O Grupo de Polímeros “Prof. Bernhard Gross” foi criado há mais de 30 anos e continua trabalhando intensamente no desenvolvimento tecnológico e em inovação, dominando técnicas experimentais ainda pouco difundidas pelo mundo
O grupo de Polímeros “Prof. Bernhard Gross” vem desenvolvendo seus trabalhos no Instituto de Física de São Carlos desde meados dos anos 70, quando o pesquisador alemão Bernhard Gross fez algumas visitas à cidade, trazendo grandes idéias de estudos sobre polímeros isolantes e suas propriedades elétricas, bem como seus aspectos teóricos, experimentais e suas aplicações práticas. No final da década de 80, seguindo a tendência dos grandes centros de pesquisa ao redor do mundo, o grupo passou a investigar novas linhas de pesquisa, agregando novas perspectivas ao material que é objeto de suas pesquisas. O estudo intensificou-se sobre o desenvolvimento de novos materiais como polímeros condutores eletrônicos, polímeros luminescentes e polímeros de grande interesse para a Óptica não-linear.
Assim, o grupo de pesquisadores iniciou uma importante etapa de estabelecimento de interações com vários grupos internacionais, fortalecendo trabalhos de cooperação tanto com outros países quanto com outras áreas de pesquisa, como a Química – essencial para o domínio de técnicas de síntese, processamento e caracterização dos novos materiais.
Hoje, mais de três décadas depois de sua criação, o grupo continua em busca de desenvolvimento e inovação científica, contando com a colaboração de pesquisadores de extensa formação, corpo técnico multidisciplinar, infraestrutura experimental com laboratórios equipados com máquinas de última geração e técnicas inovadoras e pioneiras na América Latina.
A área de pesquisa
Polímeros são moléculas muito grandes e lineares – compridas –, composta por unidades iguais que se repetem. “É como uma série de carimbos, iguais, postos no papel seguidamente, um ao lado do outro”, explica o Prof. Dr. Paulo Barbeitas Miranda, docente do IFSC vinculado ao grupo desde 2003.
Estes polímeros podem ser sintéticos, criados em laboratório a partir de reações químicas. Muitos destes polímeros estão em contato conosco todos os dias: são os plásticos industriais, como o polietileno (encontrado em embalagens, em sacolas de mercado, em garrafas térmicas, etc), o PVC, o nylon. Estes polímeros não são naturais, mas fabricados a partir de reações químicas entre componentes líquidos.
Há também, obviamente, polímeros naturais, que são sintetizados dentro dos organismos. O amido é um polímero, conhecido como polissacarídeo, composto por anéis orgânicos que formam a molécula de glicose. A celulose também é um polímero, de estrutura muito similar ao amido, cujas moléculas dão origem às fibras da madeira ou do papel. O DNA também é um exemplo de polímero natural, com suas peculiaridades especiais, já que as combinações não são repetidas, mas aleatórias, unindo diversos tipos de ingredientes, como aminoácidos e proteínas.
O foco do Grupo de Pesquisa do IFSC são os polímeros sintéticos e um grupo especial de polímeros que tem importância para a eletrônica. “A maioria dos polímeros que citamos são moléculas que não conduzem eletricidade; pelo contrário, são isolantes. De fato, os isolantes elétricos são fabricados a partir de plástico. Aqui nós procuramos trabalhar com polímeros que são exatamente o oposto: são condutores de eletricidade e alguns também são emissores de luz”, conta Miranda.
Este tipo de semi-condutores de energia podem ter aplicações importantes em nosso cotidiano, pois além de servir a dispositivos eletrônicos e para iluminação básica, já está sendo utilizado na produção de telas de câmeras fotográficas, aparelhos celulares e telas de pequeno porte em geral. Inclusive, já existem protótipos de telas de grande porte baseadas nesta tecnologia, o que a põe em posição de forte candidata a substituta da tecnologia de LCD utilizada em eletroeletrônicos em geral.
Outra linha de pesquisa mais específica é como se dá o arranjo das moléculas na interface do contato de materiais. Essa linha chama-se “fenômenos de interface” e procura desvendar o movimento das moléculas dos polímeros quando em contato com materiais como o vidro ou algum tipo de metal. “Os dispositivos eletrônicos utilizam metais em sua composição, então é de suma importância aprender como o polímero vai reagir nessa interação, para entender melhor como as cargas elétricas vão entrar em contato com o material, e também para entender seu processo de degradação – um problema muito sério do dispositivo, já que é preciso muitos cuidados de proteção para que o dispositivo não se degrade em poucas horas”, explica o pesquisador.
Assim, investigando a forma como as moléculas se acomodam e como interagem em superfícies, a área tem muito a ver com o que ocorre na interface do contato elétrico com o material. No fim, as diferentes linhas de pesquisa acabam se complementando para o mesmo fim útil de desenvolvimento tecnológico.
