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Universo Racionalista

Brasileiros e indianos produzem cristal com grande potencial de aplicações

Publicado em 13 março 2020

Por José Tadeu Arantes | Agência FAPESP

Espinélios são óxidos com fórmulas químicas do tipo AB2O4, em que A é um cátion (íon positivo) metálico bivalente; B, um cátion metálico trivalente; e O, o oxigênio. Devido à configuração espacial da molécula, os espinélios são valorizados pela beleza. Mas, além da aparência, espinélios nos quais o cátion trivalente B é constituído pelo elemento crômio (Cr) têm despertado grande interesse por outro motivo: apresentam propriedades magnéticas com grande potencial de aplicação tecnológica – de sensores de gases a portadores de drogas, de mídias para armazenamento de dados a componentes de sistemas de telecomunicações.

Um estudo realizado por pesquisadores brasileiros e indianos investigou um tipo peculiar de espinélio: o cromito de manganês dopado com zinco. Nanopartículas desse material, descrito pela fórmula Mn0.5Zn0.5Cr2O4 [na qual o manganês (Mn) e o zinco (Zn) compõem o cátion bivalente A], foram sintetizadas em laboratório e calculadas por meio da Teoria do Funcional de Densidade (Density Functional Theory ou DFT) – um método derivado da mecânica quântica usado em física dos sólidos e em química para resolver estruturas cristalinas complexas.

Diversas técnicas de análise – difração de raios X, difração de nêutrons, espectroscopia de raios X e espectroscopia Raman – permitiram determinar as propriedades estrutural, eletrônica, vibracional e magnética do material. Artigo a respeito foi publicado pelo grupo no Journal of Magnetism and Magnetic Materials: “Structural, electronic, vibrational and magnetic properties of Zn2+ substituted MnCr2O4 nanoparticles”.

O estudo teve a participação de pesquisadores do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF), um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) apoiados pela FAPESP.

O óxido de manganês e crômio dopado com zinco apresenta uma transição de fase magnética quando resfriado à temperatura de 19 kelvin (-254,15 Celsius), passando de paramagnético a antiferromagnético.

Vale lembrar que materiais paramagnéticos são aqueles afetados por um campo magnético externo. Isso ocorre porque seus átomos ou moléculas apresentam um elétron com spin desemparelhado. Já um ímã, isto é, um material magnético propriamente dito, possui vários elétrons desemparelhados e organizados. É o efeito cumulativo desses elétrons que produz a atração magnética. Nos materiais antimagnéticos ou antiferromagnéticos, os spins de todos os elétrons apresentam-se emparelhados: para cada elétron com spin para cima existe, em correspondência, um elétron com spin para baixo. Por isso, eles não respondem de forma perceptível à presença de campos magnéticos externos moderados.

“O interesse por esse material se deve às suas propriedades magnéticas”, disse à Agência FAPESP o químico Elson Longo, professor emérito do Departamento de Química da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e diretor do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF). Ele foi um dos signatários do artigo em pauta.

“Os estudos convencionais consideram as propriedades magnéticas de forma genérica, a partir do sistema como um todo. Mas nós desenvolvemos um método quântico que permite determinar as propriedades magnéticas a partir das morfologias das superfícies da estrutura cristalina dos materiais. Desse modo, antes mesmo de sintetizar um material, conseguimos prever teoricamente suas propriedades magnéticas. No caso específico, sabíamos que o zinco promoveria o aumento da superfície com propriedades magnéticas – o que de fato ocorreu”, informou o pesquisador.

Segundo Longo, para ser bem compreendido, um cristal deve ser considerado em três escalas diferentes. “Na longa distância, temos o cristal inteiro. Na curta distância, temos o menor cluster de átomos possível. Na média distância, temos a interação entre dois ou mais clusters. Se o cluster estiver perfeitamente ordenado, ele não apresentará comportamento paramagnético e muito menos magnético. Porque, para cada elétron com spin para cima, haverá, em contrapartida, um elétron com spin para baixo. Mas, se for feita alguma alteração – por exemplo, se forem modificados os ângulos das ligações químicas –, podem surgir elétrons desemparelhados. E o material se tornará paramagnético ou até mesmo magnético”, disse.

Essa perturbação também pode ocorrer devido a interações de média distância. Portanto, o magnetismo tem a possibilidade de ser produzido tanto devido a alterações na curta ou na média distância. Então, o mesmo material pode apresentar propriedades diferentes, dependendo da variação de certos parâmetros. E isso tem a ver com a maneira como o material é sintetizado.

“O CDMF tem concentrado estudos para identificar materiais muito baratos com propriedades bactericidas e fungicidas. Uma das aplicações seria a produção de embalagens para a melhor conservação de alimentos. Outra frente é identificar materiais anticancerígenos inorgânicos. Uma terceira linha de pesquisa é encontrar materiais fotodegradadores, isto é, capazes de degradar moléculas orgânicas, transformando-as em gás carbônico e água. Esses materiais poderiam ser utilizados para purificar os rios contaminados por poluentes”, afirmou Longo.