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Aplicações do magnetismo
 

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    Aplicações do magnetismo Aplicações do magnetismo Document Transcript

    • F Í S FI ÍC SA I C AO que motores elétricos,discos rígidos decomputador, televisores,carros, fitas devideocassete e cartõesde créditos têm emcomum? Resposta:materiais magnéticos.Presentes em inúmerosutensílios da vidamoderna – o famoso‘ímã de geladeira’talvez seja o caso maisemblemático –, essesmateriais, por sua Os fenômenos magnéticos foram, talvez, os primeiros a despertarimportância e a curiosidade da humanidade sobre o interior dacomplexidade, fazem matéria. Os mais antigos relatos de experiênciascom que as pesquisas com a ‘força misteriosa’ da magnetita (Fe3O4), o ímã natural, são atribuídos aos gregos e datam desobre magnetismo sejam 800 a.C. A primeira utilização prática do magne-intensas na atualidade, tismo foi a bússola, inventada pelos chineses nacom grandes avanços dinastia Han, em 200 d.C., e baseada na proprie- dade que uma agulha magnetizada tem de se ori-nas últimas duas entar na direção do campo magnético terrestre. Adécadas. Neste artigo, bússola foi empregada em navegação pelos chine-o leitor vai ser atraído ses em 900 d.C., mas só foi descoberta e usada pelo mundo ocidental a partir do século 15.para o vasto campo das Os fenômenos magnéticos ganharam uma di-aplicações dos materiais mensão muito maior quatro séculos mais tarde,magnéticos, cujo mercado com a descoberta de sua relação com a eletricida- de através dos trabalhos do dinamarquês Hansatual movimenta cifras Christian Oersted (1777-1851), do francês Andréque chegam a centenas Marie Ampère (1775-1836), do inglês Michaelde bilhões de dólares. Faraday (1791-1867) e do norte-americano Joseph Henry (1797-1878), para citar alguns poucos exem- plos. No final do século 19, diversos fenômenos já eram compreendidos e tinham inúmeras aplica-Marcelo Knobel ções tecnológicas, das quais o motor e o geradorInstituto de Física Gleb Wataghin, elétrico eram as mais importantes.Universidade Estadual Apesar de séculos e séculos de investigações, ode Campinas (SP) magnetismo em nível microscópico só foi compre-18 • CIÊNCIA HOJE • vol. 36 • nº 215
    • F Í S FI ÍC SA I C A Três categorias Nas aplicações tradicionais, como em motores, ge- radores e transformadores, os materiais magnéti- cos são utilizados em três categorias principais: como ímãs permanentes – que têm a propriedade de criar um campo magnético constante – e como materiais magnéticos doces (ou permeáveis), que são magnetizados e desmagnetizados com facilida-endido na primeira metade do século passado, após de e produzem um campo magnético muito maioro advento da física quântica, que nasceu em 1900, ao que seria criado apenas por uma corrente enro-com a hipótese do físico alemão Max Planck (1858- lada na forma de espira.1947) dos quanta de energia, ou seja, a de que, na Sobre a terceira grande categoria de aplicação,natureza, a energia é gerada e absorvida em dimi- a chamada gravação magnética, vale a pena senutos pacotes – os quanta – e não como um fluxo estender um pouco mais, pois ela adquiriu grandecontínuo, como se imaginava até então. Posterior- importância nas últimas décadas. Essa aplicação émente, essa idéia levou ao desenvolvimento da baseada na propriedade que o cabeçote de grava-chamada física quântica – teoria para os fenôme- ção tem de gerar um campo magnético em respos-nos do diminuto universo das entidades atômicas ta a uma corrente elétrica. Com esse campo, ée moleculares – através dos trabalhos do físico possível alterar o estado de magnetização de umalemão Albert Einstein (1879-1955), do dinamar- meio magnético próximo, o que possibilita arma-quês Niels Bohr (1885-1962), do alemão Werner zenar nele a informação contida no sinal elétrico.Heisenberg (1901-1976), do britânico Paul Dirac A recuperação (ou a leitura) da informação gra-(1902-1984), entre outros. vada é realizada pelo processo inverso, denominado O século passado testemunhou um avanço im- indução. Ou seja, a mídia magnetizada e em movi-pressionante no entendimento do fenômeno do mento sobre o cabeçote de leitura induz nele umamagnetismo, e, conseqüentemente, suas aplicações corrente elétrica. Hoje, além do fenômeno de indu-se multiplicaram e foram substancialmente apri- ção, também são utilizados novos materiais estru-moradas. Apesar desses avanços, ainda há muitas turados artificialmente, formados por multicamadascoisas por compreender. magnéticas conhecidas como ‘válvulas de spin’. maio de 2005 • CIÊNCIA HOJE • 19
