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Edital MCT/CNPq/CT-Infra/CT-Petro/Ação Transversal IV Nº 16/2008 "Casadinho"
Síntese e Estudo das Propriedades Magnéticas e
de Transporte Eletrônico em Materiais
Magnéticos Nanoestruturados
Nome do Coordenador (proponente)
Prof. Dr. João Maria Soares,
Professor Adjunto e Coordenador do Curso de Mestrado em Física da UERN
e-mail: [email protected]
Instituição Proponente
Departamento de Física
Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN)
Campus Universitário Central, Setor II
59610-090 Mossoró, Rio Grande do Norte, Brasil
CNPJ: 08.258.295/0001-02
Fone/Fax: (84) 3315-2196
1. Informações sobre os Programas de Pós-Graduação
Os Grupos de Pesquisa que participam desta proposta fazem parte dos
Programas de Pós-Graduação em Física da UERN e da UFPE. Um breve histórico destes
Programas, considerando os critérios de avaliação e conceito da CAPES será feito a
seguir.
1.1. Programa de Pós-Graduação em Física da UERN
O Programa de Pós-Graduação em Física da UERN tem como objetivos
principais formar mestres altamente qualificados em física e desenvolver
pesquisas, na área de Física da Matéria Condensada, de grande interesse científico
e tecnológico na atualidade. O programa pretende ser um centro formador de
recursos humanos para as instituições de ensino superior e empresas de
tecnologias, contribuindo positivamente para o desenvolvimento sócio-econômico
do estado do Rio Grande do Norte e do Nordeste.
O Departamento de Física da UERN, localizado no Campus Central, em
Mossoró, foi fundado em 1995 e seu recente Curso de Mestrado foi aprovado na
97a reunião do Conselho Técnico e Científico - CTC da CAPES (julho/2007), com
conceito 3(três), na Área de Física da Matéria Condensada e homologado pelo
Conselho Nacional de Educação - CNE através da Portaria Nº87-DOU de
18/01/2008 e Parecer 277/2007-Pag 30 a 33, 17/01/2008.
O Mestrado em Física da UERN, conta com 12 (doze) docentes
doutores/pesquisadores no corpo permanente. Apesar de não ser um curso de
mestrado interinstitucional, esse corpo permanente conta com a participação de
três doutores/pesquisadores da Universidade Federal Rural do Semi-Árido
UFERSA, Instituição fisicamente vizinha (distante 200 metros) da UERN. As suas
atividades de ensino e pesquisa iniciaram-se em Março/2008, contamos
atualmente com 5(cinco) estudantes.
1.2. Programa de Pós-Graduação em Física da UFPE
O Programa de Pós-Graduação em Física do Departamento de Física da
UFPE tem como objetivo principal a formação de recursos humanos qualificados,
em níveis de Mestrado e de Doutorado em Física, e a concomitante realização de
atividades de pesquisa em Física Básica (teórica e experimental) e Física Aplicada,
originais e de qualidade internacional.
O Departamento de Física da UFPE, localizado no Campus da Cidade
Universitária, em Recife, foi fundado em 1968 e seu Programa de Pós-Graduação
iniciado em 1973 com o curso de Mestrado. A partir de 1975 foi criado o
Doutorado, tendo esses dois Cursos sido credenciados pelo Conselho Federal de
Educação em 1980. Atualmente o Programa ocupa a classificação máxima (7) na
avaliação trienal realizada pela CAPES. O Programa tem mantido uma formação
contínua de Mestres e Doutores, tendo formado até hoje 261 Mestres e 93
doutores em Física, que atuam em Centros de Pesquisa e de Pós-Graduação nas
diversas regiões do país e do exterior. Desde o estabelecimento dos primeiros
grupos de pesquisa em 1971, seus pesquisadores já publicaram cerca de 1.600
trabalhos científicos em revistas internacionais indexadas, com uma produtividade
média no triênio anterior (2004-2006) de 2,5 trabalhos por pesquisador por ano.
Durante o ano de 2007, o Programa contou com 33 docentes em seu
quadro permanente, 01 docente visitante estrangeiro bolsista PVE/CAPES, 13
pesquisadores em programa de pós-doutorado, e mais de 80 estudantes em
programa de pós-graduação. Cerca de 80% dos docentes permanentes do
Programa de Pós-Graduação são Bolsistas de Produtividade em Pesquisa do CNPq,
sendo 19 bolsistas em nível 1 e 06 bolsistas em nível 2.
2. Área de Concentração, Linhas de Pesquisa, Projetos e Trabalhos
Científicos
Os Grupos de Pesquisa envolvidos nesta proposta têm em comum a mesma
área de concentração: Física da Matéria Condensada. As linhas de pesquisa em que
esses grupos atuam são:
Materiais Magnéticos e Propriedades Magnéticas (UERN/UFPE);
Materiais Dielétricos e Propriedades Dielétricas (UERN).
