materiais bidimensionais ou unidimensionais - formados por camadas planas e simples de átomos ou moléculas -, com vistas a aplicações na indústria.

Para isso, conta com laboratórios e equipamentos de ponta e uma equipe de 15 pesquisadores, de quatro nacionalidades, especialistas em produção e caracterização do grafeno para aplicação industrial.

"O MackGraphe terá o objetivo de fazer pesquisa com uma visão de engenharia aplicada e, para isso, será essencial termos uma forte interação com o setor produtivo," disse Eunézio Antônio Thoroh de Souza, coordenador do Centro.

Inicialmente, a interação do Centro com o setor produtivo se concentrará nas áreas de fotônica, energia e compósitos (combinação de materiais diferentes, como o grafeno com um polímero) -, nas quais já há um número expressivo de empresas atuantes no país.

A ideia, contudo, é expandir a interação com outros setores, como o de agropecuária, em que o Brasil se destaca como um grande exportador, afirmaram representantes da instituição.

"Não queremos ficar presos a essas três áreas [fotônica, energia e compósitos]. Vamos conversar com empresas de outros setores, como do agronegócio, e buscar a autossustentabilidade do MackGraphe," disse Maurício Melo de Meneses, presidente do Instituto Presbiteriano Mackenzie, mantenedor da universidade.

Fonte: CPRM

Agromineração: Plantas acumulam metais em teores altíssimos

As plantas hiperacumuladoras parecem ter uma preferência especial pelo níquel. [Imagem: Antony van der Ent et al. - 10.1021/es506031u]

Plantas hiperacumuladoras

As plantas gostam muito de alguns elementos químicos, como nitrogênio, fósforo e potássio (NPK), mas tipicamente não se dão bem com metais como o níquel ou o tálio, principalmente em altas concentrações.

No entanto, em 1976, um grupo de quatro pesquisadores da Universidade de Queensland, na Austrália, descobriu que uma pequena árvore, a Sebertia acuminata, nativa da ilha de Nova Caledônia, era uma "hiperacumuladora" de metais, contendo uma altíssima concentração de níquel em sua resina.

Desde então, 65 plantas hiperacumuladoras foram documentadas na Nova Caledônia, 130 em Cuba, 59 na Turquia e números menores no Brasil, Malásia, Indonésia, Filipinas e vários outros países.

Agora, um grupo liderado por dois dos autores da descoberta original fez um resumo desse que se tornou um florescente campo de pesquisas. Eles contaram 2.829 artigos científicos com o termo "hiperacumulador" publicados desde então, mostrando que essas plantas amantes de metais se tornaram bem mais do que uma curiosidade científica.

Destacam-se dois fortes interesses práticos: a biorremediação - a extração de metais contaminantes do solo e de rejeitos industriais - e a biomineração - o uso das plantas e bactérias para coletar minerais e elementos químicos de interesse comercial. Para o caso específico das plantas, a maioria dos pesquisadores prefere usar os termos agromineração ou fitomineração.

Já existem vários testes para uso das "plantas metálicas" na recuperação de solos ou no cultivo em áreas pobres para outras culturas, mas com solos ricos em metais. [Imagem: Antony van der Ent et al. - 10.1021/es506031u]

Biomineração

Cada planta hiperacumuladora de metais tem seu próprio metal de preferência, mas o níquel vem despontando nas preferências dos pesquisadores porque as plantas parecem gostar particularmente dele.

A concentração de níquel nos biominérios extraídos das hiperacumuladoras varia entre 10% e 25% em peso (metal contido), altíssima em comparação com os minérios explorados pela mineração tradicional, que não passam de 1,5%. Se a biomassa das plantas for queimada antes da extração, o conteúdo de níquel pode chegar a 30%.

Além disso, o biominério está livre de silicatos de ferro e manganês, que aumentam o custo de extração do metal.

Uma planta em particular, a Pycnandra acuminata, produz um látex de cor azul-esverdeada que apresenta uma concentração de até 25% de níquel. Isso potencialmente dá a esse látex um valor bem mais elevado do que o látex extraído para a produção de borracha, por exemplo.

