Nanometrologia: potencial das pesquisas é evidenciado pelo Inmetro

De forma inovadora, pesquisadores do Inmetro gravaram em grafeno, recentemente, a menor marca do Instituto já registrada. A logo foi desenhada em nanoescala, por meio da técnica de feixe de íons de Hélio, no microscópio Orion, instalado na Divisão de Metrologia de Materiais, e único do tipo na América Latina, e visualizada pela técnica de Nanoespectroscopia Raman (TERS, na sigla em inglês). O experimento reflete o nível do desenvolvimento em nanotecnologia alcançado no Inmetro, não só pela capacidade de se escrever dentro da escala nanométrica, mas também pela possibilidade de realizar imagens usando luz visível com resolução de aproximadamente 20 nanometros. Para se ter uma ideia, 20 nm é o mesmo que a unha humana cresce em 20 segundos, ou o equivalente à espessura de um fio de cabelo dividido por 5.000 vezes.

“Para gravar a imagem, nós utilizamos a técnica de microscopia de feixe de íons de Hélio de alta energia, que geram leves defeitos, ou padrões, na estrutura da folha de grafeno. Já a TERS, técnica usada na visualização, foi recentemente desenvolvida e permite a caracterização óptica com alta resolução espacial pela análise de espalhamento Raman. Isso possibilitou revelar os menores detalhes da marca do Inmetro, invisíveis mesmo quando se usavam os melhores microscópios ópticos”, explica o pesquisador Thiago Vasconcelos, um dos envolvidos no projeto.

A marca do Inmetro gravada no grafeno apresenta letras com tamanho da ordem de 200 nm.  Para dar ideia desta dimensão, seria possível escrever um livro de romance inteiro (aproximadamente 15 mil palavras) dentro de uma única letra deste texto ou deste quadrado: □.   O grafeno, usado como “papel” no experimento, é uma folha de 1 átomo de carbono de espessura. Nanomaterial com propriedades que lhe dão superpoderes, como alta condutividade elétrica e térmica, alta resistência mecânica, além de ser muito leve e com uma das maiores áreas superficiais especificas conhecidas, o grafeno pode ser usado na fabricação de baterias mais eficientes para celulares e dispositivos eletrônicos de alta velocidade, por exemplo.

Os “defeitos” gerados pelos íons de Hélio de alta energia na estrutura da folha de carbono podem ser vistos pela técnica de espectroscopia Raman. No entanto, mesmo utilizando a mais alta tecnologia em lentes, um sistema óptico apresenta resolução limitada por natureza a aproximadamente 300 nm. Uma forma de burlar este limite é pela utilização de nanoantenas ópticas, que funcionam como pequenas fontes de luz, do tamanho de poucos nanometros. Ao iluminar a amostra ponto a ponto, e muito próximo dela (poucos nanômetros), espera-se que a resolução da imagem gerada seja do tamanho da própria fonte de luz. Esta técnica é chamada de Nanoespectroscopia Raman (TERS, na sigla em inglês).

As nanoantenas ópticas usadas neste experimento foram também desenvolvidas no Inmetro e em cooperação com a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e têm propriedade intelectual patenteada no Brasil, nos Estados Unidos, na Europa e na China.

O vídeo apresenta a comparação entre imagens feitas dentro do limite óptico e pela técnica TERS, ambas adquiridas no Inmetro e recentemente publicadas em um artigo na revista IEEE-JSTQE de autoria dos servidores Thiago Vasconcelos, Bráulio Archanjo e Carlos Achete, e dos bolsistas Bruno Oliveira e William Silva, dentre outros autores (DOI: 10.1109/JSTQE.2020.3008526).

O artigo é uma revisão do desenvolvimento de nanoantenas ópticas realizado no Inmetro desde 2013, o qual contempla quatro pedidos de patentes (dois deles já em abrangência internacional), nove artigos científicos de alto impacto, uma dissertação de mestrado e uma tese de doutorado.

O Inmetro tem atuado fortemente para dar mais confiabilidade à caracterização do grafeno e de outros nanomateriais, o que é essencial para que o fabricante, por exemplo, determine o nível de defeitos estruturais dos nanoprodutos, aprimorando sua qualidade.

Com o know-how e a respeitabilidade internacional adquiridos, bem como a alta reprodutibilidade na resposta óptica das nanoantenas fabricadas, o Instituto desenvolve uma frente pioneira na metrologia e posiciona o Brasil na dianteira das discussões sobre parâmetros de qualidade de sistemas TERS para a indústria da nanotecnologia nacional.