Dentro das linhas de pesquisa citadas, os pesquisadores destes Grupos
desenvolvem atualmente uma série de projetos experimentais e teóricos, como são
mostrados sucintamente a seguir.
I. Título: Síntese e Estudo das Propriedades Magnéticas de Nanopartículas
Magnéticas, aprovado no Edital de Jovens Pesquisadores Edital MCT/CNPq nº
09/2007.
Este projeto pretende consolidar as competências do grupo de magnetismo
experimental da UERN em Nanociência e Nanotecnologia (N&N) ampliando sua
infra-estrutura física de pesquisa. Este trabalho também visa à formação de
recursos humanos incluindo estudantes de iniciação científica e mestrandos do
programa de Mestrado em Física da UERN. A proposta de pesquisa em N&N divide-
se em duas partes. Na primeira, produzir e estudar as propriedades magnéticas de
nanopartículas de núcleo/camada altamente cristalinas compostas por materiais
magnéticos duros e moles para aplicação em ímãs permanentes de alto
desempenho e dispositivos de armazenamento de dados. Na segunda, produzir e
estudar as propriedades magnéticas da liga granular FeAg.
II. Título: Preparação e estudo das propriedades magnéticas de nanocompósitos de
CoFe2O4/CoFe e CoFe/CoFe2O4, aprovado no Edital Universal Edital MCT/CNPq nº
15/2007. Neste projeto pretende-se produzir nanopartículas magnéticas de
núcleo/camada altamente cristalinas com materiais magnéticos duros e moles para
aplicação em ímãs permanentes de alto desempenho e dispositivos de
armazenamento de dados. A fase magnética dura proporciona uma alta
coercividade e a fase magnética mole uma alta magnetização de saturação que
combinadas podem produzir ímãs permanentes com grande produto de energia.
III. Título: Projeto de Infra-estrutura de Pesquisa do Programa de Pós-Graduação em
Física da UERN, aprovado no Edital Pró-Equipamentos No 01/2007 CAPES. Esta
proposta tem como objetivo a aquisição de 02 (dois) equipamentos destinados a
complementar a infra-estrutura dos laboratórios de pesquisa existentes na
Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN), a citar: Laboratório de
Análises Magnética e Óptica (LAMOp) e Laboratório de Preparação de Amostras.
Os equipamentos são: um difratômetro de raios-X e o moinho planetário de bolas.
IV. Título: Efeitos dipolares em sistemas manoestruturados, aprovado no Edital
003/2007 Programa Primeiros Projetos PPP da FAPERN. O presente projeto
contempla a participação de grupos de pesquisa de duas Universidades públicas do
estado do Rio Grande do Norte (UFRN e UERN) e tem caráter multidisciplinar,
incluindo pesquisadores das áreas de Física e Farmácia. Visa à otimização de
algoritmos para investigar interações dipolares nas fases magnéticas, estabilidade
térmica de sistemas nanomagnéticos estruturados e de partículas magnéticas para
vetorização de fármacos.
V. Título: Produção e Estudo das Propriedades Magnéticas de Nanocompósitos para
Uso em Ímãs Permanentes de Alto Desempenho, aprovado no Edital 003/2007
Programa Primeiros Projetos PPP da FAPERN. O objetivo deste projeto é a
preparação, caracterização estrutural e magnética de nanocompósitos altamente
cristalinos de Fe2CoO4/FeCo e FeCo/Fe2CoO4 para uso em ímãs permanentes de
alto desempenho.
As experiências prévias desses grupos na área do presente Projeto podem ser
aferidas pelos diversos artigos publicados, citados a seguir:
1) SOARES, J. M., de ARAÚJO, J. H., CABRAL, F. A. O., MACHADO, F. L. A.,
DUMELOW, T., XAVIER Jr, M. M., SASAKI, J. M. Particle size distribution in FeAg
granular alloy. Journal of Non-Crystalline Solids. , 2008. (em impressão)
2) CABRAL, F. A. O., MACHADO, F. L. A., ARAÚJO, J. H., SOARES, J. M., RODRIGUES,
A. R., ARAÚJO, A. Preparation and Magnetic Study of the CoFe2O4-CoFe2
Nanocomposite Powders. IEEE Transactions on Magnetics., 2008. (em
impressão)
3) GONCALVES, L. A. P., SOARES, J. M., MACHADO, F. L. A., AZEVEDO, W. M. GMI
effect in the low magnetostrictive Co70Fe5Si15B10 alloys. Physica. B, Condensed
Matter. , v.384, p.152 - 154, 2006.
4) GONCALVES, L. A. P., SOARES, J. M., MACHADO, F. L. A., RODRIGUES, A. R. Hall
and giant magnetoimpedance effects in the Co70Fe5Si15B10 metallic glass.
Journal of Non-Crystalline Solids., v.352, p.3659 - 3662, 2006.