Antony van der Ent e seus colegas acreditam que essa árvore de grande porte possa ser usada também para limpar solos contaminados ou permitir que terras pobres em nutrientes voltem a ser férteis.

Microscopia de fluorescência de raios X das cápsulas de sementes da planta hiperacumuladora de níquel Alyssummurale. A cor vermelha mostra sua estrutura, a cor verde mostra cálcio e o azul mostra o níquel. [Imagem: Antony van der Ent]

Agromineração

Outros pesquisadores envolvidos com a agromineração também já identificaram plantas afeitas a outros metais, incluindo o cobalto, com algumas aplicações práticas já em estudos.

"Existem aplicações de fitoextração para uma variedade de outros elementos para os quais plantas hiperacumuladoras são conhecidas, incluindo selênio, tálio e manganês, ou para remediação de solos poluídos por arsênico-cádmio ou selênio," escrevem Tanguy Jaffré e seus colegas - Jaffré também participou da descoberta original das hiperacumuladoras, nos anos 1970.

Uma abordagem particularmente promissora para a agromineração, segundo a equipe, consistirá em selecionar as plantas mais adequadas para o clima de regiões onde já é feita a mineração tradicional de determinados metais.

As plantas seriam então cultivadas nos rejeitos da mineração - em lugar de deixá-los acumulados ou depositados em barragens - ou nas áreas no entorno das minas, onde a concentração de metal no minério não é alta o suficiente para justificar sua extração pelos métodos convencionais.

Fonte: Inovação Tecnológica 

Origem secreta das Esmeraldas

Uma cuidadosa análise de algumas das esmeraldas mais famosas do mundo mostrou que pedras preciosas também têm histórias secretas. Três das pedras pertencentes à coleção de uma antiga família são originárias da Colômbia, de onde teriam sido retiradas no século XVI e não teriam pertencido, como contava a lenda, a Alexandre, o Grande.

Admirado por mais de 4.000 anos, o verde profundo das esmeraldas tem sido símbolo de imortalidade e juventude. Essas gemas foram admiradas pelos egípcios e romanos: o Imperador Nero observava os gladiadores através de uma lente de esmeraldas. Mas a história de muitas das melhores gemas do mundo freqüentemente se transforma em mitos e é muito difícil de mapear. Isso levou um grupo de pesquisadores da França e da Colômbia a utilizar as mais modernas técnicas para determinar a origem de nove das mais famosas esmeraldas, que cobrem um período da ocupação romana da França até o século XVIII. O estudo envolveu a vaporização de uma porção microscópica de cada uma das pedras com um raio laser e, então, analisar os isótopos de oxigênio que foram liberados.

Composição e temperatura

Isótopos de oxigênio em gemas como as esmeraldas refletem a composição e temperatura dos fluidos que eventualmente se cristalizaram para formar a pedra, assim como a composição e temperatura das rochas que o fluido atravessou em seu caminho antes de sua consolidação como gema. Há uma estreita faixa desses isótopos para cada local onde as esmeraldas foram descobertas ao redor do mundo. Juntamente com outros aspectos mais tradicionais da gemologia, tais como propriedades óticas e a incrustração de outros materiais, os pesquisadores podem usar esses valores dos isótopos para apontar onde a esmeralda "nasceu". Os pesquisadores, liderados por Gaston Giuliani, dos Instituto de Pesquisa para o Desenvolvimento e o Centro de Pesquisas Petrográficas e Geoquímicas, em Vandoeuvre, na França, testaram pedras das principais minas de esmeralda de todo o mundo.

Principais surpresas

Eles descobriram que algumas esmeraldas muito antigas vêm de depósitos supostamente descobertos durante o século XX, mostrando que estas minas eram conhecidas desde o tempo dos romanos. Uma das grandes surpresas foi o número de gemas das minas colombianas. Estas esmeraldas somente foram comercializadas mundialmente após a invasão espanhola da América Latina, no século XVI. E mais, três das quatro maiores esmeraldas analisadas da coleção da família indiana Nizam, supostamente vindas de minas asiáticas perdidas, vieram realmente da Colômbia e não, como conta a lenda, de Alexandre, o Grande (ao redor do ano 300 A.C.).

