A Física do mundo nano perde sua rainha

André Neves Ribeiro
10/04/2017

Mildred S. Dresselhaus. [1]
“Perdemos uma gigante – uma cientista e engenheira excepcionalmente criativa que também era um ser humano maravilhoso” [2]. Foi assim que o presidente do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, em inglês), L. R. Reif, informou a comunidade do MIT sobre a morte da lendária Profª Mildred Spiewak Dresselhaus (Millie), que ocorreu em 20 de fevereiro último. A Profª Dresselhaus nasceu em 1930 em Nova York (filha de imigrantes judeus poloneses) e obteve seu doutorado na Universidade de Chicago em 1958, onde estudou com Enrico Fermi. Foi a primeira mulher a atingir o posto de professora titular no MIT (em 1968), onde trabalhou até sua morte, e dentre os vários prêmios foi a primeira mulher a receber a National Medal of Science in Engineering (em 1990) e a primeira pessoa a receber sozinha o prêmio Kavli em nanociência (em 2012). É coautora de 8 livros e aproximadamente 1.700 artigos científicos. Grande incentivadora da presença feminina no universo científico, em 1971 organizou o primeiro Fórum das Mulheres no MIT para discutir os papéis das mulheres na ciência e engenharia [2]. Tamanha é a importância de sua obra, que mesmo os que nunca chegaram sequer a vê-la pessoalmente (como eu), mas que trabalham com nanociência e nanotecnologia, estão se sentindo um pouco órfãos.

A Profª Dresselhaus era conhecida como a rainha da ciência do carbono. Seus trabalhos pioneiros sobre nanotubos de carbono, por exemplo, deram a direção do desenvolvimento de um novo ramo da nanociência e nanotecnologia a base de carbono. Nanotubos de carbono (de parede simples) podem ser visualizados como uma folha de grafeno (átomos de carbono formando uma estrutura bidimensional semelhante a um favo de mel) enrolada formando um cilindro. As diversas maneiras como o grafeno pode ser enrolado são caracterizadas por dois números inteiros (n,m). Acontece que se 2n+m=3p (p é um número inteiro) o nanotubo é um metal, senão, ele é um semicondutor [3]. Essa característica única de mudar drasticamente suas propriedades elétricas devido a geometria (como o é enrolado) faz dos nanotubos de carbono um elemento absolutamente fundamental para a spintrônica [4].

Em janeiro de 2004 a Profª Dresselhaus deu uma entrevista ao programa Roda Viva (TV Cultura) e contou a seguinte história sobre o início dos estudos com nanotubos: “minha primeira palestra sobre nanotubos de carbono foi feita de modo inesperado. Eu tinha voltado do Japão e ia dar uma palestra (….). A noite toda fiquei pensando no que eu poderia dizer que fosse de interesse do público, então pensei: ‘não seria interessante fazer nanotubos? Eles teriam propriedades pouco comuns’. Fiz a palestra com base em sonho e imaginação. Havia muitos teóricos na platéia. O evento era sobre o flúor, e eu fui a única a falar de nanotubos. Os teóricos ficaram muito interessados, começaram a fazer cálculos sobre os nanotubos, então surgiram estudos, mas não havia nanotubos, ninguém nunca tinha visto um. Eram apenas frutos da imaginação” [5]. Essa primeira palestra da Profª Dresselhaus sobre nanotubos ocorreu por volta de 1985. A descoberta (ou redescoberta [6]) experimental dos nanotubos ocorreu em 1991 pelo pesquisador japonês Sumio Iijima [7].

Nessa mesma entrevista ao Roda Viva a Profª Dresselhaus disse: “(…) hoje tratamos de muitos temas cuja ciência nós não entendemos. Desse ponto de vista, a tecnologia não é possível. Temos alguma nanotecnologia, essa área continua crescendo a cada ano, mas, no que se refere a novos caminhos, temos, por exemplo, a construção “tijolo a tijolo” para os avanços em eletrônica. Os componentes eletrônicos estão cada vez menores. Em breve eles serão tão pequenos, que estarão próximos em tamanho das moléculas. Podemos pensar nisso, sobretudo na área de magnetismo” [5]. Pois bem, um grupo de cientistas da Alemanha acaba de descobrir que ondas magnéticas podem existir mesmo em temperaturas onde o material não apresenta mais magnetização [8]. Essa não é uma descoberta no ramo do magnetismo molecular de que tratou a Profª Dresselhaus, mas representa um enorme potencial para a spintrônica, uma vez que essas ondas podem ser usadas para transferir (rapidamente) informação entre os spins de um material mesmo em temperatura alta (sem magnetização macroscópica) [9].

Em um material no estado ferromagnético os spins dos átomos estão alinhados na mesma direção. Aumentando um pouco a temperatura, a magnetização do material diminui, ou seja, a direção de alguns spins se desvia da direção da maioria. No entanto, essa perturbação não fica localizada, ela se propaga pelo material como uma onda, chamada onda de spin ou mágnon. Aumentando mais a temperatura, acima de um valor crítico chamado temperatura de Curie TC, o material deixa de ser ferromagnético. A princípio, a existência de mágnons em um material acima de TC seria um paradoxo – como uma perturbação em um estado ordenado ferromagnético pode existir sem que haja o próprio estado ordenado? Bem, em temperaturas acima de TC a magnetização macroscópica resultante do material é nula, porém, é possível que no material existam “ilhas” que observadas isoladamente apresentam ordenamento ferromagnético (as magnetizações das diversas ilhas se cancelam resultando em uma magnetização nula do material). Segundo os autores do trabalho recém publicado, mágnons podem existir nessas ilhas [8, 9].

