Pesquisas

Cristais Iônicos

Um Cristal Iônico é um sólido isolante formado por íons positivos e íons negativos, que se atraem com forças Coulombianas. O exemplo mais simples é o cristal de NaCl, onde o íon de Na+ e íon de Cl- atraem-se eletrostaticamente para formar o cristal.

Um cristal ideal tem seus íons distribuídos periodicamente, formando a rede cristalina, e por isso são freqüentemente encontrados na natureza com belas formas externas, que refletem a sua estrutura microscópica.

O homem aprendeu a produzir em laboratório muitos desses cristais, a partir de compostos químicos puros. Na realidade nenhum cristal, natural ou artificial, é perfeito, isto é, no nível atômico apresenta defeitos. Esses defeitos, uns chamados intrínsecos por serem imperfeições na rede cristalina, outros chamados extrínsecos por serem devido a íons estranhos ao cristal, são responsáveis por muitas das propriedades do cristal.

O calor especifico, a elasticidade, o índice de refração, a constante dielétrica, etc, são propriedades que dependem da rede cristalina. A cor, a luminescência, a ressonância de spin eletrônico, a corrente de despolarização, etc, são, por outro lado, propriedades fortemente dependentes dos defeitos. Por exemplo, a esmeralda é um berilo contendo cromo, que lhe dá a cor verde, enquanto o mesmo cromo no óxido de alumínio resulta na cor vermelha do rubi, e a água marinha é o berilo contendo ferro, que o torna azul, e assim por diante.

Um dos objetivos do LACIFID consiste em estudar as propriedades dependentes de defeitos em cristais naturais, particularmente dos SILICATOS encontrados abundantemente no solo brasileiro.

Filmes Finos

A formação e produção de coberturas de filmes finos é um dos caminhos fundamentais para o desenvolvimento de novos materiais, trazendo inúmeros benefícios para o setor industrial. Em termos gerais, o grupo estuda o aumento da resistência e da dureza de materiais tais como aço, silício ou determinada ferramenta de corte, a partir da criação de camadas protetoras em sua superfície.

Atualmente, o grupo está em fase de implementação de um método de deposição assistida por feixes de íons (IBAD). Neste método, íons com uma energia de centenas de eV (eletronvolts) até dezenas de keV penetram em um substrato (o material que se deseja aumentar a dureza) e chocam-se com os átomos, impelindo-os da superfície para o interior. Assim, forma-se uma camada intermediária com elementos do substrato, íons incidentes e átomos depositados, que aumenta a aderência do filme depositado. Essa “camada protetora” traz significativas reduções de custos para a área industrial, aumentando a vida útil dos materiais.

Com uma estreita colaboração com pesquisadores da Universidade de Osaka (Japão), o grupo pretende usar o método IBAD para formar filmes finos como nitreto de boro cúbico e nitreto de carbono, materiais superduros da próxima geração, considerando-se o bombardeamento de íons energéticos como a fonte de excitação.

Datação

Um cristal iônico que recebeu radiação natural devido à desintegração espontânea de átomos radioativos em seu interior, ou um cristal que foi irradiado com raios X ou raios gama, emite luz termoluminescente ao ser aquecido. A luz emitida é mais intensa quanto maior a dose de radiação recebida.

Considere-se, como exemplo, uma cerâmica arqueológica indígena. Em primeiro lugar, quando, em alta temperatura, o molde de argila para produzir um vaso para água ou uma furna funerária foi queimado, toda termoluminescência que havia sido anteriormente induzida na argila (rigorosamente, nos grãos de quartzo nela contidos) foi eliminada, colocando, por assim dizer, o relógio arqueológico no ponto zero. Quando, posteriormente, esse vaso fica soterrado e começa a receber a radiação natural do solo, é induzida novamente a TL na cerâmica.

Em um trabalho de datação, a primeira tarefa consiste em separar os grãos de quartzo da argila propriamente dita, e em seguida medir a TL em uma unidade de massa. Conhecendo o que uma unidade de dose da radiação gama induz de TL nos grãos de quartzo, determina-se a TL total acumulada na cerâmica em questão, obtendo-se a chamada dose acumulada Dac. Em seguida, determina-se a dose anual (Dan) com que a cerâmica foi irradiada enquanto estava debaixo da terra. Com isso, tem-se:

Idade da cerâmica = Dac/Dan

Várias cerâmicas indígenas brasileiras e algumas peruanas foram datadas em nosso laboratório. Além da datação através da técnica de TL, a técnica de ressonância paramagnética eletrônica (EPR) está sendo aplicada na datação de ossos, que por alguma razão não puderam ser datados pela técnica de 14C.

