A USP em nanoescala
Para processar e caracterizar uma amostra, ou seja, analisar um material e extrair dele suas propriedades físicas (como transporte de carga e emissão de luz, entre outras), ou químicas (ponto de fusão, ebulição, etc.), são essenciais alguns equipamentos para tornar esse procedimento viável. O Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) era, até pouco tempo, o instrumento mais popular entre os pesquisadores e o mais utilizado para cumprir tal tarefa. Mas, o mundo da pesquisa tem andando em caminhos menores, quase invisíveis, ou seja, cientistas e pesquisadores das diversas áreas, especialmente das ciências básicas, têm se deparado com uma infinidade de novas janelas abertas pela escala “nano”, e consequentemente, para se adaptar melhor ao “admirável mundo novo”, novos equipamentos passam a viabilizar algumas pesquisas científicas.
Um desses equipamentos, o “Focused Íon Beam”, mais conhecido por “FIB”, veio para protagonizar a escala nano. Adquirido recentemente pelo Instituto de Física de São Carlos (IFSC/USP), dentro do projeto do INCT-INOF*, através do docente, Euclydes Marega Jr., o aparelho é considerado uma “estação de nanofabricação” completa.
O FIB, produzido comercialmente há mais de 20 anos, é usado prioritariamente para produção de materiais semicondutores**, e opera de maneira semelhante ao MEV, mas com um importante diferencial: enquanto este último se utiliza de um feixe de elétrons para construir imagens de uma amostra, o FIB tem um plus: feixe de íons (como o próprio nome do equipamento sugere).
Mas, antes de entender a importância desse plus, é importante entender do que se trata o feixe de elétrons. Bombardeamento de elétrons gera energia, ou seja, quando eles são acelerados e concentrados em um feixe, forma-se uma energia muito intensa. Isso se transforma em energia térmica, com altíssimas temperaturas capazes de fundir qualquer metal (a parte fundida é, posteriormente, transformada em vapor).
Já o feixe de íons, com objetivos similares, é mais pesado que o de elétrons e, por esse motivo, é destrutivo, podendo remover materiais da superfície de amostras, o que permitirá que se esculpa, por exemplo, imagens tridimensionais sob a superfície das mesmas. “O feixe de íons tanto pode ser usado para construir uma imagem, como para fazer o processamento de uma amostra”, explica Haroldo Araraki, engenheiro do Grupo de Semicondutores do IFSC.
A FIB é capaz de escrever em superfícies através de escala nanométrica. Para se ter uma ideia, um fio de cabelo é mil vezes maior do que a escrita que o feixe de íons da FIB pode entalhar.
No laboratório de semicondutores, Euclydes e sua equipe utilizam-se da FIB, entre outras coisas, para desenvolver nanomateriais. “As propriedades dos nanomateriais são diferentes dos micro ou macromateriais”, explica o docente. “Quando uma nanoestrutura interage com a luz, por exemplo, ela altera as propriedades ópticas e elétricas do material. Nessa escala de tamanho, a condução elétrica não é a mesma da de um fio de um chuveiro elétrico”, compara.
Agora com uma “estação nanométrica” instalada, Euclydes pode não só explorar propriedades de nanomateriais, mas também criar novos, uma vez que o mundo nano abre, sempre, novas possibilidades. E, com outros diferenciais: muito mais rapidez e velocidade. “Enquanto pelo processo tradicional de feixe de elétrons, um dispositivo demoraria um dia todo para ser feito, além de exigir uma grande infraestrutura, com o feixe de íons o dispositivo fica pronto em alguns minutos”, afirma Haroldo.
No geral, uma FIB é utilizada na indústria de semicondutores, para aplicações como análise de defeitos em materiais em escala nanomátrica, modificação de circuito, reparação de máscaras etc. As imagens produzidas pelo equipamento são da mais alta resolução e estas previnem danos a amostras mais sensíveis de materiais.
Saber lidar com equipamento é construir o futuro
Saber lidar com esse tipo de equipamento, contudo, pode significar a construção da tecnologia do futuro. “Produzir corrente elétrica em escala nanométrica é muito mais fácil, por isso produzem-se efeitos que geram ondas eletromagnéticas. Muitos estudos são voltados para produção de luz, e não eletricidade, nesses meios. Ou seja, em vez de transmitir informações por elétrons, tais informações serão transmitidas por fótons”, prevê Euclydes.
O computador quântico, tão almejado nos dias de hoje, poderá funcionar por esse mecanismo, ou seja, através de propriedades físicas reveladasem nanoescala. Mas, sua construção e conclusão só serão possíveis uma vez que “correntes de luz” (e não somente elétricas) passem pelos semicondores e em interfaces semicondutor-dielétrico. As vantagens num computador desse tipo? Processamento mais rápido de informações, menos perda de energia e superaquecimento. “Um computador, nos dias de hoje, gasta mais energia esfriando seu processador do que para mantê-lo funcionando. Nesse novo mecanismo, a perda de energia por luz é muito menor e o superaquecimento é quase inexistente”, compara Euclydes. “Isso porque a condução elétrica gera calor, o que não acontece com a luz”.
Portanto, ter em mãos conhecimento e equipamentos avançados, sem dúvidas, é um grande passo em direção ao desenvolvimento tecnológico e científico. A USP já tem ambos em mãos, o que a coloca no fronte das pesquisas em escala nanométrica, indicando que, em pouco tempo, todos poderão usufruir desse mundo de tamanho quase invisível, mas de importância tecnológica inversamente proporcional ao seu tamanho.
*Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia; Instituto Nacional de Óptica e Fotônica
**materiais sólidos, geralmente cristalinos, com condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes.
