Ciência

Fábricas de tecnologia

Os instrumentos que começam a chegar aos laboratórios nacionais são verdadeiras máquinas do tempo - com eles idealizam-se, hoje, as maravilhas de amanhã

Por Da Redação SEGUIR SEGUINDO
Atualizado em 31 out 2016, 18h48 - Publicado em 30 abr 1991, 22h00

Flávio Dieguez

A primeira imagem que vem à mente, quando se ouve o termo epitaxiador por feixe molecular, é a de algum fantástico veículo espacial utilizado, possivelmente, pelo herói de histórias em quadrinhos Flash Gordon para fugir do fictício planeta Mongo. Não é nada disso, com certeza, mas a imagem de ficção científica persiste mesmo depois que se descobre a verdade. Como um dos mais avançados instrumentos da Física moderna, o papel dos epitaxiadores é transformar materiais comuns no mais tênue vapor de átomos imaginável. Tanto que, em seguida, esse gás solidifica-se sobre uma placa metálica à taxa de apenas 1 milímetro a cada 1 000 horas, ou 1 milionésimo de milímetro a cada três ou quatro segundos. Isso significa que os epitaxiadores são versões ultramodernas das forjas, pois são capazes de operar em escala atômica. Diferentes substâncias, vaporizadas em seus diversos fornos, acabam cristalizadas uma por vez — em camadas infinitesimais e numa ordem precisa — de modo a gerar materiais com propriedades nunca vistas na natureza.

Exemplo disso são os novos chips de arsenieto de gálio, consagrados como peças fundamentais dos discos laser, nos quais eletricidade e luz interagem para codificar e armazenar informações. Imagina-se que, nos anos vindouros, os epitaxiadores conduzam, entre outras coisas, ao computador tridimensional, ou seja, um circuito eletrônico sem partes desmontáveis, desenhado entre os átomos de um único cristal. Algo como um pedregulho dotado de inteligência…Aplicações como essa, naturalmente, transformam os epitaxiadores em cobiçados equipamentos industriais. Elas têm mais valor, no entanto, como instrumentos de pesquisa — isto é, não por aquilo que já podem fabricar, mas sim por aquilo que podem ensinar a fazer, no futuro. É com esse caráter que tais máquinas começam a chegar ao Brasil, à medida que os físicos brasileiros, de mangas arregaçadas, procuram enfrentar o desafio nada usual de seu ofício: investigar as mais distantes fronteiras da realidade e antecipar as novas conquistas tecnológicas.Para isso, foram montados quatro epitaxiadores: em Belo Horizonte, MG, e em três cidades paulistas, a capital, São Carlos e Campinas. Nesse último local, entretanto, as atenções se voltam para um instrumento ainda mais sofisticado, a fábrica de luz síncroton. Trata-se de um anel gigante, de 80 metros de circunferência, já intitulado, internacionalmente, de instrumento científico da década.

Sua função é produzir feixes muito intensos de luz comum e ultravioleta, como os lasers, mas também raios X, mais energéticos e até agora inacessíveis aos lasers. Foi necessário um admirável trabalho de engenharia avançada para domar esses pulsos de energia radiante.Numa primeira etapa, partículas subatômicas, como o elétron, têm que ser aceleradas por um sofisticado sistema de ondas de rádio. Isso é feito num tubo de 9 metros de comprimento onde se faz altíssimo vácuo, encontrável apenas a 300 quilômetros acima da superfície da Terra. Injetados, em seguida, numa estrutura circular de nome síncrotron, onde são obrigados a fazer curvas apertadas a uma velocidade bem próxima à da luz, os elétrons cospem energia espetacularmente em todo o vasto contorno do anel. Os raios jorram em afiadíssimos pulsos que duram milionésimos de segundo e têm uma espessura 2 000 vezes menor que 1 centímetro.Tanto os epitaxiadores como a luz síncrotron serão usadas no setor mais dinâmico da Física atual—a Matéria Condensada—na qual trabalham 40% dos físicos do mundo e mais da metade dos brasileiros. Em poucas palavras, a Matéria Condensada procura sondar o microcosmo em que se agitam átomos e moléculas. Nesses abismos, vigoram as leis básicas que fazem o vidro ser vidro, por exemplo, ou um ímã agir como tal.Se bem compreendidas, portanto, essas leis podem tornar-se a chave de metamorfoses notáveis—a idéia é gerar, entre outras coisas, vidros com a força do aço, ou metais dotados da resistência das cerâmicas ao desgaste. O mesmo vale para as moléculas orgânicas e já há quem pense, por exemplo, em dominar o mecanismo que permite à clorofila das plantas converter energia solar em eletricidade.