No caso de datações geológicas, além de grãos de quartzo, freqüentemente usa-se CaCO3 (calcita). Os sedimentos marítimos ou fluviais, como as dunas, são datados usando grãos de quartzo. A idade da ilha de Cananéia, as dunas fluviais do médio Rio São Francisco são exemplos de locais datados por nós. Também foram datadas uma estalagmite e uma estalactite da Caverna do Diabo, e um peixe fóssil da chapada de Araripe, Ceará.

Dois trabalhos interessantes, um já completado e outro em andamento, referem-se à datação de depósitos de calcita formados sobre pinturas rupestres ou gravuras feitas por antigos habitantes brasileiros, no Parque Nacional da Serra de Capivara e no abrigo Poseidon em Montalvânia, MG, a 1500 Km de São Paulo.

As datações por termoluminescência e por ressonância do spin eletrônico dos cristais de calcita formados em cima de uma pintura rupestre forneceram uma idade de cerca de 33.000 anos. Isto quer dizer que quem pintou a rocha viveu há mais de 33.000 anos. Esse resultado é contestado por arqueólogos americanos, que acreditam que o continente americano não recebeu os primeiros habitantes antes de 13.000 a 15.000 anos atrás.

No caso de Montalvânia, a datação preliminar forneceu idade variando entre 8.000 e 90.000 anos. Acontece que o material, depositado por inundação sobre a gravura, contém uma mistura de grãos de quartzo e pequenos cristais de calcita. A calcita formou-se na hora da inundação, mas os grãos de quartzo depositados já possuíam idades avançadas. Esse caso está sendo investigado.

Dosímetria das Radiações

O uso de diferentes tipos de radiação está sendo cada vez mais difundido em várias atividades humanas, como na indústria, na medicina, assim como em estudos de Física Nuclear, etc. Em aplicações industriais, em laboratórios de aceleração de partículas de alta energia, em usinas nucleares, etc., altas doses de radiação estão envolvidas. Por outro lado, na medicina nuclear, na radioterapia, etc., estão envolvidas radiações de dose muito baixa. Além de tal utilidade da radiação, também pode induzir algum dano à saúde do ser humano.

Portanto, a dosimetria da radiação e o estabelecimento de regras para proteção contra radiação tornam-se da maior importância. A dosimetria baseada em termoluminescência (TL), e os chamados TLD, começou no final dos anos 1950. LiF dopado com Mg e Ti e posteriormente com Mg, Cu, P foram e ainda são utilizados como materiais dosimétricos. Vários outros cristais iônicos têm sido estudados como materiais dosimétricos, entre eles o Al2O3:C e alguns outros também são usados extensivamente.

No Laboratório de Cristais Iônicos do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, minerais de silicato natural têm sido objeto de investigação em relação aos seus centros de cor, propriedades de Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) e Termoluminescência (TL), particularmente sob radiação.

Muitos desses minerais mostraram uma alta sensibilidade TL, especialmente para altas doses e muito altas doses de radiação da ordem de kGy até MGy. Algumas variedades de berilo de quartzo, turmalina, jadeíta e outros minerais podem ser usados para monitorar altas doses de radiação para conservação de alimentos, mudança de cor de minerais naturais e outras aplicações industriais, muitas vezes milhões de Gy de radiação são usadas.

Por outro lado, para aplicações médicas, são utilizadas doses de radiação muito baixas e só alguns minerais naturais de silicato tem mostrado sensibilidade neste nivel de radiação, como o quartzo verde ou quartzo azul. Atualmente estes minerais naturais de quartzo verde e azul estas sendo estudados para sua aplicação como dosimetros de baixa dose e calibrados com uma fonte de Raios X de energias de 40 até 80 keV.

Foram também produzidos no nosso laboratório policristais sintéticos de CaSiO3 não dopados e dopados com Eu, Dy, B, Cd pelo método de devitrificação, para seu estudo como detectores de radiação gama, nêutrons e íons acelerados. Estes policristais de silicato de cálcio tem mostrado ser muito sensíveis na detecção de dose de radiação gama de uma fonte de Co-60, fonte de Cs-137 e de Raios X de 40 e 80 keV, da ordem de mGy até centenas de kGy.

Também estes dosimetros de silicato de cálcio sintético foram irradiados com nêutrons térmicos de várias fluências no reator de pesquisa IEA-R1 do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), em São Paulo.

Além disso, foram irradiados com um feixe de prótons de 160 MeV e feixe de íons de carbono 290 MeV/n do sincrotron HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator em Chiba, Japão) no NIRS (Instituto Nacional de Ciências Radiológicas). A dose lida no leitor TL Harshaw apresentou uma boa concordância com as doses encontradas usando uma câmara de ionização no caso de feixes de prótons e um pouco menos no caso do feixe de carbono devido a transferencia de energia no material.

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