Pesquisadores vinculados ao Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF) – um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) apoiados pela FAPESP – projetaram e construíram um equipamento inovador para irradiação de feixes de elétrons. A máquina permite realizar estudos sobre modificações de materiais semicondutores, abrindo novas linhas de pesquisa em catálise, fotocatálise, sensores, agentes antimicrobianos, materiais magnéticos e antitumorais, entre outros.
Desenvolvido no projeto de doutorado do araraquarense João Paulo de Campos da Costa, sob a supervisão do Prof. Dr. Elson Longo, diretor do CDMF, e de João Paulo Pereira do Carmo, professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo (EESC-USP), o trabalho conta com a colaboração dos professores Adenilson Chiquito e Leonélio Cichetto Júnior, do Departamento de Física da UFSCar, e de Juan Andrés, professor da Universitat Jaume I (UJI), da Espanha, vinculados ao CDMF.
João Paulo realizou seus primeiros estudos no curso Técnico em Elétrica e Eletrônica no Serviço de Aprendizagem Industrial – Senai – “Henrique Lupo” e fez a graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade de Araraquara UNIARA em 2015. Começou na área de pesquisa em 2012 realizando a iniciação científica com a Professora Maria Aparecida Zaghete, do Instituto de Química da UNESP, Campus de Araraquara, e fez seu mestrado na USP com a orientação do Professor João Paulo Pereira do Carmo, com co-orientação do Professor Elson Longo, diretor do CDMF. Durante o mestrado, João Paulo desenvolveu uma plataforma diagnóstica com a colaboração do IQ/UNESP/Araraquara e do Professor Paulo Inácio da Costa, da Faculdade de Ciências Farmacêuticas da UNESP, Campus de Araraquara.
Recentemente foi pesquisador visitante do Wyss Institute na Universidade de Harvard – Boston, EUA, onde atuou como engenheiro responsável pelo desenvolvimento de uma plataforma totalmente automatizada para realização de ensaios eletroquímicos multiplexados com integração de cartucho microfluídico e sensores eletroquímicos em um dispositivo portátil de diagnóstico aplicados para COVID-19 e biomarcadores cardíacos, sob a supervisao do Dr. Donald Ingber e Dr. Pawan Jolly.
O novo aparelho tem custo significativamente baixo – de cerca de US$ 80 mil – em comparação com as tecnologias por feixe de elétrons convencionais, que podem variar entre US$ 500 mil e US$ 3 milhões.
“Criamos uma máquina semi-industrial de média escala reaproveitando peças de equipamentos, a exemplo de um microscópio eletrônico de varredura [MEV] que não estava mais funcionando no laboratório. É um equipamento de baixo custo que na prática muda a visão de obtenção de novos semicondutores por irradiação de elétrons. Já registramos patente de um método para obtenção de semicondutores e agora vamos registrar patente internacional dessa inovação”, diz Elson Longo, diretor do CDMF.
De acordo com o pesquisador, nos últimos anos têm ocorrido aumento significativo na demanda por novos materiais cujas propriedades e funções podem ser manipuladas por meio de novas rotas de síntese ou modificadas por métodos físicos e/ou químicos. Em particular, modificações de materiais utilizando feixe de elétrons por meio da microscopia eletrônica de varredura e transmissão têm sido extensivamente utilizadas não apenas como plataformas de caracterização morfológica, mas também como uma técnica para o processamento e fabricação de novos materiais.
Por meio da técnica é possível obter alta precisão na modificação de materiais por meio do controle da energia utilizada, do ângulo de incidência e do tempo de exposição. A utilização correta desses parâmetros provoca defeitos na estrutura do material, permitindo o aprimoramento ou a indução de propriedades que não são possíveis de serem obtidas por métodos químicos ou físicos convencionais.
Os pesquisadores do CDMF, sediado na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), vêm atuando há tempos nesta área de modificação de materiais por feixe de elétrons por meio das técnicas de microscopia. Com o estreito contato com os grupos teóricos e de simulação, tem sido possível predizer as propriedades dos materiais de acordo com a dose de energia aplicada, encurtando o tempo no desenvolvimento de novos materiais de alto valor tecnológico e inovadores.
Um dos desafios na área de processamento de materiais é tornar a produção escalável e viável, com custo-benefício e fácil procedimento de fabricação. Essa necessidade levou à elaboração e ao desenvolvimento do equipamento de irradiação por feixe de elétrons que passa a ser um diferencial para a produção e modificação desses materiais. Dessa forma, as reações deixam de ser realizadas apenas nos microscópios eletrônicos e podem começar a ser aplicadas em diversos campos de pesquisa.
O sistema de irradiação por feixe de elétrons desenvolvido no CDMF foi projetado para operar com alta tensão de aceleração de elétrons para a rápida modificação dos materiais (em alguns minutos), e possui uma maior área de irradiação para que seja viável a produção em larga escala.