Ele poderia ser usado numa revolucionária usina vegetal — onde uma bateria de plantas energizariarn as redes elétricas do país. Mera especulação, por enquanto: mas ela pode concretizar-se.”Os avanços ocorrem com velocidade espantosa, nessa área”, argumentam os físicos em um recém-lançado livro, cujo objetivo é explicar por que, e como, é preciso modernizar os laboratórios nacionais. Com o título A Física no Brasil na próxima década, o texto tem a inovadora preocupação de fugir, sempre que possível, à linguagem técnica. Também procura pelo menos esboçar os princípios que orientam as pesquisas atuais. No fim das contas, pode ser lido como um instrutivo livro de divulgação científica. “Espero que dona Zélia, especialmente, aprenda com ele”, brinca o físico Oscar Sala, da Universidade de São Paulo, em referência à ministra da Economia, Zélia Cardoso de Melo.Um dos decanos da pesquisa brasileira, três vezes presidente da Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência, que diz que os recursos são escassos, mas, se bem aplicados. será possível acompanhar o ritmo internacional. Um dos pioneiros, no Brasil. da Física Nuclear, cujo pique pouco fica a dever ao setor de Matéria Condensada. Sala ajudou a construir o primeiro acelerador de partículas subatômicas da América Latina—o Van de Graff, instalado em São Paulo nos anos 50. Desde então, ele vem aprimorando a arte de extrair boa Física de verbas não tão boas assim. O próprio Van de Graff ilustra como é sempre possível improvisar.Ao final de vinte anos de bons serviços prestados, ele foi simplesmente desmontado, em meados da década de 70.

Sala explica que os pesquisadores precisavam de suas peças para fazer funcionar o Pelletron, um protótipo de acelerador bem mais energético que o precedente, mas ainda emperrado por pequenos problemas, comuns nos novos equipamentos. Hoje, a máquina brasileira é uma das melhores entre as dez existentes, instaladas na Índia. Japão, Argentina, Israel e Austrália. É o mais requisitado modelo de acelerador, mas agora vamos melhorá-lo”. diz o cientista. Atualmente. a energia disponível para acelerar partículas é de 8 milhões de volts, mas pode chegar a 18 milhões de volts, com ajuda de supercondutores de nióbio.São fios que, refrigerados a 270 graus negativos, conduzem eletricidade sem perda de energia na forma de calor: por isso, são altamente eficientes na construção de bobinas magnéticas. essenciais nesse tipo de instrumento. Os aceleradores podem esmiuçar muitos detalhes da Matéria Condensada, complementando a pesquisa dos lasers e fábricas de luz. Mas eles descem mais um degrau na estrutura da matéria —passam dos átomos e moléculas, para os núcleos atômicos, 100 000 vezes menores. Os fenômenos dominantes nessas dimensões são relevantes, por exemplo, para a vida das estrelas, ou para a evolução do Universo. Mas sua influência também se faz sentir no dia-a- dia. São úteis, por exemplo, para denunciar a identidade secreta dos poluentes no ar. Eles escapam à análise convencional porque só é possível examinar o ar em pequenos volumes, nos quais os poluentes acham-se em proporções minúsculas.Sob violento bombardeio das partículas nucleares, no entanto, cada substância emite raios X de maneira distinta, como se deixasse uma impressão digital.