O que a Profª Dresselhaus acharia dessa descoberta?

[1] Crédito da imagem: Official White House Photo by Pete Souza / Wikimedia Commons [Public domain]. URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Barack_Obama_greets_Burton_Richter_and_Mildred_Dresselhaus_(cropped).jpg.

[2] MIT News. Institute Professor Emerita Mildred Dresselhaus, a pioneer in the electronic properties of materials, dies at 86. URL: http://news.mit.edu/2017/institute-professor-emerita-mildred-dresselhaus-dies-86-0221. Acesso: 09 de abril (2017).

[3] R Saito, G Dresselhaus and MS Dresselhaus. Physical Properties of Carbon Nanotubes. London: Imperial College Press (1998).

[4] AN Ribeiro. Spintrônica: a construção de um admirável mundo novo já começou! Saense. URL: http://www.saense.com.br/2016/10/spintronica-a-construcao-de-um-admiravel-mundo-novo-ja-comecou/. Publicado em 10 de outubro (2016).

[5] Memória Roda Viva. Mildred Dresselhaus (26/1/2004). URL: http://www.rodaviva.fapesp.br/materia/309/entrevistados/mildred_dresselhaus_2004.htm. Acesso: 09 de abril (2017).

[6] M Monthioux and VL Kuznetsov. Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubes? Carbon 44 (9), 1621 (2006).

[7] S Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 (1991).

[8] HJ Qin et al. Temperature Dependence of Magnetic Excitations: Terahertz Magnons above the Curie Temperature. Physical Review Letters 118, 127203 (2017).

[9] M Buchanan. Focus: Magnetic Fluctuations without a Magnet. https://physics.aps.org/articles/v10/31. Acesso: 09 de abril (2017).

Como citar este artigo: André Neves Ribeiro. A Física do mundo nano perde sua rainha. Saense. URL: http://www.saense.com.br/2017/04/a-fisica-do-mundo-nano-perde-sua-rainha/. Publicado em 10 de abril (2017).

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Doutor em Física. Professor do Instituto Federal de Sergipe. Escreve sobre Spintrônica no Saense.

3 thoughts on “A Física do mundo nano perde sua rainha”

  1. Claudio, o texto trás seguinte afirmativa: “Acontece que se 2n+m=3p (p é um número inteiro) o nanotubo é um metal, senão, ele é um semicondutor [3]”. Minha dúvida: é sabido que o elemento carbono é um não-metal (ou ametal) e que o nanotubo é composto por grafeno que só possui átomos de carbono, portanto não poderia ser chamado de “metal” como afirma o texto. Estou correto?

  2. Oi Carlos,
    Realmente sua dúvida é bastante pertinente. O que acontece é que em Física do Estado Sólido o termo “metal”, além de designar um material cujos elementos químicos constituintes se unem através de ligações químicas do tipo metálica, também designa um material cuja estrutura de bandas de energia não apresenta uma banda proibida entre a banda de valência e a de condução ou que possui bandas de energia parcialmente preenchidas, ou seja, um bom condutor elétrico (mesmo em temperaturas muito baixas). Nesse último caso, o termo “metal” comporta-se como equivalente à expressão “material com banda de energia metálica”. Um artigo no saense que comenta um pouco sobre bandas de energia está em http://www.saense.com.br/2016/11/existem-mais-coisas-na-natureza-do-que-imagina-nossa-va-filosofia/. Especificamente sobre nanotubos de carbono, essa nomenclatura pode ser verificada na pg. 61 da Ref. [3] (um dos autores desse livro é exatamente a Profª Mildred S. Dresselhaus).
    Por outro lado, caro Carlos, seu comentário dá a oportunidade de deixar mais rigorosa a afirmativa “se 2n+m=3p (p é um número inteiro) o nanotubo é um metal, senão, ele é um semicondutor”. É o seguinte: quando o nanotubo é muito estreito, essa regra pode ser violada. Por exemplo, o nanotubo (5,0), que por esta regra seria um semicondutor, na verdade é um metal (tem banda de energia metálica). Um artigo onde é apresentado uma explicação para essa violação é Eur. Phys. J. B 74, 527-533 (2010), de autoria de AN Ribeiro e CA Macedo.
    Obrigado por seu comentário e abraço.

  3. Obrigado André pela sua disposição em tirar minha dúvida. O termo “nanotubo é um metal” significa ” o nanotubo se comporta como um metal”. Ótimo! Também li o outro artigo. Você deve ter percebido que não sou Físico, sou Geólogo e portanto muito mais afeito à química dos sólidos (Cristalografia), mas sou um “curioso” das ciências exatas em geral e me interessei em ler o livro citado ( R Saito, G Dresselhaus and MS Dresselhaus. Physical Properties of Carbon Nanotubes. London: Imperial College Press (1998)). Poderia me dar uma dica de como posso encontrá-lo? Agradeço antecipadamente seu empenho. Um abraço.

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