Entrevista com Pulickel Ajayan (professor da Rice University, EUA).


PulickelAjayan2Apesar de todo o conhecimento sobre nanotecnologia gerado nas últimas décadas, aplicar nanomateriais em produtos comerciais ainda pode ser uma tarefa difícil. No XVI Encontro da SBPMat, o professor Pulickel Ajayan, uma das referências mundiais em nanomateriais e nanoestruturas, vai lançar luz sobre esse problema.

Na palestra plenária que proferirá em Gramado na manhã de 14 de setembro, Ajayan discorrerá sobre alguns desafios inerentes à aplicação de nanomateriais (particularmente, os de duas dimensões) em sistemas e dispositivos, abordando questões relativas à síntese, caracterização e modificação desses materiais.

De fato, desde o início de sua carreira científica, Ajayan tem se destacado no desenvolvimento de nanomateriais com diversas funcionalidades, aplicáveis a segmentos como, por exemplo, o de armazenamento e conversão de energia, catálise, eletrônica de baixo consumo, nanomedicina e preservação do meio ambiente. Entre suas contribuições mais famosas, desenvolvidas junto à sua equipe e colaboradores, estão os nanotubos de carbono recheados com material fundido que funcionam como moldes de nanofios (1993); a nanoescova de nanotubos de carbono, destacada pelo Guinness World Records como a menor do mundo (2005); a bateria de papel, feita de celulose e nanotubos (2007); o tapete de nanotubos ultra escuro, que reflete apenas 0,045% de luz (2008); a esponja de nanotubos reutilizável capaz de absorver óleo disperso em águas (2012).

Professor e diretor do Departamento de Ciência de Materiais e Nanoengenharia da Rice University (EUA), Pulickel Madhavapanicker Ajayan é dono de excepcionais indicadores de produção científica (índice h de 144 e mais de 95 mil citações segundo o Google Scholar), construídos ao longo de 30 anos de pesquisa.

Pulickel Ajayan nasceu em 1962 na Índia, numa pequena cidade do estado de Kerala, localizado ao sul do país. Ali cursou o ensino primário. Realizou os estudos secundários na capital do estado, numa escola que despertou seu entusiasmo por aprender, sua curiosidade e seu interesse em ciência.

Em 1985, Ajayan formou-se em Engenharia Metalúrgica na Banaras Hindu University (BHU), localizada no nordeste da Índia e, em seguida, foi fazer um doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais na Northwestern University (EUA). Nesse momento, começou a incursionar na nanotecnologia. Em 1989, defendeu sua tese sobre partículas de ouro muito pequenas que, alguns anos mais tarde, começariam a ser chamadas de “nanopartículas”.

Em 1990, mudou-se para o Japão para fazer um estágio de pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa Fundamental da NEC Corporation, onde permaneceu até 1993 no grupo responsável por uma série de estudos seminais sobre os nanotubos de carbono – inclusive a própria “descoberta” desses nanomateriais, atribuída a Sumio Iijima em 1991. Durante seu pós-doc, Ajayan obteve importantes resultados sobre a síntese de nanotubos em grande escala e sobre o enchimento de nanotubos com outros materiais.

Do Japão, foi para a França, onde atuou como pesquisador do Laboratório de Física dos Sólidos da Université Paris-Sud durante dois anos e, em seguida, para a Alemanha, onde trabalhou durante um ano e meio no Max-Planck-Institut für Metallforschung. Em 1997, mudou-se aos Estados Unidos ao se tornar professor assistente do Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), a mais antiga universidade de pesquisa tecnológica do país, localizada no estado de Nova Yorque. No RPI, ocupou a cadeira Henri Burlage de Engenharia e trabalhou no grupo de pesquisa em nanotecnologia.

Em 2007, saiu do RPI e uniu-se ao corpo docente do Departamento de Engenharia Mecânica e Ciência de Materiais da Rice University, ocupando a cadeira Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson de Engenharia. Em 2014, assumiu também a coordenação do recém-criado Departamento de Ciência de Materiais e Nanoengenharia.