5) MOREIRA, M. L., SOARES, J. M., AZEVEDO, W. M., RODRIGUES, A. R.,
MACHADO, F. L. A., ARAÚJO, J. H. Structural and magnetic properties of
nanoparticles of La2/3Sr1/3MnO3. Physica. B, Condensed Matter., v.384, p.51 -
53, 2006.
6) SOARES, J. M., MACHADO, F. L. A., ARAÚJO, J. H., CABRAL, F. A. O., GINANI, M.
F. Fe interpaticle interactions in FexAg100-x granular alloys (2<x<50). Physical
Review B - Condensed Matter and Materials Physics. , v.72, p.184405, 2005.
7) BORGES, F. M. M., MELO, D. M. A., CAMARA, M. S. A., MARTINELLI, A. E.,
SOARES, J. M., ARAÚJO, J. H., CABRAL, F. A. O. Magnetic behavior of
nanocrystalline MnCo2O4 spinels. Journal of Magnetism and Magnetic
Materials., v.302, p.273 - 277, 2005.
8) MORALES, M. A. ; Finotelli, P.V.; COAQUIRA, J. A. H. ; Rocha-Leão, M. H.; Diaz-Aguila, C;
BAGGIO-SAITOVITCH, E. M. ; ROSSI, A. M. . In situ synthesis and magnetic studies of
iron oxide nanoparticles in calcium-alginate matrix for biomedical applications.
Materials Science & Engineering. C, Biomimetic Materials, Sensors and Systems, v. 28,
p. 253-257, 2008.
9) MORALES, M. A. ; Tapan Kumar Jain ; V. Labhasetwar ; D. Leslie-Pelecky . Magnetic
Studies of Iron Oxide Nanoparticles Coated with Oleic Acid and Pluronic Block
Copolymer. Journal of Applied Physics, United States, v. 97, n. 10Q, p. 10Q9051-
10Q9053, 2005.
10) Jain, T. K.; MORALES, M. A. ; Sahoo, S. K. ; Leslie-Pelecky, D.; Labhasetwar, V. . Iron-
oxide Nanoparticles for Sustained Delivery of Anticancer Agents. Molecular
Pharmaceutics, United States, v. 2, n. 3, p. 194-205, 2005.
3. Membros dos Grupos de Pesquisa
NOME TITULAÇÃO FUNÇÃO PÓS-
GRADUAÇÃO
BOLSISTA
CNPq
João Maria Soares Doutor Coordenador UERN Não
Marco A. Morales Torres Doutor Vice-Coordenador UERN Não
Vamberto Dias de Mello Doutor Pesquisador UERN Não
Ana Lúcia Dantas Doutora Pesquisadora UERN Sim/Nível 2
Francisco Odolberto de Araújo Doutor Pesquisador UFERSA Não
Milton Morais Xavier Jr. Doutor Pesquisador UFERSA Não
Fernando L. A. Machado Doutor Pesquisador UFPE Não
Antonio Azevedo da Costa Doutor Pesquisador UFPE Sim/Nível 1C
Alexandre Ricalde Rodrigues Doutor Pesquisador UFPE Não
Dayane de Souza Chaves Graduada Estudante de
Mestrado
UERN Não
Ana Lucia Gurgel Graduada Estudante de
Mestrado
UERN Não
Ozivam L. de Aquino Conceição Graduando Estudante IC UERN Não
Francisco das Chagas S. Sousa Graduando Estudante IC UERN Não
4. Mecanismos de Interação
Os mecanismos que serão utilizados para interação entre os grupos de pesquisa
participantes deste projeto serão:
Visitas científicas dos pesquisadores da UERN e da UFERSA aos laboratórios de
pesquisa do grupo de Magnetismo de Física da UFPE;
Realização de seminários e mini-cursos na UERN, com a participação dos
pesquisadores da UFPE, em temas relacionados a presente proposta;
Visitas dos estudantes de mestrado da UERN aos laboratórios de pesquisa do
grupo de Magnetismo de Física da UFPE para a execução de medidas
relacionadas ao seu trabalho de dissertação.
5. Caracterização dos Problemas
Esta proposta de pesquisa será dividida em duas partes. Uma delas tem como
finalidade principal o desenvolvimento de sensores magnéticos a base do efeito de
magnetoimpedância gigante (GMI) utilizando como matéria-prima ferritas
magneticamente moles, condutoras e de alta permeabilidade magnética. A outra parte
consiste do estudo das propriedades magnéticas de nanofios preparados numa matriz
mesoporosa.
5.1. Desenvolvimento de sensores magnéticos a base do efeito de
magnetoimpedância gigante
Sensores magnéticos têm um papel fundamental na tecnologia moderna. Eles
são largamente utilizados em quase todos os setores que engloba engenharia e
indústria. Como exemplo, esses sensores são usados em navegação, em uso militar.
Segurança, sistemas anti-roubo, pesquisas espaciais, testes não-destrutivos e em
medidas biomagnéticas no corpo humano [1-3].