“O equipamento reduz o tempo de processo e distribuição uniforme da energia por feixe de elétrons, permitindo a reprodutibilidades dos materiais irradiados por meio do controle de parâmetros que não são possíveis pelos métodos atuais, como a atmosfera de irradiação [injeção e mistura de gases], tensão nos anodos de aceleração, bem como a possibilidade de realizar medidas elétrica in situ do material durante o processo de irradiação”, explica o pesquisador João Paulo de Campos da Costa.
Diferentes interações
O equipamento foi meticulosamente projetado para diferentes tipos de interações da radiação com a matéria, possibilitando, dessa forma, a modificação de inúmeros tipos de materiais.
Além da irradiação por feixe de elétrons, a máquina pode ser acoplada ao excimer laser (forma de laser ultravioleta) de um equipamento pertencente ao CDMF conhecido como PLD (sigla em inglês de Deposição por Laser Pulsado) para a irradiação e modificação de amostras utilizando um laser de nanossegundos simultaneamente com o feixe de elétrons.
Diversos trabalhos publicados pelos pesquisadores do CDMF abordam o tema relacionado à modificação das propriedades físicas e químicas de materiais quando irradiados por um feixe de laser de femtossegundos. Para impulsionar tais pesquisas o equipamento também já está pronto para a acoplagem de um laser de femtossegundos como fonte externa, o que possibilita a irradiação de materiais com este tipo de laser em ambiente de ultra-alto vácuo e com atmosfera controlada.
Como resultados promissores, os materiais irradiados com o novo equipamento têm sido aplicados no revestimento de superfícies contra a replicação de vírus, como o SARS-CoV-2, aprimoramento de biossensores para diagnóstico médico por meio do aumento da sensibilidade na detecção promovida pela interação do feixe de elétrons com o material e aumento da eficiência de materiais utilizados para a degradação de corantes e poluentes. Além disso, é possível criar novos materiais e estruturas ainda não reportados na literatura.
Outros equipamentos
O CDMF tem um histórico de desenvolvimento de equipamentos inovadores construídos nos laboratórios do Centro, com apoio da FAPESP.
Um exemplo é um equipamento de spin coating construído com a utilização de materiais de baixo custo considerados lixo eletrônico em conjunto com outros componentes, como um microcontrolador arduino, sob a coordenação da Profa. Dra. Lucia Mascaro, docente da UFSCar e integrante do CDMF.
O spin coating, ou deposição de filmes finos por centrifugação, é uma técnica utilizada na preparação de películas com espessura uniforme. Pode ser empregada, por exemplo, para criar camadas microscópicas de óxidos funcionais sobre vidro ou substratos cristalinos, bem como camadas finas de semicondutores sobre substratos para o desenvolvimento de células fotovoltaicas, usadas na geração de energia solar. Resultados do estudo foram descritos em artigo publicado na revista Química Nova. Entre os autores estão Sirlon Blaskievicz e Leandro Soares, doutorandos no Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), além de Lucia Mascaro.
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Outro exemplo é a criação de um sistema de PLD (Pulsed Laser Deposition) utilizado em pesquisa com filmes finos supercondutores e para aplicação em memórias ferroelétricas, investigações sobre o grafeno e nanofios, entre outras, desenvolvido pelo pesquisador Leonélio Cichetto Júnior, que construiu o equipamento durante sua tese de doutorado no CDMF. “O PLD utiliza um feixe de laser pulsado de alta intensidade e energia para bombardear um ou mais alvos em uma câmara de vácuo. O feixe atinge o alvo – um material cerâmico, por exemplo –, que transita do estado sólido para plasma, e o ‘transporta’ até um substrato – superfície a ser revestida –, recobrindo-o”, resume o pesquisador. O equipamento beneficia a investigação dos pesquisadores do Centro e também de outras instituições em outros estados que o utilizam para realizar experimentos.
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Um terceiro exemplo é a criação de uma plataforma laboratorial portátil voltada ao imunodiagnóstico do vírus da hepatite C. O sistema é capaz de se comunicar com dispositivos móveis e possui um módulo de leitura em tempo real por meio de um aplicativo, responsável por adquirir os sinais das reações imunoquímicas entre o antígeno do vírus da hepatite C (VHC) e o anticorpo produzido pelo organismo para combatê-lo (anti-VHC). O trabalho foi desenvolvido no mestrado de João Paulo de Campos Costa e descrito em artigo publicado no periódico IEEE Sensors Journal. Também assinam o artigo Wagner Benício Bastos (UFSCar), Paulo Inácio da Costa (Universidade Estadual Paulista – Unesp), Maria Aparecida Zaghete (Unesp), Elson Longo (UFSCar) e João Paulo Carmo (USP).
Intuitiva e com simples funcionamento, a plataforma é capaz de armazenar o exame do paciente em um cartão de memória e enviá-lo, via e-mail ou pelas redes sociais, ao médico responsável por interpretar o diagnóstico e definir o melhor tratamento.
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