Atualmente, além de lecionar e liderar um grupo de pesquisa de cerca de 40 membros na Rice University, Ajayan viaja muito, seja para dividir seus conhecimentos sobre nanotecnologia (já proferiu mais de 350 palestras a convite e é professor convidado em universidades da China, Índia e Japão), quer para cuidar de suas colaborações científicas. Além disso, Ajayan tem atuado em conselhos de diversos periódicos de Materiais e Nanotecnologia, de startups e de conferências internacionais.

O cientista recebeu importantes prêmios de diversas entidades como a Royal Society of Chemistry (Reino Unido), Alexander von Humboldt Foundation (Alemanha), Materials Research Society (EUA), Microscopic Society of America (EUA) e a famosa revista de divulgação científica Scientific American, bem como distinções de numerosas universidades do mundo, inclusive o doutorado honoris causa pela Université Catholique de Louvain (Bélgica). É membro eleito da Royal Society of Chemistry (Reino Unido), American Association for the Advancement of Science (AAAS), as academias nacionais de ciências da Índia e México, entre outras sociedades científicas.

Segue uma breve entrevista com o cientista

Boletim da SBPMat: – Gostaríamos que você escolhesse algumas de suas contribuições à nanotecnologia, a descrevesse brevemente e compartilhasse a referência do artigo em que foi publicada. Por favor, escolha aquela que você considera que causou ou causará mais impacto na sociedade e aquela que lhe deu mais satisfação pessoal.

Pulickel Ajayan: – Várias de nossas descobertas têm impacto comercial e social. Nas últimas duas décadas, alguns dos destaques da pesquisa do nosso laboratório foram arranjos de nanotubos de carbono como absorventes de luz extremos (para termofotovoltaica), arranjos de nanotubos como fitas de gecko, fibras de nanotubos de carbono de alta condutividade, membranas de óxido de grafeno para filtração de água, nanomateriais de carbono para armazenamento de energia, nanocompósitos de polímeros leves, desenvolvimento de materiais bidimensionais para eletrônicos e sensores, pontos quânticos baseados em carbono para catálise, por exemplo, redução de CO2 etc.

Um dos trabalhos mais emocionantes para mim foi relacionado à conversão de cebolas de carbono em nanopartículas de diamante por irradiação de elétrons. Este trabalho foi feito em colaboração com o Prof. Florian Banhart, quando visitei como pós-doc o Max Planck Intitute for Metallforschung, em Stuttgart, em meados da década de 90. Este trabalho publicado na revista Nature mostrou a observação direta da transição do grafite à fase de diamante sem aplicação de nenhuma pressão externa.

Boletim da SBPMat: – Alguma de suas contribuições já foi transferida a um produto comercial? Comente brevemente.

Pulickel Ajayan: – Duas empresas startup (Paper Battery Co. e Big Delta Systems) saíram do nosso trabalho; ambas envolvem tecnologias não convencionais de armazenamento de energia.

Boletim da SBPMat: – Deixe um convite para sua palestra plenária.

Pulickel Ajayan: – A nanotecnologia é uma abordagem de mudança de paradigma sobre como vamos construir materiais do futuro. Está no cerne da fabricação de baixo para cima (bottom-up) e afetará várias áreas das tecnologias futuras. Nosso trabalho nas últimas duas décadas tem se concentrado na criação de materiais nanoestruturados com vários tipos de blocos de construção em nanoescala.

 

Mais Informações

No site da reunião do XVI B-MRS, clique na foto de Pulickel Ajayan e veja seu mini CV e o resumo de sua palestra plenária:http://sbpmat.org.br/16encontro/home/

Artigo em destaque: Material avançado para supercapacitores supercapazes.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: One-step electrodeposited 3D-ternary composite of zirconia nanoparticles, rGO and polypyrrole with enhanced supercapacitor performance. Alves, Ana Paula P.; Koizumi, Ryota; Samanta, Atanu; Machado, Leonardo D.; Singh, Abhisek K.; Galvao, Douglas S.; Silva, Glaura G.; Tiwary, Chandra S.; Ajayan, Pulickel M. NANO ENERGY, volume 31, January 2017, 225–232. DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.11.018.