Isso permite criar controles altamente eficientes de qualidade do ar, o que vem sendo feito com ajuda do Pelletron. Mas as condições de trabalho vão ficar mais folgadas, pois o Instituto de Física da USP acaba de comprar um novo acelerador, o Mícrotron. Ainda encaixotado em Santos, à espera de verba para a construção de instalações convenientes ele deverá acelerar elétrons, e não núcleos atômicos. Também o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio de Janeiro, espera apossar-se em breve de um acelerador de novíssima geração, no qual núcleos atômicos colidem como um meio de fabricar partículas exóticas, os mésons.Quando foram descobertos na década de 40—com ajuda de um dos maiores cientistas brasileiros. César Lattes —, os mésons não eram produzidos nos aceleradores. Eles literalmente caíam do céu pois são parte dos raios cósmicos, partículas vindas do espaço e aceleradas, possivelmente, pelo magnetismo da própria galáxia. Personagens das mais profundas entranhas da matéria, eles são úteis para testar idéias teóricas básicas, como a tentativa de unificar as forças universais. Mas podem acabar numa função muito prática: estimular reações nucleares nas sonhadas usinas de fusão, cujo combustível são átomos leves, abundantes e limpos, como o hidrogênio. e não os perigosos, pesados e raros átomos de urânio, empregados atualmente.

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Como se vê, os planos parecem bons, mas os obstáculos são grandes. Apenas para ficar onde está— sem ampliar sua força com relação a outros países a Física brasileira precisa crescer. E o dinheiro, embora importante, não é a única dificuldade. Formar pesquisadores altamente treinados, com graus de mestre e doutor, é um requisito indispensável. Sem eles, não há como montar equipes competitivas nas inúmeras especialidades da ciência moderna.O país, atualmente, conta com 1 100 doutores, enquanto os Estados Unidos têm um número trinta vezes maior. É certo que, ao longo dos últimos quinze anos, entre 1971 e 1986, o número de doutores cresceu cinco vezes, de 186 para 942. Mas a Física, no passado, estava mais bem equipada que hoje, na opinião de muitos cientistas: para acompanhar o ritmo internacional, o crescimento deveria ter sido maior. Agora. estima-se que seja preciso dobrar de tamanho, nos próximos cinco anos, e dobrar novamente nos cinco anos seguintes. Esse, pelo menos, é o cálculo que faz o diretor da Sociedade Brasileira de Física, Gil da Costa Marques, da USP. “Se chegarmos a isso, estaremos no caminho certo”.Outro problema é a concentração de cientistas e equipamentos na Região Sudeste, em particular no Estado de São Paulo, onde estão 50% dos físicos brasileiros. A idéia é começar a distribuir melhor os cientistas e equipamentos pelo país.

Na área dos aceleradores, dessa forma, além do projeto carioca, existem planos de aperfeiçoar um modelo especial, o implantador de íons, já existente na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Essa máquina acelera íons—átomos eletrizados, dos quais foram arrancados alguns elétrons e acrescentados ânions —e os injeta numa peça de metal, por exemplo, cujas propriedades se quer alterar. Muitas aplicações desse tipo de pesquisa procuram aumentar a resistência dos metais ao desgaste, e já existem empresas começando a usar implantadores de íons.“Com ele, a universidade pode treinar pesquisadores e ajudar as indústrias a resolver seus problemas tecnológicos”, opina Fernando Zawislak, diretor do Instituto de Física da Universidade. Por isso mesmo, acrescenta o cientista, é importante formar pesquisadores aptos a acompanhar o ritmo dos novos conhecimentos nesse setor. Num trabalho recente, por exemplo, os gaúchos mostraram que é possível alterar as características dos polímeros—de maus para bons condutores de eletricidade. De quebra, o material mostrou-se mais resistente ao calor que os condutores metálicos, propriedade relevante na construção de computadores cada vez menores sem risco de superaquecimento.No outro extremo do país, no Nordeste, a despeito de todas as dificuldades, é surpreendente o progresso no estudo de lasers de alta potência e de ímãs avançados.

