Nanoestruturas, megapossibilidades

27 de outubro de 2014 -

Laboratório baiano de nanotecnologia investe em projetos focados na produção de energia e alternativa de iluminação

As estruturas são minúsculas, nanométricas, visíveis e manipuláveis apenas com os mais potentes microscópios e equipamentos. Porém suas utilizações podem ser vislumbradas sem esforço e suas potencialidades, capazes de transformações gigantescas em nosso mundo. Esta é a nanotecnologia, uma das áreas mais promissoras deste século. O Brasil, para não perder o bonde nanotecnológico, tem investido na área, com a criação de laboratórios, desenvolvimento de infraestrutura e estímulo à formação de redes.

Um belo exemplo de dedicação ao estudo do mundo do muito pequeno é o trabalho realizado no Laboratório do Instituto de Física da Universidade Federal da Bahia (UFBA), que há cerca de quinze anos desenvolve pesquisa na área, sob a liderança do físico Antônio Ferreira. Atualmente, os estudos realizados no instituto vão do desenvolvimento de novos tipos de painéis solares ultrafinos e de processos alternativos de geração de energia limpa a partir da produção de gás hidrogênio (H2) até a investigação das propriedades luminosas do silício poroso e até a fabricação de nanotubos de ouro a partir de fungos de algas da lagoa do Abaeté, em destaque na edição passada.

Ferreira destaca a necessidade de investimentos cada vez maiores na área, sob o risco de ficarmos para trás nesse campo, que considera central para o próximo século. “É um desafio grande, pois envolve um investimento enorme, mas essa tecnologia vai impactar todas as áreas no futuro – medicina, engenharia, física, química, em tudo”, pondera. “Os nanomateriais podem ter uma gama impressionante e muito variada de efeitos. Trata-se de uma área fantástica, na qual o Brasil não pode ficar para trás.”

Ultrafinos e alternativos

Justamente com o objetivo de inovar com o uso da nanotecnologia, um dos projetos de maior destaque do laboratório da UFBA é o desenvolvimento de novos modelos de painéis solares de pequena espessura. As células solares desenvolvidas possuem uma base de vidro, superposta por camadas ultrafinas de nanopartículas: uma, formada por óxido de estanho com flúor, funciona como um excelente condutor de eletricidade. A outra, que em geral utiliza materiais como disseleneto de cobre índio (CIS) e o seleneto de cobre-índio-gálio (CIGS), é a responsável efetivamente pela absorção da radiação solar.

Juntas, elas compõem um dispositivo multicamadas fotovoltaico que capta a energia luminosa, transforma-a em energia elétrica e a transmite até uma bateria, um reservatório ou um aparelho elétrico. O CIS e o CIGS foram escolhidos por apresentarem as particularidades de serem estáveis quando sujeitos à incidência luminosa e de terem grande potencial fotovoltaico, ou seja, boa capacidade de absorção da luz.

Os painéis de CIS e CIGS apresentam uma série de vantagens sobre os equipamentos mais comumente usados, feitos de silício. Primeiro por representarem outra possibilidade de matéria-prima, já que o silício com pureza necessária para a utilização em painéis é caro e quase totalmente importado pelo Brasil, o que impacta o custo do equipamento. Vale destacar, no entanto, que a utilização do índio é um complicador, pois o elemento é relativamente raro e utilizado em indústrias como a de smartphones. As placas ultrafinas também são muito mais compactas, requerem menos matéria-prima e são potencialmente eficientes. “Além disso, o uso de silício gera resíduos, por exemplo, no corte das placas, e não se sabe ao certo qual o destino desse material, que é tóxico”, destaca Ferreira. “Já a produção de painéis fotovoltaicos de CIS e CIGS não gera resíduo, não há desperdício.”

O processo e as condições de produção dos filmes ultrafinos, aliás, são fundamentais para as propriedades do composto final. Nos estudos realizados na UFBA, o processo utilizado é o da eletrodeposição, que provoca a precipitação do material sobre a base de vidro, depois tratada para se tornar mais homogênea. “São os muitos fatores envolvidos nesse processo que interferem na eficiência do filme ultrafino final: é preciso monitorar, por exemplo, a uniformidade das camadas e o tamanho dos grãos de cada um dos componentes. São muitos detalhes”, explica o físico. “Isso serve tanto para a camada de CIS/CISG quanto para a de óxido de estanho, e nosso objetivo é buscar uma composição e arranjo certos de cada nanomaterial para gerar a maior eficiência possível.”

