Um projeto que reúne pesquisadores dos Estados Unidos e do Brasil para estudar defeitos estruturais em sistemas à base de grafeno por meio de estudos sobre propriedades químicas do material em nível quântico foi apresentado na FAPESP Week Nebraska-Texas, realizada de 18 a 22 de setembro nos Estados Unidos.

Francisco Bolivar Correto Machado, pesquisador titular do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), e Hans Lischka, professor associado do Departamento de Química e Bioquímica da TTU, coordenam o projeto, selecionado em chamada do SPRINT (São Paulo Researchers in International Collaboration).

O projeto investiga, principalmente, propriedades de estados excitados de nanoestruturas de carbono, como o grafeno e seus análogos; características de estruturas formadas por espécies absorvidas quimicamente em folhas de grafeno; e a absorção física e química de metais de transição em grafeno visando aplicações em spintrônica – área que explora a propensão quântica dos elétrons de girar (spin) – bem como aplicações para o estado de suas cargas.

Uma das formas cristalinas do carbono – assim como o diamante e o grafite –, o grafeno é considerado um dos materiais mais promissores para aplicações em nanoeletrônica. Extremamente resistente e excelente condutor de eletricidade, o grafeno não é fácil de ser produzido. E qualquer defeito, por mais minúsculo que seja – em medidas na casa dos bilionésimos de metro –, pode inviabilizar o potencial do novo material.

“Em nosso projeto, abordamos temas como a descrição da estrutura eletrônica de estados excitados de defeitos com o uso de modelos estendidos, reatividade química, dopagem química e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos como modelos para interações em folhas de grafeno”, disse Machado.

A colaboração já resultou em várias publicações em revistas de alto impacto, como, em 2017, How to efficiently tune the biradicaloid nature of acenes by chemical doping with boron and nitrogen (Physical Chemistry Chemical Physics) e Single and double carbon vacancies in pyrene as first models for graphene defects: A survey of the chemical reactivity toward hydrogen (Chemical Physics). Há quatro outros artigos em preparo para publicação.

Machado e Lischka, em colaboração com outros pesquisadores, organizam a 3a Escola de Química Computacional – Theory of new materials at atomistic level: Graphene, Graphene Defects and π-Conjugated Polyradical Systems, que ocorrerá em Ribeirão Preto (SP) de 11 a 14 de dezembro.

Certeza e incerteza

Bill Poirier, professor no Departamento de Química e Bioquímica da TTU, falou sobre o projeto “Fermi accelerators, inverse fermi accelerators, nonadiabatic dynamics and quantum trajectories: towards a method for electron dynamics”, que realiza com o professor Mahir Saleh Hussein, coordenador do Grupo de Astrofísica Não Convencional no Instituto de Estudos Avançados da Universidade de São Paulo (IEA-USP).

Selecionado em recente chamada SPRINT e ainda no início, trata-se de um projeto de física teórica. “Nosso objetivo é resolver problemas de mecânica quântica relacionados a trajetórias. Queremos encontrar soluções que sejam tanto dependentes quanto independentes do tempo e aplicações possíveis em dinâmica de elétrons”, disse.

“Em colaboração anterior com o professor Hussein – que tem mais de 340 artigos publicados, incluindo 71 na Physical Review Letters e na Physics Letters –, desenvolvemos uma formulação nova para a mecânica quântica baseada em trajetória, na qual a onda não tem papel”, disse.

Poirier comentou que Max Planck preferia descrições “realistas” do mundo físico, assim como Albert Einstein. “Gosto de pensar que Planck apreciaria nossa abordagem, que é uma teoria quântica muito realística e ontológica, mas, como ele mesmo colocou, nada é provavelmente um maior obstáculo ao desenvolvimento bem-sucedido de uma nova hipótese do que ultrapassar suas fronteiras”, disse.

A abordagem de Poirier e Hussein tem como base o clássico sistema quântico da partícula em uma caixa. Trata-se de um problema teórico em que uma partícula em movimento dentro de uma caixa se choca com seus lados sem poder escapar, mas também sem perder energia.

Na mecânica clássica, a solução é que a partícula se move em linha reta a uma velocidade constante até que rebate em uma das paredes. Ao rebater, a velocidade é alterada apenas na componente perpendicular à parede, que troca de sinal. O módulo da velocidade não se altera. Uma das soluções possíveis é uma partícula estacionária, com velocidade zero.

O problema ganha complexidade na mecânica quântica e os resultados não são mais intuitivos. A partícula só pode ter certos níveis de energia específicos e o zero não se encaixa mais nesse cenário. Além disso, até mesmo detectar a partícula dentro da caixa não é mais garantido. A partícula pode estar em posições impossíveis de serem detectadas. Da certeza, pula-se para a incerteza.

“Com base na partícula em uma caixa, podemos perguntar o que aconteceria, por exemplo, se uma parede da caixa passasse a se mover? As duas perspectivas, a clássica (que lida com trajetória) e a quântica (onda), parecem fornecer respostas radicalmente diferentes”, disse Poirier.

“O significado fundamental é que passamos a investigar se a natureza se comporta como onda ou como partícula. Isso é teoria. Na prática, o modelo poderá se mostrar muito útil para processos importantes que ocorrem tanto na física nuclear quanto na físico-química”, disse.

Altas energias

Sergio Ferraz Novaes, professor titular da Universidade Estadual Paulista (Unesp) e coordenador do São Paulo Research and Analysis Center (SPRACE), falou sobre o projeto que conduz com Nural Akchurin, professor e chefe do Departamento de Física e Astronomia da TTU. O projeto “SPRACE-Unesp and TTU collaboration in high-energy physics in the Compact Muon Solenoid experiment at the Large Hadron Collider” foi selecionado em chamada do SPRINT.

“Os grupos de pesquisa da TTU e do SPRACE são grupos ativos na Colaboração CMS no CERN [European Organization for Nuclear Research]. Ambos os grupos têm uma postura de participação e liderança nas atividades de análises em Física além do Modelo Padrão. Espera-se que, após a descoberta do bóson de Higgs, a atenção da comunidade se volte para essa direção”, disse Novaes.

O Modelo Padrão da Física de partículas é uma teoria que descreve as forças fundamentais forte, fraca e eletromagnética. Descreve também as partículas fundamentais que constituem a matéria.

“Nossos interesses comuns incluem a procura por um candidato à matéria escura, uma nova forma de matéria que ajudaria a explicar algumas das correntes observações em cosmologia. Também buscamos novas ressonâncias, previstas em muitas classes de modelos de Física além do Modelo Padrão”, disse Novaes.

Além de pesquisa fundamental em Física de Altas Energias, Novaes explica que o projeto pretende também promover inovação, treinamento, educação e divulgação. “Pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias, parcerias com instituição acadêmicas e com empresas, promover conhecimento em campos avançados, treinar professores do ensino médio e compartilhar o conhecimento com a sociedade são outros objetivos do projeto”, disse.

Mais informações sobre a FAPESP Week: www.fapesp.br/week2017/nebraska-texas.