Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia dos Materiais em Nanotecnologia

A diretriz da Divisão de Pesquisa é a de dar apoio às outras duas divisões: Inovação e Ensino, por meio do estudo e do desenvolvimento de materiais cerâmicos avançados. O conhecimento gerado por meio da pesquisa básica desenvolvida pela DP será empregado, direta ou indiretamente, para ajudar na resolução de problemas colocados pela indústria, assim como demandas por novos materiais, processos e produtos. Essas novas percepções derivadas da pesquisa básica também serão de uso direto no processo de educação de estudantes de nível médio, graduação e pós-graduação.

Em virtude do caráter multidisciplinar do Instituto, operando em diferentes Campi a meta principal será utilizar um sistema para interligar permanentemente os laboratórios, pesquisadores e estudantes, como uma solução rápida e conveniente para a solução das comunicações cotidianas.

Métodos químicos para síntese serão utilizados como ponto central para o desenvolvimento destes projetos de pesquisa. Por outro lado, por intermédio da síntese, obter-se-á do ponto de vista nanométrico: pigmentos mais estáveis e reprodutíveis, catalisadores e sensores mais eficientes, além de materiais com propriedades ópticas, elétricas e magnéticas diferenciadas.

As metas e justificativas mais importantes para cada tópico Relacionado às Divisões de Pesquisa, Inovação e Difusão do Conhecimento do presente projeto estão sumarizadas a seguir:

Síntese Química
A proposta básica dessa pesquisa é a de entender o processo de cristalização de algumas fases cerâmicas processadas pelos métodos dos precursores poliméricos e hidrotermal e hidrotermal assistida com microondas para pós nanométricos. Os filmes finos serão obtidos pelo método dos precursores poliméricos e métodos físicos (sputtering). Um dos objetivos desse projeto, é a de se obter controle sobre a pirólise da matriz orgânica, de modo a se obter uma matriz inorgânica amorfa. Partindo dessa matriz inorgânica, pretende-se estudar o processo de cristalização para se obter pós monofásicos e fracamente aglomerados. No caso específico de filmes finos, auspicia-se controlar o processo de cristalização de modo a favorecer a nucleação na interface entre o filme e o substrato, com o objetivo de obter filmes com alto grau de orientação ou epitaxiais. A caracterização da estrutura da matriz inorgânica amorfa e a correlação entre essa estrutura e as rotas de cristalização fazem também parte desse projeto.
As principais metas estão listadas a seguir:

• Compreensão dos processos de pirólise da matriz orgânica, e como esses processos influenciam o processo de formação da matriz inorgânica amorfa;
• Caracterização da matriz orgânica;
• Caracterização da estrutura da matriz amorfa, principalmente por EXAFS/XANES;
• Correlação entre a estrutura da matriz amorfa e a rota de cristalização;
• Caracterização e controle do processo de cristalização de filmes finos, de modo a favorecer a nucleação na interface substrato/filme;
• Entendimento de quais parâmetros controlam o processo de nucleação de filmes finos.

Materiais Nanoestruturados
Desenvolver novas rotas de síntese para o crescimento de filmes óxidos semicondutores metálicos especificamente para dispositivos eletroquímicos de energia limpa, uma vez que a alta eficiência de PESC, LIDs e SP depende diretamente do desenvolvimento de óxidos semicondutores nanoestruturados;