Material avançado para supercapacitores supercapazes

Supercapacitores são dispositivos de estocagem de eletricidade que apresentam a útil particularidade de liberarem grandes quantidades de energia em curtos intervalos de tempo. Já são usados, por exemplo, em veículos elétricos ou híbridos, flashes de câmeras fotográficas e elevadores, mas ainda podem ser aperfeiçoados – em grande parte, com a contribuição da Ciência e Tecnologia de Materiais – para as aplicações atuais e potenciais. Em um esquema bem simplificado, um supercapacitor é formado por dois eletrodos, o positivo e o negativo, separados por uma substância contendo íons positivos e negativos (o eletrólito).

Um artigo recentemente publicado no periódico científico Nano Energy (fator de impacto 11,553) apresenta uma contribuição de uma equipe científica internacional e interdisciplinar ao desenvolvimento de materiais que melhoram o desempenho de supercapacitores. Mediante um processo simples e facilmente escalável, o time de pesquisadores do Brasil, Estados Unidos e Índia fabricou eletrodos de um material compósito formado por polipirrol (PPi), óxido de grafeno reduzido (rGO) e nanopartículas de óxido de zircônio (ZrO2). Ao combinarem os três materiais, os cientistas conseguiram gerar um eletrodo com grande área superficial e alta porosidade – características fundamentais para promover a interação dos íons do eletrólito com a superfície dos eletrodos e, dessa maneira, potencializar o desempenho do supercapacitor.

“Nossa contribuição diferenciada foi a síntese, em uma única e simples etapa de eletrodeposição, de um híbrido contendo grafeno, óxido de zircônio e polipirrol e a demonstração experimental de ganhos consideráveis em propriedades eletroquímicas, em paralelo à modelagem teórica visando obter uma compreensão do papel dos componentes do material”, diz Glaura Goulart Silva, professora do departamento de Química da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e autora correspondente do artigo.

Além de preparar amostras do compósito ternário (ou seja, formado por três elementos) PPi/rGO/ZrO2, a equipe fabricou, usando o mesmo método e para fins de comparação, amostras do compósito binário PPi/rGO, e amostras de polipirrol puro. Os três materiais foram analisados usando as técnicas de XPS (espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X), MEV (microscopia eletrônica de varredura), espectroscopia Raman e microscopia eletrônica de transmissão, para determinar sua composição, estrutura e morfologia.

Como pode ser observado nas imagens de MEV da figura abaixo, os cientistas notaram que a adição de óxido de grafeno e nanopartículas de zircônia mudara significativamente a morfologia do material. Enquanto o polipirrol puro tinha formado um filme trincado e com aspecto de aramado, o compósito com grafeno possuía uma morfologia granulosa e sem fendas, e o material com óxido de zircônio se apresentava com aspecto semelhante ao de folhas.

Finalizando a parte experimental do estudo, os cientistas realizaram uma série de testes para medir o desempenho dos três materiais enquanto supercapacitores. Os resultados mostraram que a capacidade de armazenar cargas elétricas (capacitância) tinha aumentado até 100% no compósito ternário com relação ao polipirrol. Além disso, esse desempenho, em vez de diminuir devido ao uso do eletrodo, aumentara 5% depois de 1.000 recargas nos compósitos binário e ternário.

O artigo foi o primeiro a apresentar a introdução de nanopartículas de óxido de zircônio em eletrodos de polipirrol e grafeno para supercapacitores. Assim, a equipe realizou modelagens computacionais para analisar o papel do óxido de zircônio no desempenho do compósito. As simulações confirmaram os efeitos benéficos das nanopartículas na estabilidade do material, diretamente relacionada ao alongamento da vida útil dos eletrodos.