Um largo espectro de sensores magnéticos está disponível. Existem sensores de
indução, por efeito Hall, óptico-magnéticos, magnetoresistivos (GMR), etc. Na última
década, o desenvolvimento de sensores magnéticos de alta performance foi
beneficiado pela descoberta de um novo fenômeno magnético que foi a
Magnetoimpedância Gigante (GMI) [4-6], que é o efeito derivado de uma grande
variação na impedância ac de um condutor elétrico com uma corrente ac quando
submetido a um campo magnético aplicado dc.
Tem-se demonstrado que sensores magnéticos baseados no efeito de
magnetoimpedância gigante oferecem várias vantagens sobre sensores magnéticos
convencionais. O fator decisivo é a ultra-alta sensibilidade dos sensores GMI. Quando
comparado com um sensor GMR que tem uma sensibilidade de aproximadamente
1%/Oe, o campo sensitivo de um sensor GMI típico pode alcançar um valor tão
elevado como 500%/Oe. Embora o desenvolvimento de sensores GMI esteja ainda
numa fase inicial, é provável que os seus baixos custos e a alta flexibilidade sejam
decisivos para o amplo alcance na aplicação num futuro próximo.
Nos materiais ferromagnéticos atuais, o valor máximo do efeito GMI obtido
experimentalmente é muito menor que o valor predito teoricamente.
Conseqüentemente, as pesquisas neste campo têm focado principalmente no
desenvolvimento de novos materiais e nas técnicas de obtenção desses materiais com
o objetivo de melhorar suas propriedades de transporte eletrônico e aumentar o
efeito GMI [7-14].
Nos últimos anos temos publicados diversos artigos, nos quais estudamos o
efeito de magnetoimpedância gigante em alguns materiais magnéticos, como: fitas
amorfas e ligas granulares [15-17]. Também temos trabalhado intensivamente na
preparação e caracterização magnética de nanopartículas magnéticas de materiais
granulares [18-20], hexaferritas [21,22], manganitas [23], nanocompósitos e ferritas
[24,25]. Em todos esses trabalhos nós conseguimos controlar as propriedades
magnéticas desses materiais variando o tamanho médio das partículas e sua
composição química. Portanto, o grupo já tem experiência consolidada no estudo do
efeito GMI, na preparação e caracterização das propriedades microestruturais e
magnéticas de sistemas magnéticos.
Desses materiais, em particular, o estudo e a preparação de ferritas despertam
grande interesse no estudo do efeito GMI, por apresentam características desejáveis
para observação deste fenômeno, como: baixa resistividade, magneticamente moles,
pequena magnetoestricção e alta permeabilidade magnética. Entretanto,
pouquíssimos trabalhos foram reportados na literatura com objetivo de estudar e
caracterizar o efeito de GMI em ferritas [26,27].
Assim, um dos problemas abordados nesta proposta de pesquisa é desenvolver
materiais nanométricos de ferritas a partir de sínteses química e fazer as
caracterizações estruturais, magnéticas e de transporte eletrônico. A nossa finalidade
é maximizarmos o efeito GMI nesses materiais; desenvolver modelos teóricos que
expliquem os mecanismos que geram o efeito GMI nesses materiais e; propor a
fabricação de sensores pra aplicações como: detecção de falhas em dutos de petróleo
e localização de corpos estranhos magnéticos no corpo humano.
Como exposto anteriormente, a parceria entre estes Grupos de Pesquisa da
UERN e da UFPE é importantíssima no desenvolvimento deste problema abordado,
pois se de um lado os pesquisadores da UERN têm experiência na preparação de
materiais, como as ferritas, do outro os pesquisadores da UFPE têm uma grande
competência no estudo do fenômeno de magnetoimpedância gigante. Portanto, o
apoio financeiro aportado pelo presente Edital terá uma importância fundamental
para a consolidação dessa parceria.
5.2. Estudo das propriedades magnéticas de nanofios preparados numa matriz
mesoporosa
Materiais mesoporos tipo MCM-41 possuem estrutura dada pelo
empacotamento hexagonal de poros cilíndricos. As paredes dos poros é formada por
dioxido de silício (SiO2) amorfo. Estes materiais apresentam grande área específica
(~1000 m2.g-1), alta porosidade, distribuição estreita de diâmetro dos poros e a
possibilidade de funcionalizar a sua superfície, variando assim sua
hidrofilicidade/hidrofobicidade. Várias aplicações têm surgido como conseqüência de
suas boas características estruturais, estabilidade térmica e biocompatibilidade [28],
na literatura são apresentadas várias aplicações, como: moldes para a preparação de
nanofios e nanopartículas [29], suporte para catalizadores [30], Nanopartículas usadas
como carreadores de fármacos [31], sensores para a detecção de gases [32], cristais
fotônicos [33], membranas, dispositivos nanofluídicos, substratos para sensores, etc.