Os pesquisadores agora planejam aplicar as mesmas técnicas para estudar os rubis. "Este tipo de análise era inicialmente uma pequena parte do nosso trabalho", disse Giuliani. "Mas vimos que, como geólogos trabalhando com gemas e gemólogos, nós podemos dar uma contribuição para o estudo do comércio e da história humana."

Pesquisa publicada no jornal Science.

Ondas do mar são concentradas para gerar energia

Esta é uma aplicação dos famosos mantos da invisibilidade às ondas do mar. [Imagem: Chunyang Li et al. - 10.1103/PhysRevLett.121.104501]

Concentração de ondas do mar

Esta estrutura de aparência um tanto simples é capaz de concentrar as ondas de água da mesma forma que uma lente concentra as ondas de luz.

Nos testes em laboratório, com apenas 10 cm de água no tanque, as ondas que atingem a estrutura até triplicam de altura quando alcançam sua zona central, enquanto, ao mesmo tempo, dificilmente são geradas ondas refletidas que poderiam anular as ondas entrantes.

Com as ondas concentradas em um ponto único, torna-se mais fácil usá-las para gerar eletricidade, o que promete viabilizar a utilização desse recurso de energia renovável em larga escala.

Invisibilidade para ondas de água

A energia das ondas pode ser concentrada simplesmente direcionando ondas para um canal que vai-se estreitando gradualmente entre duas paredes. Mas esse método também reflete grande parte da energia das ondas, produzindo ondas que se movem para trás, contra as ondas que chegam.

Por isso, Chunyang Li e seus colegas das universidades de Xiamen e Zhejiang, na China, foram buscar inspiração na engenharia óptica - ou óptica transformacional - para projetar uma estrutura que concentra as ondas com pouca reflexão.

Para isso, ele se juntou à equipe do professor Huanyang Chen, que há alguns anos vem construindo mantos de invisibilidade para lidar com ondas de luz - eles já criaram uma técnica para fazer com que um objeto se transforme em outro e ilusões de óptica para atravessar um espelho que lembram os feitos de Alice no País das Maravilhas.

Ou seja, a estrutura concentradora de ondas é mais uma aplicação prática dos metamateriais - a diferença é que, em vez de ondas de luz, a estrutura manipula as ondas de água.

A concentração das ondas exige cálculos precisos da estrutura - cálculos baseados na matemática da óptica transformacional. [Imagem: Chunyang Li et al. - 10.1103/PhysRevLett.121.104501]

Concentração de ondas

O comprimento de onda das ondas de águas depende da profundidade. Li e seus colegas calcularam então que, se a profundidade diminuir de forma precisa entre a borda externa e a zona central, os reflexos de onda são praticamente eliminados para frequências específicas. Para ondas dessas frequências, um número inteiro de meios-comprimentos de onda se encaixa perfeitamente dentro dos canais ao longo da direção radial. Esse arranjo leva a um efeito de interferência de onda que suprime os reflexos.

A estrutura de teste tem 43 centímetros (cm) de raio, com uma profundidade da água decrescendo de 10 cm na borda externa até 3 cm na região central. No ponto central, as ondas têm uma altura 3 vezes maior do que quando entram.

A equipe já está trabalhando na construção de um protótipo maior, escalonado para permitir testes reais na captura de ondas do mar com o objetivo de gerar eletricidade. "Este trabalho é um grande passo para uma aplicação real perto da costa, e esperamos poder alcançar um muito maior no futuro próximo," disse o professor Chen.

Fonte:  Inovação Tecnológica 

Geólogos criam mapa-múndi de possíveis minas de diamante

O resultado não é um mapa da mina definitivo, porque os esforços se concentraram em áreas mais antigas da crosta continental, uma faixa de pouco mais de 300 quilômetros de espessura e 2,5 bilhões de idade.[Imagem: Torsvik et al./Nature]

Em busca dos diamantes

Embora alumínio, minério de ferro e petróleo sejam as riquezas exploradas atualmente pela mineração em maior escala, o ouro e o diamante sempre estiveram ligados aos grandes anseios não apenas dos mineradores, mas da própria humanidade.