O Departamento de Física da Universidade Federal de Pernambuco, por exemplo, foi montado apenas a partir de 1972, com a chegada do seu primeiro doutor, o carioca Sérgio Resende. Mas tem hoje pesquisas publicadas do país: cada um dos seus 28 doutores publica 2,5 trabalhos por ano, contra apenas um, na média nacional. Uma de suas equipes mais ativas busca atualmente projetar discos magneto-óticos, ambicionados pela grande capacidade de armazenar informações.O conhecimento acumulado nessa área de ponta, acabou transformando a equipe da UFPE em fornecedora de outras universidades. Ela produz lasers convencionais, por exemplo, necessários à formação de pesquisadores no Ceará e em Alagoas. Também desenha pequenos computadores, como o Corisco, transformado num produto comercial, na década passada, pela empresa Elógica. Resende informa que o Hospital das Clínicas da UFPE está testando um novo tomógrafo desenvolvido pela Universidade. Trata-se de um aparelho que emprega fortes magnetos para mapear o interior dos organismos, com larga aplicação na Medicina.Esses fatos dão uma medida da importância dos novos instrumentos. Não há dúvida de que a ciência é cara, mas também é certo que o retorno dos investimentos é altamente compensador. Em termos financeiros, as mais recentes estatísticas européias e americanas mostram que cada cruzeiro gasto na compra ou construção de instrumentos transforma-se em 3 cruzeiros ganhos por meio da venda de alta tecnologia. Mas o mais valioso benefício da pesquisa é o próprio conhecimento—uma mercadoria que não tem preço. Desde que a ciência existe, no entanto, ela tem sido uma garantia de progresso e bem estar crescentes.

Para saber mais:

A estranha família do átomo

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(SUPER número 3, ano 2)

Minuciosa engenharia

A função dos instrumentos científicos é reproduzir fenômenos mal conhecidos, que ocorrem em condições extremas. Para tanto, empregam a mais alta tecnologia disponível. Um exemplo são as câmaras de vácuo, essenciais tanto aos aceleradores de partículas e fábricas de luz, como aos epitaxiadores. Nesses, por exemplo, finíssimos vapores de átomos são empregados para montar um cristal. Para evitar contaminações fatais, o ar no interior das câmaras tem que ser reduzido a quase nada —sua pressão sobre as paredes da câmara deve ser 100 bilhões de vezes menor que aquela existente fora.

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Mas o ar não pode ser evacuado por bombas mecânicas, sujas demais para essa minuciosa engenharia. A sofisticada solução é bombardear o ar com radiação, para eletrizar suas moléculas. Desse modo, elas podem ser atraídas por placas também eletrificadas, às quais aderem e desimpedem o espaço interno. Outro quebra-cabeça criado pelos vácuos elevados é que duas peças do mesmo material nunca podem encostar-se: como praticamente nada existe entre elas, não há o que as proíba de soldar- se até formar uma única peça. Nos epitaxiadores, empregam-se rodas e trilhos de aço, e a única saída foi cobrir as rodas com ouro.

Máquinas milionárias

O maior projeto atual da Física brasileira é o laboratório de luz síncrotron que está sendo construído em Campinas, SP, desde 1986. No total, entre equipamentos e instalações, a obra deverá consumir, nos próximos seis ou oito anos, 10 milhões de dólares ao ano (cerca de 2,5 bilhões de cruzeiros, a preços de março de 91). Isso não impediria que o laboratório começasse a funcionar já em 1993. Ele não pertence a nenhuma universidade; está diretamente vinculado ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico. No mundo inteiro há apenas 37 máquinas como essa: onze nos Estados Unidos e quatro nos países menos desenvolvidos, sendo uma no Brasil, uma em Taiwan e duas na China. O segundo lugar na conta de gastos cabe à fábrica de mésons, a ser instalada no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio, a um custo estimado de 30 milhões de dólares, amortizados ao longo da década. Além disso, dois projetos visam ampliar aceleradores de partículas existentes: o Pelletron, da USP (8 milhões de dólares) e o implantador tônico, no Rio Grande do Sul (4 milhões de dólares). Em comparação, os epitaxiadores são baratos: saem por 900 000 dólares. Existem, atualmente, 200 deles, em vários países, um terço dos quais no Japão.

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