Na literatura há muitos exemplos de como preparar filmes mesoporosos com
os poros paralelos à superfície do filme, mas há poucas referências de filmes
preparados com os poros perpendiculares à superfície do filme. Alguns desses casos
correspondem a filmes mesoporosos tipo SBA-
usando um campo magnético aplicado perpendicularmente ao plano do substrato [34],
o alinhamento das micelas de surfactante na direção do campo magnético é o
resultado do compromisso entre a energia de interação das micelas (diamagnéticas)
com o campo magnético e a energia térmica. Outro exemplo consiste de filmes
mesoporosos MCM-
e a água [35].
Como citado anteriormente, os filmes mesoporos podem ser usados para o
crescimento de nanofios magnéticos. Se o tamanho dos nanofios for maior que o
comprimento de troca magnético, exl , então a magnetização inverte sua direção de
uma maneira incoerente, e o campo de switching é menor que o esperado segundo o
modelo da rotação coerente [36]. Aqui Sex MAl / , onde A e Ms são a constante de
troca e a magnetização de saturação, respectivamente. Entretanto, quando o tamanho
de partícula diminui o campo de switching aumenta gradualmente. Para tamanhos de
partículas menores que exl a rotação da magnetização torna-se uniforme e o sistema
entra no regime superparamagnético.
Os nanofios e as nanopartículas ferromagnéticas apresentam propriedades
magnéticas muito interessantes e de grandes aplicações tecnológicas. Dentre dessas
destacam-se os dispositivos de armazenamento magnético de alta densidade que
permitem atingir o limite de 1 Terabyte por polegada quadrada.
A nanolitografia é uma das técnicas mais usadas para produzir sistemas
magnéticos nanoestruturados, mas devido a seu alto custo, novos processos vêm
sendo desenvolvidos. Alguns destes consistem em usar a auto-organização de
surfactantes, copolímeros em micelas e a auto-organização dos poros da alumina
anodizada para construir moldes. Esta forma de nanolitografia-natural tem sido usada
para produzir moldes de alumina anodizada que permitem preparar nanofios
magnéticos de Fe e Co com diâmetros de 11 e 25 nm, respectivamente [37, 38]. Não
há, na literatura, registro de trabalhos sobre membranas de alumina anodizada com
arranjo regular-homogêneo de poros e com diâmetros menores que 10 nm.
Assim, dentro desta proposta de pesquisa, outro problema abordado será a
preparação de filmes mesoporosos com diâmetro dos poros variando de 3 a 8 nm,
neste caso, a escolha adequada de surfactantes e de polímeros permitirá preparar
filmes com poros dos diâmetros indicados. Além disso, serão crescidos nanofios
magnéticos de Fe, Fe3O4 -Fe2O3 usando as técnicas de eletrodeposição e de
impregnação, considerando as referências [35] e [39].
Um estudo teórico das propriedades magnéticas desses nanofios será feito com
um sistema de rotinas baseadas no método de campo local auto-consistente [40]. O
método permite incorporar efeitos de temperatura, das dimensões físicas das
partículas, bem como da densidade de poros, para investigar as configurações de
equilíbrio e excitações magnéticas.
As propriedades magnéticas e estruturais locais dos nanofios magnéticos serão
estudadas usando a técnica de espectroscopia Mössbauer do 57Co. As análises dos
parâmetros hiperfinos, extraídos dos espectros Mössbauer, permitirão identificar e
quantificar a formação das fases de ferro metálico, magnetita e maghemita. Já da
análise das áreas relativas dos picos do sexteto estudaremos a orientação da
magnetização com relação à direção de incidência da radiação gamma. Se a amostra
apresentar comportamento superparamagnético em temperatura ambiente,
determinaremos a temperatura de bloqueio magnético Mössbauer (TbM) fazendo
medidas em função da temperatura. Entretanto, não existe em nenhum dos
laboratórios de pesquisa dos grupos de Magnetismo da UERN e da UFPE, envolvidos
neste projeto, um espectrômetro Mössbauer que permita a obtenção desses
espectros. Assim, a grande parte do aporte financeiro deste Edital será destinada para
a aquisição deste equipamento.
6. Infra-estrutura das Instituições Participantes
As infra-estruturas dos grupos de pesquisa da UERN e da UFPE são descritas a
seguir, assim como as necessárias para o desenvolvimento deste projeto.
6.1. Infra-estrutura física da UERN
Atualmente o Grupo de Magnetismo da UERN conta a infra-estrutura de 2(dois)
laboratórios de pesquisa. O Laboratório de Preparação de Amostras dispõe hoje de
vários equipamentos utilizados na síntese de materiais magnéticos, como: agitadores
magnéticos, agitador mecânico, banho de ultra-som, destilador de água, deionizador,
medidor de pH, prensa hidráulica, estufa, forno mufla e forno tubular. Esses aparelhos,
no momento, atendem as necessidades deste laboratório, no entanto, dispomos de
poucos reagentes utilizados nas sínteses químicas. Assim, para que possamos preparar
com sucesso os materiais utilizados no desenvolvimento deste projeto, será necessária
a aquisição de novos reagentes químicos.