Apesar dos avanços, ainda é bem complicado pensar em produzir esse tipo de equipamento em escala comercial. Por exemplo, os resultados dos filmes ultrafinos de Ferreira ainda estão abaixo dos 10% de eficiência, enquanto os muitos tipos de placa de silício chegam, em média, a cerca de 20% de eficiência. Porém o físico destaca que o estudo das propriedades quânticas desses materiais abre muitas possibilidades de pesquisa. Por exemplo, seu grupo tem buscado a criação de outros compostos alternativos, com a adição de novos elementos aos filmes, como o estanho.

O desenvolvimento de alternativas em relação às placas de silício vem sendo pesquisado em diversas partes do mundo. Em outros centros de pesquisa, por exemplo, já foram desenvolvidos filmes finos parecidos com os da UFBA, mas que utilizam polímeros, e não vidro, como substrato. Com isso, obtiveram células fotoelétricas igualmente finas, mas flexíveis, que poderão ter novas aplicações no futuro.

Outra linha de pesquisas do Instituto de Física da UFBA também demonstra a potencialidade da nanotecnologia na produção de energia. A equipe de Ferreira tem analisado nanomateriais para serem empregados no processo de geração fotocatalítica de hidrogênio a partir de água e luz solar – ou seja, para produção de energia limpa alternativa na forma de hidrogênio.

Tendo em vista a crescente busca por fontes de energia renovável, o gás aparece como uma opção muito atrativa, que vem sendo pesquisada por grupos de todo o mundo. Entre seus benefícios estão o fato de não prejudicar o meio ambiente, já que sua combustão gera apenas vapor d’água como subproduto, e o de ser um recurso ilimitado, que pode ser obtido a partir da água. “A Islândia lidera essa pesquisa em nível mundial, mas ainda há gargalos que precisam ser resolvidos”, diz Ferreira. “Por exemplo, ele não é encontrado em sua forma pura na natureza, ocupa grandes volumes, e ainda não foram desenvolvidas técnicas para sua produção e armazenamento em escala comercial”, destaca.

De forma simplificada, a fotocatálise trata da conversão direta da energia solar em energia química, tendo a água como principal matéria-prima para a geração do gás hidrogênio (H2), assim como do gás oxigênio (O2), um subproduto da reação. O processo ocorre na presença de materiais dissolvidos em água, que têm a capacidade de absorver a luz solar para gerar a energia requerida para a quebra da molécula H2O. Os estudos realizados pelo grupo de Ferreira concentram-se no desempenho de diversos compostos, como o niobato de bismuto (BiNbO4), o tantalato de bismuto (BiTaO4) e o dióxido de titânio (TiO2).

“Nosso objetivo é descobrir quais materiais se saem melhor nesse trabalho, qual a melhor composição e nanoestrutura, o que depende muito da espessura dos grãos, do seu tamanho, da sua quantidade”, explica o pesquisador. “E não basta apenas constatar a capacidade desses materiais de gerar o hidrogênio que queremos, mas principalmente tentar entender o processo de geração do gás.”

Ferreira lembra, no entanto, que é preciso estudar não apenas a fotocatálise em si, mas também todo o processo de formação desses nanomateriais, no qual cada detalhe pode interferir no desempenho. “O óxido de titânio, por exemplo, pode assumir formato de tubinhos ou de aresta (quando observado pelo microscópio), dependendo do processo empregado na sua produção em escala nanométrica”, explica.

Silício poroso – e luminoso

Se nos exemplos anteriores temos nanomateriais que absorvem a luz para gerar energia, outro projeto do laboratório se propõe a fazer mais ou menos o oposto: utilizar a nanociência para gerar luz. Naturalmente, o silício é um material semicondutor que conduz corrente elétrica, mas não emite luz. Porém, ao ser submetido a um processo de eletrólise em presença de um ácido, as camadas superficiais de uma placa de silício se transformam em silício poroso, um novo material com propriedades inteiramente distintas – e capaz de emitir luz. Na eletrólise, a superfície do silício mergulhada numa solução ácida (ácido fluorídrico, no caso) é desgastada quimicamente com a passagem de uma corrente elétrica pelo sistema.

O silício poroso recebe este nome não é à toa: quando olhado em microscópio de alta resolução, a superfície da placa – que antes era lisa e cristalina – está rugosa, porosa, repleta de reentrâncias, de tamanho nanométrico. O processo faz com que o silício deixe de ser um semicondutor para formar um novo material híbrido semicondutor-molecular, que contém os elementos hidrogênio, oxigênio e até carbono. “O ataque químico gera a porosidade e a formação de moléculas poliatômicas na superfície, combinações de átomos de silício com esses elementos”, conta Ferreira. “Elas se encontram confinadas em nanocristais de diversos tamanhos e com formações as mais diversas possíveis, que são influenciadas pelas características nanométricas da superfície.”