Inovação
Um projeto de pesquisa recente de fenômenos de interface, no qual se envolve o professor Paulo Barbeitas Miranda, investiga diversos tipos de moléculas, inclusive polímeros e lipídios (biomoléculas pequenas, presentes em membranas celulares). Estas últimas moléculas têm a característica de não serem solúveis em água, organizando-se em sua superfície. “Se nós despejarmos uma solução de lipídios e água em um recipiente, vamos observar que essas moléculas rapidamente se organizam como um fino carpete de lipídios – o filme – na superfície da água”, explica o pesquisador. O objetivo, então, é desvendar as maneiras de interação destas moléculas com a água e os mecanismos de sua organização neste filme. Muitas técnicas já investigam este tipo de filme fino, mas os pesquisadores do IFSC se interessam por esta interação a nível molecular, um conhecimento muito importante para apreender as forças que levam a um arranjo específico das moléculas na superfície da água. “Queremos entender quais forças dominam o processo de interação nesta interface e determinam que o filme tenha essa ou aquela propriedade”, conta ele.
Outro tipo de filmes que o pesquisador investiga são filmes automontados, ou seja, que se agrupam espontaneamente, formados por polímeros chamados “polieletrólitos”, ou seja, moléculas que possuem muitas cargas elétricas, solúveis em água e que interagem de maneira muito forte com outras moléculas carregadas eletricamente. Assim, o procedimento da pesquisa baseia-se em colocar uma placa de vidro dentro de um recipiente com água, para que a placa de vidro receba uma pequena carga negativa. Se a mesma placa de vidro é mergulhada em um recipiente com uma solução de água de algum tipo de polímero carregado positivamente, novamente a placa atrai estes elétrons e forma uma camada de carga positiva. O processo é interrompido quando a superfície já absorveu carga o suficiente para quase neutralizá-la, mantendo ainda certa carga positiva. Mesmo enxaguando a superfície, a carga não será extraída, possibilitando que o processo se repita com um polímero de carga negativa até que se forme vários filmes da espessura de uma molécula (veja o procedimento na figura abaixo). Este estudo também procura entender como o polímero se liga à superfície, qual é a sua orientação quando em interação com a molécula, quais os efeitos de adicionar outra camada de filme, etc.
Um resultado inovador é a descoberta que, quando se adiciona um cama do polímero, os pedaços da molécula que possuem carga tendem a apontar para a carga oposta que está na superfície, para fazer uma ligação com o substrato. Acrescentando outra camada, parte das moléculas se rearranja para fazer ligação com a carga que está do lado oposto.
Entender essas forças de interação, pode-se, em longo prazo, modificar alguma característica da molécula ou da solução utilizada para que o filme tenha um arranjo diferente, e possivelmente outra propriedade. Do ponto de vista aplicado, os filmes finos já são utilizados na construção de biossensores para diagnóstico de doenças, como é o caso do projeto do Professor Dr. Osvaldo Novais de Oliveira Junior, também do Grupo de Polímeros, e do Professor Dr. Valtencir Zucolotto, do Grupo de Biologia Molecular do IFSC. Os resultados descobertos podem ser utilizados para aprimorar a construção destes biossensores. Aliás, já estão sendo, através da descoberta de que o jato de ar utilizado para secar os filmes depois de mergulhados nas soluções pode “arrastar” as moléculas e reorganizar os filmes, transformando o arranjo das moléculas e prejudicando o funcionamento dos dispositivos.
Espectroscopia
Esses projetos de pesquisa utilizam-se de uma técnica experimental chamado de “Espectroscopia Não-linear”, muito útil para estudar arranjo de moléculas em superfícies. A Espectroscopia é uma técnica de levantamento de dados Físico-Químicos através da transmissão, absorção ou reflexão da energia radiante incidente em uma amostra. “Existem vários outros tipos de Espectroscopia para o estudo de moléculas, mas a técnica não-linear tem a peculiaridade de selecionar apenas as moléculas em superfície, mesmo em soluções muito grandes como um copo de água”, conta Miranda.
Essa técnica foi implantada no IFSC em 2005 e passou a ser o primeiro laboratório na América Latina a utilizá-la. Até hoje, continua sendo o único, ao lado de algumas poucas dezenas de grupos que a tem disponível. A técnica é relativamente recente e está começando a ganhar popularidade e aceitação do mundo acadêmico, fatores para os quais o grupo tem contribuído obtendo, através de sua aplicação, resultados muito relevantes para o desenvolvimento científico e tecnológico do país.
Nicolle Casanova / Assessoria de Comunicação
Data: 6 de maio