O Laboratório de Caracterização Estrutural e Magnética da UERN dispõe de dois
granulômetros: um Nanotrac da Microtac e SALD-2101 da Shimadzu. O Nanotrac
permite a obtenção de distribuição de tamanhos de partículas em pós desde 0,8 nm
até 6500 nm. Com o SALD-2101 também obtemos a distribuição de tamanhos, só que
adquirido que está sendo instalado neste laboratório é o difratômetro de raios-X,
modelo Miniflex II da Rigaku. Este equipamento será de essencial importância na
caracterização estrutural dos materiais. Já na parte de caracterização magnética
estamos montando um magnetômetro de amostra vibrante, para esse fim estamos
adquirindo: um eletroímã com fonte de corrente dc, uma cabeça de vibração, um
gaussímetro, um amplificador lock-in e um ciclo fechado de hélio. Para a realização das
medidas de GMI em freqüências na região de megahertz será necessário a aquisição
de um amplificador lock-in.
Para complementar as técnicas de análises magnéticas deste laboratório, servir
de ferramenta para análise dos materiais magnéticos que contêm ferro, estudados
dentro dos projetos de pesquisa em andamento, supracitados, além de fortalecer a
interação entre os grupos envolvidos nesta proposta, solicitamos o financiamento para
a aquisição de um espectrômetro Mössbauer.
A espectroscopia Mössbauer, por ser uma medida local, permite obter
informações das interações elétricas e magnéticas entre o núcleo sonda e sua
vizinhança. As informações elétricas (deslocamento isomérico e desdobramento
quadrupolar) possibilitam um estudo da simetria da vizinhança em que está inserido o
núcleo sonda, assim com o seu estado de oxidação. Da interação magnética Zeeman,
pode ser estuda o tipo de ordem magnética e as transições magnéticas. A análise dos
parâmetros hiperfinos dos espectros permite identificar e quantificar o teor das fases
cristalinas ou amorfas dos materiais em que núcleo sonda esta inserido.
Por estas características, este equipamento, o espectrômetro Mössbauer,
apresenta um caráter multiusuário e o seu uso pode ser compartilhado por diversos
grupos de pesquisa destas instituições e de instituições vizinhas, além de possibilitar a
prestação de serviços de análises às empresas de cerâmica que atuam na região do
semi-árido.
6.2. Infra-estrutura física da UFPE
O Grupo de Magnetismo e Materiais Magnéticos (MMM) do Departamento de
Física da UFPE que é um dos mais bem equipados do Brasil e atualmente é um dos
Núcleos de Excelência do CNPq. Além de possuir técnicas de produção de materiais
(sputtering, forno-a-arco, melt-spinning, sol-gel e Deposição por LASER Pulsado), o
grupo conta ainda com várias técnicas de caracterização (Difração de raios-X,
microscopia eletrônica, Magnetometria por SQUID, PPMS, magneto-transporte AC e
DC, Efeito Hall, medidas de impedância elétrica, magnetometria por amostra vibrante,
Efeito Kerr, Espalhamento de luz Brillouin, ressonâncias Ferromagnéticas, entre
outras).
7. Objetivos e Metas
Os objetivos gerais desta proposta de trabalho, são: 1 - produzir ferritas por
síntese química para aplicação em sensores magnéticos baseados no efeito de
Magnetoimpedância Gigante para aplicações na área biomédica e de petróleo, 2
estudar das propriedades magnéticas de nanofios preparados numa matriz
mesoporosa para uso em dispositivos de gravação magnética.
Objetivos Específicos:
GMI em ferritas
1. Sintetizar pelos métodos de reação por coordenação iônica e micela direta pós
nanométricos e monofásicos de ferritas. Para tanto, alguns parâmetros das
sínteses deverão ser estudados, tais como: Forma de preparação da solução
precursora, relação da solução aquosa/surfactante, tempo e temperatura de
calcinação.
2. Caracterizar morfologicamente os pós por diferentes técnicas, como:
microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de
transmissão (MET) para observação da morfologia (tamanho e forma das
nanopartículas e aglomerados), difração de raios-X (DRX) para identificação de
fases, determinação do tamanho médio dos cristalitos e parâmetros de rede e,
granulometria para determinação da distribuição de tamanhos e do tamanho
médio de partículas.
3. Produzir sensores, pela conformação na forma de partilhas ou anel sinterizado.
4. Caracterizar magneticamente os pós e as pastilhas sintetizados.
5. Realizar medidas de impedância elétrica em função da frequência e do campo
magnético dc nas pastilhas sintetizadas.
Propriedades magnéticas de nanofios
1. Produzir filmes mesoporosos com poros cilíndricos e com distribuição estreita de
diâmetros. Usar diversos surfactantes e polimeros para produzir nanoporos com
diâmetros de 3 a 8 nm.
2. Produzir nanofios magnéticos usando o volume restrito dos poros do filme
mesoporoso.
