GNDGrupo de Nanossistemas Diluídos
Informações sobre o GND
Prof. Dr. Arnaldo Naves de Brito (Responsável)
Nosso grupo se preocupa em estudar líquidos voláteis tais com água na presença de nano-estrutura, moléculas e átomos através da espectroscopia eletrônica e iônica. Estas técnicas espectroscópicas também serão utilizadas para estudar nano-sólidos atômicos e moleculares na presença de gases ou em vácuo. Outros estudos envolvendo átomos resfriados a laser, bio-moléculas, moléculas livres e desenvolvimento de técnicas espectroscópicas avançadas serão realizados.
Questões relacionadas a produção e armazenamento de energia que incluam a proteção do meio ambiente são consideradas centrais para a sociedade moderna. Neste contexto o desenvolvimento de novos materiais baseados em conhecimentos produzidos pela ciência básica permitirão o surgimento de formas de geração e armazenamento de energia com as características que se deseja.
Espectroscopia de elétrons aplicada a soluções aquosas
Embora tais processos possam ser obtidos de forma totalmente artificial não seria prudente desprezar que a produção de energia, por exemplo, possa se basear no entendimento de como a natureza transforma energia luminosa em elétrica através da foto-síntese. O Brasil tem mantido invejável liderança em transformar meios de transporte baseados em combustíveis fósseis para aqueles onde fontes renováveis são utilizadas tais como o etanol. Aqui novamente o processo de foto-síntese na cana de açúcar está presente. Desenvolvimentos na produção de etanol para torná-lo menos agressivo ao meio ambiente e mais eficiente estão em curso e para isto antecipa-se que novos catalisadores deverão ser produzidos.Desta forma, seja no caso imediato brasileiro (produção de etanol) ou no caso brasileiro a médio prazo (produção de células fotovoltaicas baratas) um dos desafios apontados por especialistas da área para a comunidade científica brasileira será o entendimento de como o processo da foto-síntese ocorre. Toda a foto-síntese ocorre em meio líquido o que torna crucial adaptar poderosas técnicas espectroscópicas que utilizam elétrons ou íons, usualmente aplicadas em física de superfícies ou ciência atômica e molecular, para que as mesmas operem no estudo da superfície e do corpo de líquidos voláteis. O estudo das pontes de hidrogênio a nível atômico em líquidos como a água constitui um dos importantes desafios para o futuro. Como veremos, este objetivo encontra dificuldades técnicas formidáveis.
Espectro de foto-elétrons da água líquida e vapor de água mostrado ao fundo
Numa etapa posterior de desenvolvimento do país é inevitável que uma nova mudança ocorra onde meios de transporte baseados em combustíveis sejam substituídos por aqueles baseados em armazenamento de carga elétrica. Entende-se que a geração de carga elétrica ainda poderá ser feitas em plantas industriais fixas e altamente eficientes utilizando inclusive etanol. Neste novo modelo de transporte, a eficiência em se armazenar energia elétrica necessita ser melhorada em pelo menos cinco vezes.
Parece improvável a obtenção desta melhora sem a introdução de materiais nano-estruturados já que os mesmo podem tolerar grande estresse mecânico interno durante o processo de carregamento de uma bateria. Neste contexto, nos parece inevitável que um grande esforço seja feito para o entendimento da estrutura eletrônica de conglomerados atômicos e desta forma entender suas propriedades. De fato, conglomerados atômicos passam a ser os blocos básicos para a construção dos novos dispositivos descritos. Em particular, é desejável estudar conglomerados selecionados em relação ao seu número de átomos. Tais estudos tem o potencial de permitir a síntese de novos materiais com maior estabilidade e resistência. Adicionalmente poder-se-á produzir materiais com propriedades óticas e magnéticas customizadas. Por outro lado, o conhecimento da estrutura atômica de conglomerados livres ou quimisorvidos proverá informações sobre os mecanismos catalíticos incluindo aqueles dependentes do tamanho do conglomerado o que tornará possível o projeto racional de novos catalizadores com propriedades específicas.
Novos catalizadores, com discutimos acima, são necessários para otimizar a produção de etanol assim como entram no desenvolvimento de vários setores da industria química onde o Brasil tem uma atividade econômica muito robusta. Finalmente, vale lembrar que conglomerados atômicos livres são os melhores modelos conhecidos para a catálise heterogênea (CH).
Um dos pontos frágeis nos estudos apresentados na literatura até o momento reside no fato de que tais conglomerados, para servirem de modelo mais realista para CH, devem ser estudados no contexto onde os mesmos são expostos a gases comumente presentes nos processos de catálise. Ocorre que o estudo a nível atômico da estutura eletrônica destes sistemas catalíticos é realizado por meio de espectroscopia eletrônica. Como esta técnica envolve a detecção de foto-elétrons, a necessidade de se trabalhar num ambiente de pressão mais realista na faixa de um milibar tem constituído um barreia técnica formidável, já que usualmente os fotoelétrons são perdidos em processos de colisão com os átomos e moléculas dos gases onde os conglomerados estão imersos. Ocorre que, desenvolvimentos recentes feitos por nós permitirão realizar tais medidas sem uma perda tal de foto-elétrons que torne a técnica inviável. Em conjunto com o grupo de física de superfícies da UNICAMP e o Prof. Rubens Brito foi desenvolvido uma linha de luz no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) que permite, em uma de suas bifurcações, estudar conglomerados atômicos além de superfícies líquidas imersas em gases com pressão de até 1 mbar. Tanto o analisador de elétrons com a linha de luz são soluções únicas no mundo até o momento. As técnicas espectroscópias de foto elétrons e íons a serem empregadas ali são : Resonant Auger Spectrocopy (RAS), X-ray photoelectron spectrocopy (XPS), Ultra-violet photoelectron spectroscopy (UPS), "Near Edge X-ray Absorption Fine Structure" (NEXAFS).
Desta forma, o grupo de nano-sistemas diluídos pretende desenvolver num curto prazo o estudo espectroscópico de soluções líquidas e a médio e longo prazo o estudo de conglomerados atômicos. Em relação a esta última linha de pesquisa vale lembrar que a existência de um grupo no departamento de física aplicada que já trabalha com a produção de conglomerados metálicos será fundamental para obtenção mais rápida de resultados. Em sinergia com estas duas linhas de pesquisas do grupo outras envolvendo átomos resfriados a laser, estudo de bio-moléculas, estudo de moléculas livres e desenvolvimento de técnicas espectroscópicas avançadas continuarão a ser realizadas.
Detalhe de um micro-feixe de água, neste caso, exposto a uma pressão dez milhões de vezes menor do que a atmosférica