O silício poroso, segundo Ferreira, pode ser parte importante de futuras revoluções em muitas áreas, como a medicina. Ao contrário do silício normal, que é tóxico, o material se adapta ao tecido humano e possibilita, por exemplo, o desenvolvimento de culturas de células em sua superfície. “Ele poderá ser usado, por exemplo, em aplicações como implantes, com a camada externa de silício poroso funcionando como uma superfície que permite cultivo de tecido e uma fácil adaptação ao corpo humano”, diz o pesquisador.

Ele também pode ter importância no futuro da tecnologia e da computação quântica, já que consegue conduzir energia e emitir luz, que é fundamental na produção de equipamentos óptico-eletrônicos. A estrutura diferenciada do material é a responsável por suas propriedades específicas: nos poros ou poços nanométricos ocorre um fenômeno denominado confinamento quântico, que leva à emissão de luz a partir de vibrações provocadas pela excitação gerada pela passagem de corrente elétrica. “Essa rugosidade em escala nanométrica favorece a formação de agrupamentos maiores ou menores, com diferentes larguras e profundidades, o que favorece a emissão de luz com intensidades diferentes”, explica o físico.

A partir dessa propriedade, Ferreira desenvolveu o princípio para a criação de uma luz LED com base no material. Para isso, novamente utiliza o silício poroso como substrato recoberto com uma camada fina de óxido de estanho com flúor, por sua capacidade de transmitir corrente elétrica. “A passagem da corrente elétrica gera vibrações moleculares nanométricas e, por fim, a emissão de luz no espectro visível – e, com isso, possibilita a criação de LEDs e lasers”, avalia Ferreira.

Ele explica que é possível alterar o tamanho dos fossos criados no silício poroso por meio da regulação de diversos fatores no momento de sua produção, como a concentração de ácido em que é submerso e a corrente utilizada no processo. “Dependendo da estrutura porosa, suas características morfológicas, eletrônicas e ópticas serão modificadas”, afirma. “A intensidade da luz vai depender da estrutura e de quão fundo são os poços presentes no material utilizado; de forma geral, quanto mais fundo, mais energia necessária para ultrapassar o confinamento quântico”, esclarece.

© Lamume - IF/UFBAFisica Nano 3

1 Composto de bismuto, nióbio e oxigênio dopado com molibdênio 2, 3 e 4 Óxido de zinco aumentado 6 mil, 10 mil e 15 mil vezes

Sobre a nanotecnologia

Por estes poucos exemplos, fica claro como são vastas as possibilidades da nanotecnologia. Por isso, são cada vez mais os centros brasileiros que se dedicam ao desenvolvimento tecnológico na área. E o próprio Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) tem demonstrado a preocupação de estimular estas iniciativas, na avaliação de Ferreira. Ele cita, por exemplo, a criação do Sistema Nacional de Laboratórios em Nanotecnologias (SisNANO), uma rede de pesquisadores e laboratórios de alta qualidade em nanociências e nanotecnologias, coordenada pelo MCTI, como exemplo de política que visa garantir acesso à infraestrutura necessária e à formação de recursos humanos qualificados. No Nordeste, também se destaca a ação do Centro de Tecnologias Estratégicoas do Nordeste (Cetene), em Recife, com seu Laboratório Multiusuário de Nanotecnologia, do qual Ferreira é vice-coordenador.

“Investir em nanotecnologia tem sido uma preocupação do MCTI, que tem procurado integrar os laboratórios de nanotecnologia do país”, afirma Ferreira. “A preocupação com a área é crescente, tivemos recentemente encontros entre representantes da China e da União Europeia para discutir a realização de projetos conjuntos e o desenvolvimento da área de regulamentação, fundamental para dar suporte à atividade, por exemplo, da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa), estabelecendo parâmetros para avaliação de produtos nanotecnológicos.”

Ele destaca a necessidade de aproximar o investidor privado da atividade de pesquisa no campo, para estimular a inovação – seu grupo na UFBA já desenvolve, por exemplo, projetos com empresas como a Petrobras e a Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia (Coelba). O físico também aponta como fundamental a atuação de entidades como a Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) para o desenvolvimento da infraestrutura necessária. “Só um microscópio de transmissão como o que adquirimos custa R$ 4 milhões”, diz. “Por isso, acredito que uma boa solução é a construção de laboratórios multifuncionais ou multiusuários, que podem atender a muitas áreas ao mesmo tempo e ser aproveitados em sua íntegra, como temos tentado concretizar na UFBA e no Cetene.”

Os desafios do muito pequeno ainda são enormes, mas se o Brasil tiver pretensões de ser gigante, o investimento na nanotecnologia associada a diversas outras áreas do conhecimento parece ser, de fato, fundamental. 

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