3. Caracterizar os filmes através das técnicas de difração de raios-x em baixo e alto
ângulo; para determinar o parâmetro de rede do sistema poroso, para observar a
organização dos poros com relação ao plano do filme, para determinar as fases de
ferro presentes nos nanofios, para determinar o tamanho do grão do material
magnético.
4. Caracterizar os filmes através da microscopia eletrônica de transmissão, para
observar as simetrias do arranjo dos poros e para determinar o diâmetro e
comprimento dos nanofios.
5. Caracterizar o magnetismo dos nanfios. Estudar a estrutura local e o magnetismo
dos nanofios usando a técnica espectroscopia Mössbauer.
6. Investigar experimentalmente e teoricamente o impacto das dimensões físicas dos
nanofios nas propriedades magnéticas, focalizando no efeito da anisotropia dipolar
na coercividade.
Metas:
1. Avaliar os parâmetros das sínteses utilizadas, para se obter pós nanométricos
de ferritas com morfologia e composição química adequadas para testes de
GMI.
2. Desenvolver materiais nanométricos, cristalinos e monofásicos pela reação por
coordenação iônica e micela direta que resultem em excelente resposta em
testes para avaliar o efeito GMI.
3. Aprofundar o conhecimento e disseminar conhecimento na produção material
nanométrico aplicados a produção sensores magnéticos para aplicações na
área biomédica e de petróleo.
4. Desenvolver materiais mesoporosos na forma de filmes com o diâmetro dos
poros controlados pela escolha do surfactante/polimero.
5. Desenvolver materiais magnéticos cristalinos na forma de nanofios pelos
métodos de impregnação, e electrodeposição e por plasma.
6. Desenvolver modelos teóricos para estudar o comportamento magnético de
nanofios.
7. Aumentar a interação científica com outros centros mais avançados na área de
magnetismo.
8. Propiciar a transferência dessa tecnologia ao permitir que haja formação de
recursos humanos, publicação de artigos e trabalhos em periódicos e eventos
nacionais e internacionais.
8. Metodologia
As metodologias que serão usadas nesta proposta de pesquisa tanto para o
desenvolvimento de sensores magnéticos de ferritas à base do efeito GMI e o
crescimento e estudo de nanofios magnéticos de Fe, Fe3O4 -Fe2O3, são descritos a
seguir.
Revisão da literatura referente ao assunto em estudo
Esta atividade será realizada durante toda a execução do projeto, visando à
atualização constante em relação ao tema do mesmo, o que permitirá o
aperfeiçoamento dos métodos e procedimentos utilizados nos processos que
constituem os objetos do presente trabalho.
8.1. GMI em ferritas
A obtenção dos pós, sua caracterização por difração de raios-X e granulometria
será desenvolvida no Departamento de Física (DF) da UERN. As caracterizações
morfológicas por Microscopia Eletrônica de Varredura será realizada no Departamento
de Física da UFPE e por Microscopia Eletrônica de Transmissão será feita no CETENE,
localizado em Recife. As medidas magnéticas e de transporte elétrico serão realizadas
nos Departamentos de Física da UERN e da UFPE.
Síntese das amostras
Serão sintetizados ferritas utilizando a síntese pelo método de reação por
coordenação iônica e micela normal. Os precursores utilizados serão todos de alta
pureza.
Caracterização dos pós obtidos
Esta atividade consistirá das seguintes medidas: microscopia eletrônica de
varredura e microscopia eletrônica de transmissão para observação da morfologia
(tamanho e forma das nanopartículas e aglomerados), difração de raios-X (DRX) para
identificação de fases, determinação do tamanho médio dos cristalitos e parâmetros
de rede e, granulometria para determinação da distribuição de tamanhos e do
tamanho médio de partículas.
Produção dos sensores
Esta etapa consistirá no estudo da melhor forma de sinterização do material
para efetuar as medidas magnéticas e de transporte eletrônico.
Caracterização magnética e transporte eletrônico
Esta etapa do trabalho consiste da caracterização magnética dos pós e das
pastilhas, usando um Magnetômetro de Amostra Vibrante e um Espectrômetro
Mössbauer. A outra parte desta etapa serão as medidas de impedância elétrica versus
freqüência e campo magnético dc, usando o método das quatro pontas.
Testes dos sensores em escala piloto
Nesta etapa serão construídos alguns protótipos dos sensores magnéticos e
testada a sua eficiência.
Elaboração de relatórios e artigos científicos
Serão elaborados relatórios parciais semestrais de acompanhamento do
projeto e um relatório final do mesmo. Os resultados de maior relevância do projeto
deverão ser documentados em publicações em periódicos nacionais e internacionais e
congressos importantes na área.
8.2. Nanofios magnéticos
Síntese das amostras
Os filmes mesoporosos serão preparados usando surfactantes ionicos e não ionicos tipo CTABr, Pluronic 127, Twen80, etc. Para formar as paredes dos poros usaremos o reagente Na2SiO3. Os nanofios magnéticos serão preparados usando os métodos da impregnação, de electrodeposição.