Esquema ilustrativo de armazenamento de carga e interação dos íons próximos à superfície dos eletrodos de polipirrol puro (PPi), con óxido de grafeno reduzido (PPi/rGO) e polipirrol, PPi/rGO/ZrO2 (acima), baseado na morfologia associada às imagens de MEV da superfície dos eletrodos com os respectivos materiais sob substrato de fibra de carbono (abaixo). Imagem feita por Ana Paula Pereira Alves para sua tese de doutorado.
Esquema ilustrativo de armazenamento de carga e interação dos íons próximos à superfície dos eletrodos de polipirrol puro (PPi), con óxido de grafeno reduzido (PPi/rGO) e polipirrol, PPi/rGO/ZrO2 (acima), baseado na morfologia associada às imagens de MEV da superfície dos eletrodos com os respectivos materiais sob substrato de fibra de carbono (abaixo). Imagem feita por Ana Paula Pereira Alves para sua tese de doutorado.

 

“O potencial destes novos compósitos para uso em supercapacitores é muito grande devido às necessidades de aumento da densidade de energia fornecida pelo dispositivo, em paralelo à sua miniaturização”, afirma a professora Goulart Silva. “A alternativa desenvolvida no trabalho em questão permite um melhor desempenho em termos de estabilidade à ciclagem com ganhos na direção da segurança do supercapacitor. O uso de supercapacitores e baterias nos carros elétricos e híbridos é uma das frentes tecnológicas onde estes materiais podem encontrar aplicação”, completa.

A partir da esquerda do leitor: a professora Glaura Goulart Silva (UFMG), o professor Pulickel Ajayan (Rice University) e Ana Paula Pereira Alves, doutora recém- diplomada pela UFMG.
A partir da esquerda do leitor: a professora Glaura Goulart Silva (UFMG), o professor Pulickel Ajayan (Rice University) e Ana Paula Pereira Alves, doutora recém- diplomada pela UFMG.

O trabalho faz parte do doutorado em Química de Ana Paula Pereira Alves, realizado com orientação da professora Goulart Silva e defendido em fevereiro deste ano na UFMG com uma tese sobre síntese e caracterização de materiais avançados para supercapacitores. Na universidade mineira, Pereira Alves realizou, no doutorado, um treinamento intensivo em técnicas de síntese e análise físico-química de polímeros conjugados e de grafenos e em caracterização de supercapacitores. Em 2015, ela partiu para os Estados Unidos para realizar um estágio “sanduíche” de um ano, com apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), no departamento de Ciência dos Materiais e Nanoengenharia da Rice University, no grupo de pesquisa do professor Pulickel Ajayan (pesquisador com índice h=139 segundo o Google Scholar), que é colaborador do grupo da professora Goulart Silva desde 2010. “O professor Ajayan tem sistematicamente proposto inovações radicais em sínteses e design de baterias e supercapacitores, com grande impacto internacional na área”, comenta ela.

O trabalho experimental reportado no artigo foi realizado na Rice University, com a presença de todos os autores, inclusive os oriundos do Brasil e da Índia, sem omitir a própria professora Goulart Silva, que passou ali o mês de fevereiro de 2016 com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (Fapemig). “O ambiente altamente interdisciplinar do Department of Materials Science and NanoEngineering da Rice permitiu que engenheiros, físicos e químicos se reunissem para trabalhar em um problema de grande importância na atualidade”.

A modelagem computacional foi realizada por pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) – entre eles, o professor Douglas Galvão (Unicamp), que mantinha uma colaboração científica com o professor Ajayan desde antes do início desta pesquisa.

“Em minha opinião este trabalho é um excelente exemplo de sucesso, onde a competência dos grupos brasileiros se uniu à de um grupo altamente produtivo e impactante no cenário internacional e se complementaram”, diz Goulart Silva. “A estabilidade e ampliação dos investimentos em pesquisa e desenvolvimento no Brasil são essenciais para que exemplos de trabalhos como esse sejam corriqueiros. Pesquisa é um investimento que precisa ser feito a longo termo, sem retrocessos, para assim permitir uma alta taxa de retorno em termos de materiais, tecnologias e pessoas altamente qualificadas. Ana Paula Alves é agora uma jovem doutora em busca de oportunidade para construir seu grupo de pesquisa e assim formar novos estudantes e contribuir para enfrentar os desafios do nosso país”, completa a professora da UFMG.