O ouro não resistiu ao desenvolvimento das novas técnicas geoquímicas e geofísicas, e hoje seus depósitos são mais facilmente detectáveis, ainda que a exploração desses depósito nem sempre seja economicamente viável.

Mas o diamante tem permanecido fugidio. Localizar reservas de diamante é muito mais difícil do que encontrar agulhas em meros palheiros, tornando um "mapa da mina de diamante" provavelmente muito mais valioso do que um "mapa da mina de ouro".

Tipos de minas de diamante

Há dois tipos de "minas de diamante" - que os geólogos chamam de ocorrência. Uma ocorrência de grande porte e já mensurada passa a ser considerada uma reserva. E uma reserva explorada comercialmente torna-se uma mina.

O primeiro tipo são os diamantes de aluvião, cuja rocha matriz - onde diamante nasceu - sofreu um desgaste erosivo ao longo de milhões de anos, fazendo com que as preciosas pedras rolassem e se depositassem em regiões mais baixas dos leitos d'água, atuais ou passados. Todos os diamantes encontrados no Brasil são desse tipo de reserva mineral.

O segundo tipo é o kimberlito, a rocha matriz onde o diamante se forma, a grandes profundidades e pressões enormes. Movimentos tectônicos, ou a própria erosão do terreno circundante, podem deixar essas rochas até bem próximo da superfície, facilitando a exploração. A maioria das grandes minas de diamante, como as da África do Sul, são minas de kimberlito.

Mapa da mina de diamante

Mas, como se formam a profundidades muito grandes, encontrar kimberlitos é muito difícil e não existem muitas técnicas para que isso seja feito em larga escala.

Agora, em um trabalho de grande impacto na área, um grupo internacional de geólogos conseguiu mapear milhares de kimberlitos ao longo de toda a Terra. O estudo poderá ajudar na localização de áreas com maior probabilidade de se encontrar diamantes.

O resultado não é um mapa da mina definitivo, porque os esforços se concentraram em áreas mais antigas da crosta continental, uma faixa de pouco mais de 300 quilômetros de espessura e 2,5 bilhões de idade.

O motivo é que estão ali os diamantes de extração mais economicamente viável.

Como se formam os diamantes

Os diamantes são formados em condições de alta pressão a mais de 150 mil metros de profundidade, no manto, a camada da estrutura terrestre que fica entre o núcleo e a crosta.

A distribuição desses diamantes no subsolo é controlada por plumas mantélicas, um fenômeno geológico que consiste na ascensão de um grande volume de magma de regiões profundas. Essa distribuição natural tem sido feita dessa forma há pelo menos meio bilhão de anos.

As plumas, originadas da fronteira entre o núcleo e o manto terrestre, são responsáveis pela distribuição dos kimberlitos, as raríssimas rochas vulcânicas das quais são retirados os diamantes.

Os cientistas reconstruíram as posições das placas tectônicas nos últimos 540 milhões de anos de modo a localizar áreas da crosta continental relativas ao manto profundo nos períodos em que os kimberlitos ascenderam.

"Estabelecer a história da estrutura do manto profundo mostrou, inesperadamente, que dois grandes volumes posicionados logo acima da divisa entre o manto e o núcleo têm-se mantido estáveis em suas posições atuais no último meio bilhão de anos," disse Kevin Burke, professor de geologia na Universidade de Houston, nos Estados Unidos, um dos autores do estudo.

Dúvidas geológicas

De acordo com os pesquisadores, esses kimberlitos, muitos dos quais trouxeram diamantes de mais de 150 quilômetros de profundidade, estiveram associados com extremidades de disparidades em grande escala no manto mais profundo. Essas extremidades seriam zonas nas quais as plumas mantélicas se formaram.

Estranhamente, contudo, suas localizações parecem ter-se mantido estáveis ao longo do tempo geológico.

"O motivo para que esse resultado não tenha sido esperado é que nós, que estudamos o interior da Terra, assumimos que, embora o manto profundo seja sólido, o material que o compõe deveria estar em movimento todo o tempo, por causa de o manto profundo ser tão quente e se encontrar sob elevada pressão, promovida pelas rochas acima dele", disse.

Fonte:Inovação Tecnológica