Caracterização magnética
A caracterização magnética será feita usando as técnicas de magnetometria tipo VSM, SQUID e Espectroscopia Mössbauer.
Caracterização estrutural
Serão feitas medidas de difraçlão de raios-x em baixo e alto ângulo, as medidas de baixo ângulo permitirão caracterizar o filme mesoporoso e através das medidas em alto ângulo estudaremos as fases de Fe presentes nos nanofios magnéticos assim como a formação das paredes dos poros que devera ser de SiO2 amorfo.
Elaboração de relatórios e artigos científicos
Serão elaborados relatórios parciais semestrais de acompanhamento do projeto e um relatório final do mesmo. Os resultados deste projeto deverão ser publicados em periódicos nacionais e internacionais em proceedings de congressos na área.
9. Cronograma de execução
ATIVIDADES Bimestres
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Levantamento bibliográfico x x x x x x x x x x x x
Síntese das amostras x x x x x x x x
Caracterização Morfológica dos pós
e dos nanofios
x x x x x x x
Caracterização magnética dos pós e
dos nanofios
x x x x x x
Compactação e sinterização das
amostras
x x x x
Caracterização microestrutural das
amostras sinterizadas
x x x
Caracterização magnética das
amostras sinterizadas
x x x
Elaboração de relatórios x x x x
Elaboração de artigos para
congresso e periódicos relevantes
na área
x x x x x x x
10. Orçamento Previsto
10.1. DESPESAS DE CUSTEIO
10.1.1. Diárias:
Nacionais (participação em conferências Nacionais e visitas científicas):
UERN: 20 diárias
UFPE: 20 diárias
40 diárias a um valor unitário de R$ 187,83 (segundo tabela do CNPq)
Total: R$ 7.513,20
Internacionais (uma viagem anual para participação em conferência
internacional):
UERN: 10 diárias
UFPE: 10 diárias
20 diárias a um valor unitário de US$ 220,00 (câmbio US$ 1 = R$ 2,00)
Total: R$ 8.800,00
Total Geral de Diárias: R$ 16.313,20
10.1.2. Passagens:
Nacionais (participação em conferências nacionais):
UERN: 8 passagens
UFPE: 8 passagens
16 passagens nacionais um valor unitário de R$ 1.000,00
Total: R$ 16.000,00
Internacionais (participação em conferências internacionais):
UERN: 4 passagens
UFPE: 4 passagens
8 passagens internacionais a um valor unitário de US$ 1.200 (câmbio
US$ 1 = R$ 2,00)
Total: R$ 19.200,00
Total Geral de Passagens: R$ 35.200,00
10.1.3. Material de Consumo:
gases especiais (N2, H2, O2, He, Ar), componentes eletrônicos, reagentes
químicos para preparação de materiais, grades para microscopia
UERN: R$ 30.000,00
UFPE: R$ 31.586,80
Total Geral de Material de Consumo: R$ 61.586,80
10.1.4. Serviços pessoa Jurídica:
pequenas obras, manutenção de equipamentos e instalações diversas
UERN: R$ 20.000,00
UFPE: R$ 20.000,00
Total Geral de Serviços pessoa Jurídica: R$ 40.000,00
10.1.5. Serviços pessoa Física:
serviços de marcenaria e mecânica
UERN: R$ 5.000,00
UFPE: R$ 5.000,00
Total Geral de Serviços pessoa Jurídica: R$ 10.000,00
10.1.6. Taxa de importação
Importação dos equipamentos: Espectrometro Mössbauer e Amplificador
Lock-in
Total Geral de Taxa de importação: R$ 30.900,00
TOTAL GERAL DAS DESPESAS DE CUSTEIO: R$ 194.000,00
10.2. DESPESAS DE CAPITAL:
10.2.1. Espectrometro Mössbauer com sistema de baixa temperatura (UERN)
Possibilitar a obtenção de espectros Mössbauer das ferritas e dos
nanofios, em temperatura ambiente e baixa temperatura
Total: R$ 186.000,00
10.2.2. Amplificador Lock-in
Possibilitar as medidas de GMI na UERN
Total: R$ 20.000,00
TOTAL GERAL DAS DESPESAS DE CAPITAL: R$ 206.000,00
TOTAL GERAL DA PROPOSTA (CUSTEIO + CAPITAL): R$ 400.000,00
11. Resultados Esperados
1. Otimizar o processo de preparação de nanopartículas de ferritas para o
desenvolvimento de sensores magnéticos.
2. Desenvolver um modelo teórico que descreva o efeito GMI em ferritas.
3. Artigos para publicações em periódicos nacionais e internacionais da área de
magnetismo e ciência dos materiais.
4. Formação de recursos humanos com alunos de mestrado e de iniciação
científica neste projeto, de alta qualidade na área de Física de Magnetismo e
Materiais Magnéticos.
5. Depósito de patente dos novos processos de preparação desses materiais.
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