• Teste da eficiência eletroquímica de nanoestruturas baseadas em SnO2, TiO2, LiCoO2 e RuO2 já desenvolvidas para aplicações específicas como parte do PESC e LIDs;
• Desenvolver e testar nanopartículas de TiO2-anatase em que será depositado um filme de espessura nanométrica (espessura de 1-8 nm) na área exposta destas partículas. Testar a eficiência do filme em dispositivos de PESC quando comparados com TiO2 sem o filme depositado;
• SnO2 tem sido indicado na literatura como um possível substituto para anodos de grafite em baterias de íon lítio. A maioria dos artigos publicados sobre óxido de estanho reporta que anodos estão baseados em filmes finos ou nanopartículas de dióxido de estanho, ligas a base de Sn e compósitos. O uso de nanorods de SnO2 como um eletrodo reversível de elevada capacidade de carga seria muito importante para melhorar a o desempenho das atuais baterias de lítio. Em vista do sucesso no uso de nanotubos de carbono e mais recentemente nanorods de CuO para melhorar a capacidade de armazenamento de lítio do carbono e do CuO respectivamente, é de grande interesse explorar se a forma não esférica das nanopartículas de SnO2 pode melhorar a performance correspondente aplicação. Os pesquisadores deste projeto são capazes de preparar nanorods e nanopartículas de SnO2 e ambas as nanoestruturas combinadas que serão testadas em baterias de lítio subseqüentemente.
• Nanoestruturas de SnO2 dopado com Sb serão  testadas como eletrodo negativo e este é então um dos objetivos a ser alcançado nos próximos anos, uma vez que o antimônio altera marcadamente a condutividade eletrônica do material.

Sinterização a Laser
Os objetivos deste processo são otimizar a metodologia de sinterização a laser para a obtenção de cerâmicas de BTO, puras e dopadas, com modificação na sub-estrutura catiônica ou não,  apresentando alta densidade relativa  e distribuição de tamanho de grão controlada; densificação de filmes espessos desta classe de materiais para obtenção de sensores;  desenvolvimento de um processo de conversão da matriz policristalina para monocristais por homo e heteroepitaxia; desenvolvimento de um processo de texturização para materiais, utilizando /templates/ de PZT-PT, SrTiO3 e LaAlO3; Correlacionar as características de estrutura e morfologia com as propriedades elétricas, dielétricas e ferroelétricas dos compostos.  A principal meta a ser atingida será a otimização da metodologia de produção de materiais cerâmicos com propriedades físicas definidas. 

Materiais Não-Cristalinos
Neste projeto se propõe estudar novas composições do sistema SiO2-Y2O3-Al2O3 e novas rotas de síntese e sinterização de filmes e cerâmicas que apresentem uma melhora nas propriedades necessárias para suas aplicações em fotônica como resistência mecânica, transparência no visível e infra-vermelho, alta concentração de íons ativos, baixo custo de fabricação e alta resistência ao ataque químico. Serão preparados pós cerâmicos nanoestruturados com estruturas e granulometria diversas via método dos precursores poliméricos e processo sol-gel, e cerâmicas destes pós nanoestruturados.
As metas a serem atingidas são:

• Obter os compostos a base de ítria e alumínio para o desenvolvimento dos dispositivos em fotônica;
• Desenvolver cerâmicas translúcidas e transparentes em diferentes regiões do espectro eletromagnético;
• Obtenção de materiais não-cristalinos com morfologia definida por tratamento a laser;
• Desenvolvimento de sensores termoluminescentes.

Materiais Ferroelétricos e Semicondutores:
A proposta básica desse projeto é o entendimento de como as propriedades de filmes finos ferroelétricos são modificadas pela sua microestrutura, e como a dopagem atua na seletividade e sensitividade de sensores de gás e de varistores. Este estudo também visa entender como a microestrutura do material controla a correspondente histerese de filmes ferroelétricos. Com esse objetivo, estudar-se-á duas classes de materiais: camadas de bismuto dos tipos SrBi2NbO9 (SBN) e SrBi2TaO9 (SBT) e perovskitas dos tipos BaTiO3 (BT) e SrTiO3 (ST). O estudo inclui também soluções sólidas dos compostos anteriormente citados, do tipo Ba1-xSrxO3. Entre as cerâmicas semicondutoras estudar-se-á como diferentes dopantes afetam a sensibilidade e a seletividade dos sensores quando usados na detecção de diferentes gases. Serão estudados os sensores baseados em SnO2 e TiO2 , dopados com uma série de metais de transição. O projeto inclui também um estudo sobre a origem da barreira de potencial em varistores baseados em SnO2 e sua dependência sobre diferentes dopantes. Uma parte importante do projeto é a da simulação teórica da interação de várias moléculas gasosas sobre a superfície de semicondutores dopados ou não. As metas mais relevantes inerentes a esta parte do projeto são:

• Preparação de filmes finos de SBT, SBN, ST, BT e BST usando diferentes substratos, com várias microestruturas e graus de orientação;
• Caracterização (microestrutural, cristalina e elétrica) dos filmes obtidos por métodos físicos e químicos;
• Correlação entre microestrutura e propriedades elétricas dos filmes;
• Desenvolvimento de sensores com seletividade e sensitividade controlados por dopantes;
• Desenvolvimento de modelos teóricos para explicar a função dos dopantes sobre os processos de adsorção e de transferência de carga em “clusters” de SnO2 e TiO2;
• Caracterização, por TEM-EDS e HRTEM, de varistores de SnO2 e de posições de dopantes correlatos com a formação de barreiras de voltagem;
• Caracterização eléctrica de varistores de SnO2 usando microcontactos.

Materiais Eletrocrômicos e Ópticos
Dispositivos eletrocrômicos tem um papel importante na economia de energia elétrica, por meio da modulação da energia solar. Esta característica resulta em um conforto térmico ambiental e reduz a quantidade de energia elétrica consumida para regular o clima “indoor”.
No entanto, embora a viabilidade de uso desses dispositivos já esteja comprovada, o uso comercial ainda depende do desenvolvimento de novos materiais, com transmitância variável e durabilidade adequada. Por exemplo, alguns dispositivos pequenos, tais como espelhos automotivos com transmitância variável já estão comercialmente disponíveis.
Neste projeto, uma investigação relevante relacionada à sinterização e crescimento de grão é proposta, incluindo aspectos tais como dopagem e preparação de compósitos com propriedades de transmitância variável e elevada condutividade iônica. As principais metas correspondentes a esta parte do projeto são:

• Correlação das propriedades físico-químicas do polímero com as características dos filmes preparados;
• Estudo de filmes finos electrocrômicos por métodos óticos;
• Verificação da influência de dopantes sobre as propriedades eletrocrômicas e condutividade iônica dos filmes finos;
• Desenvolvimento de materiais compósitos a serem usados como condutores iônicos

Filmes Finos
A motivação para a pesquisa nesta área, tanto em laboratórios industriais e universidades, é a promessa de uma nova geração de microdispositivos avançados, que transformam uma série de tecnologias existentes, criando um mercado da ordem de alguns bilhões de dólares.

• Desenvolvimento de microcapacitores para mémoria DRAM com propriedades reprodutíveis (BBT e BST);
• Desenvolvimento de microcapacitores para mémoria FRAM com propriedades reprodutíveis (SBT and SBN);
• Estudo da corrente de fuga e degradação dos filmes.

Pigmentos Cerâmicos Nanométricos
Pigmento cerâmico é uma área em ciência de materiais marcada por uma notável insuficiência de informações relacionadas a potenciais aplicações. Isto ocorre, em parte, devido a uma falta de coordenação entre grupos de pesquisa e a indústria (Faber-Castell). Alguns destes grupos têm desenvolvido linhas de pesquisa muito interessantes em síntese e processamento de pigmentos avançados, tendo falhado ao relacionar suas descobertas com perspectiva de aplicações industriais como, por exemplo, alternativas para técnicas de produção atual ou ainda melhoria dos processos existentes. Por outro lado, do ponto de vista da indústria, não tem havido interesse entusiástico relacionado a pigmentos avançados, não só devido à falta de pessoal qualificado para a pesquisa básica, como também devido ao uso cotidiano de uma receita metodológica para obter cores para a produção. Os principais objetivos deste tópico são:

• Aprofundar os conhecimentos sobre as matrizes atualmente usadas como hóspedes, para ampliar a faixa de cores e melhorar a estabilidade;
• Obter novas estruturas para hospedar os cátions cromóforos ;
• Desenvolver pigmentos encapsulados;
• Pesquisar pigmentos óxidos;
• Pesquisar novos pigmentos para eventualmente substituir os já existentes, em resposta a motivações de natureza social, econômica, sanitária ou ambiental;
• Sintetizar e processar pigmentos cerâmicos à base de silicato de zircônio;
• Testar, em laboratório, processos industriais de pigmentos;
• Analisar, em escala industrial, a influência da atmosfera sobre a cor dos pigmentos.

Sensores Cerâmicos para Indústria Automotiva
Serão realizadas caracterizações elétricas e microestruturais de cerâmicas de sensores comerciais.  O material cerâmico será sintetizado, conformado e sinterizado. Este material será caracterizado da mesma maneira que as amostras comerciais. As peças produzidas serão modificadas microestruturalmente para ajuste das respostas elétricas.  Por fim, a tentativa de um estabelecimento de um programa de cooperação com uma indústria que importe estas peças cerâmicas para testes das peças desenvolvidas com este projeto.
 
Catalisadores para biodiesel e indústria petroquímica
A partir da resina obtida pelo método dos precursores poliméricos, serão sintetizados catalisadores puros ou suportados sobre óxidos comerciais. Esses catalisadores serão caracterizados, determinando-se as suas propriedades morfológicas e estruturais. Serão testados sistemas para a síntese de biodiesel por reação de transesterificação, com catálise heterogênea. Para tanto, os combustíveis serão obtidos por rota convencional e por microondas e, em seguida, caracterizados conforme norma da ANP.  Também serão testados sistemas para a redução de NO na presença de CO. Busca-se um catalisador que atue em alta temperatura, podendo ser utilizado pela indústria petroquímica em processos de FCC (craqueamento por fluxo catalítico).

Modelagem computacional como uma técnica para projetar e desenvolver e investigar novos materiais
Com o uso de técnicas computacionais, nosso objetivo é duplo: i) fornecer subsídios para o entendimento dos dados experimentais obtidos e ii) conceber novos materiais com propriedades desejadas. Com respeito às aplicações eletrônicas (eletrodos eletrocerâmicos, janelas eletrocrômicas, dispositivos piezoelétricos, células combustíveis, entre outros), modelos computacionais serão usados para investigar como fenômenos locais tais como defeitos, dopagem, etc, alteram as propriedades do bulk do material. Em particular, nós investigaremos a influência de intercalação de íons sobre as propriedades eletrônicas e estruturais de matriz hospedeira, uma vez que este processo é especialmente importante para aplicações eletroquímicas tais como janelas eletrocrômicas ou em eletrodos para baterias iônicas (eg. baterias de Li). Também será determinada a barreira de ativação para a difusão destes íons no material e, assim, calcular-se-á os correspondentes coeficientes de difusão. Com respeito as nanopartículas de óxidos, a principal meta é a previsão de características intrínsecas, campos de força, freqüências vibracionais (IV ou RAMAN), propriedades eletrônicas, dados termoquímicos e parâmetros associados a reações químicas (energias de ativação, estrutura de estados de transição, energias de reação). É também bem conhecido que efeitos nanométricos afetam o gap de banda de materiais semicondutores, os quais são materiais amplamente usados em aplicações fotoquímicas e fotofísicas. Neste contexto, uma outra importante meta deste empenho é investigar como o tamanho de partícula influencia o gap de banda de óxidos semicondutores. Estados eletrônicos induzidos por efeitos de superfície também serão caracterizados. Em consideração ao design de novos materiais, técnicas computacionais serão empregadas para a previsão de estruturas estáveis de composições selecionadas.