    • F Í S I C A ADAPTADO DE HYPER PHYSICS M Ms Magnetização de saturação MR Magnetização do material Magnetização remanente HC Coercividade H Intensidade do campo magnético aplicado Magnetização nula Magnetização nula Magnetização de saturação no sentido oposto Figura 1. O ciclo de histerese de um material magnético é obtido ao aplicar sobre ele um campo magnético e medir sua resposta (magnetização). O campo inicialmente é nulo e é aumentado gradativamente (linha tracejada), até o material não mudar mais sua magnetização com a aplicação de campo (magnetização de saturação). Depois, ele é reduzido até atingir o valor nulo novamente. Entretanto, após a aplicação do campo, geralmente o valor da magnetização não é o mesmo da magnetização inicial, sendo chamada magnetização remanente (MR) ou simples- mente remanência. O sentido do campo é, então, invertido e vai sendo aumentado mais uma vez. O campo reverso necessário para fazer com que a magnetização retorne ao valor nulo é conhecido como campo coercivo ou coercividade (Hc). O campo continua sendo aumentado até, novamente, o material alcançar o valor de saturação no sentido in- verso. O campo é posteriormente reduzido e invertido novamente, até fechar o ciclo A gravação magnética é essencial para o funciona- netização relativamente baixa depois desse pro- mento de gravadores de som e de vídeo, bem como cesso. Já as ligas de samário e cobalto (Sm-Co), por de inúmeros equipamentos acionados por cartões exemplo, precisam de campos muito intensos pa- magnéticos, como os caixas eletrônicos de banco. ra ser totalmente magnetizadas, mas retêm muita magnetização quando o campo é desligado. O ciclo de histerese Um bom ímã No século passado, ocorreu uma verdadeira revo- lução na compreensão das propriedades fundamen- Os ímãs permanentes são dispositivos usados para tais dos materiais magnéticos. Com isso, tornou-se criar um campo magnético estável em uma dada possível a produção de ligas cada vez melhores do região do espaço, sendo a mais antiga aplicação ponto de vista das aplicações. dos materiais magnéticos. Eles têm um papel O que determina o enquadramento nas três importante na tecnologia moderna, sendo ampla- categorias descritas acima é o ciclo de histerese do mente usados em dispositivos eletromagnéticos material. Esse ciclo é representado pelo gráfico da (motores, geradores etc.), dispositivos acústicos magnetização M do material em função do campo (alto-falantes, fones, agulhas magnéticas etc.), equi- magnético externo aplicado H (figura 1). Em ou- pamentos médicos (sistemas de ressonância mag- tras palavras, o ciclo de histerese mostra o quanto nética nuclear, marca-passos etc.), instrumentos um material se magnetiza sob a influência de um científicos, entre outros. Como exemplo, a figura 2 campo magnético e o quanto de magnetização per- mostra a quantidade de ímãs que são utilizados manece nele depois que esse campo é desligado. em um carro moderno. Por exemplo, o ferro se magnetiza com um campo Como os ímãs são usados essencialmente para externo de baixa intensidade, mantendo uma mag- armazenar energia, seu mérito é definido como a20 • CIÊNCIA HOJE • vol. 36 • nº 215
    • F Í S I C A máxima energia magnética armazenada por uni- dade de volume. Essa grandeza – denominada pro- A descoberta recente duto energético máximo (BHmax) – corresponde à As ligas denominadas alnico foram descobertas área do maior retângulo que pode ser inscrito no em 1930 e são constituídas de ferro (Fe), níquel segundo quadrante (superior, à esquerda) do ciclo (Ni) e cobalto (Co) e dotadas de pequenas quanti- de histerese, mostrado na figura 1.ADAPTADO DE DRIVING FORCE: THE NATURAL MAGIC OF MANAGNETS, DE JAMES D. LIVINGSTON. HARVARD UNIVERSITY PRESS (BOSTON, EUA, 1997) dades de alumínio (Al), cobre (Cu) e titânio (Ti) – Geralmente, um bom ímã é aquele que retém a palavra alnico vem da aglutinação das siglas dos uma magnetização elevada depois que foi subme- elementos químicos alumínio, níquel e cobalto. tido a um campo magnético externo – preferen- Essas ligas permitiram a fabricação de ímãs com cialmente, de baixa intensidade. Os físicos deno- produto energético de até 43 mil joules por metro minam coercividade o valor do campo magnético cúbico de liga (BHmax = 43 kJ/m3). externo necessário para desmagnetizar um ímã. Outro material muito importante dessa classe é Assim, quanto maior a coercividade, melhor será a liga de samário e cobalto (Sm-Co), que foi des- o ímã permanente, pois isso indica que ele se coberta no início da década de 1960 e que possi- desmagnetizará com mais dificuldade. Já a cha- bilitou o surgimento, na década seguinte, de ímãs mada magnetização remanente – ou, simplesmen- comercialmente disponíveis com produto energé- te, remanência – indica o quanto um material re- tico em torno de 150 kJ/m3. Como conseqüência do tém de magnetização, depois de ser submetido a enorme progresso da tecnologia de materiais mag- um campo magnético externo. néticos, tivemos a descoberta recente, em 1983, de Portanto, quanto mais largo e mais alto for o novos ímãs de neodímio, ferro e boro (Nd-Fe-B), ciclo de histerese, melhor será o ímã permanente, cujo produto energético é de 300 kJ/m3. pois ele terá coercividade e magnetização rema- Com essa crescente evolução, centenas de apli- nente elevadas. Alguns materiais, mesmo quando cações tecnológicas – em especial, motores e alto- o campo magnético aplicado sobre eles é pratica- falantes – tiveram – e ainda têm – drástica redução mente nulo, permanecem com magnetização ele- de peso e tamanho, bem como grande aumento na vada, gerando um campo magnético apreciável em eficiência. O mercado mundial de materiais mag- torno deles. Esse é o caso dos ímãs convencionais néticos duros (ou permanentes) é da ordem de que conhecemos – um dos exemplos são os chama- US$ 1 bilhão ao ano, mas o mercado dos bens que dos ‘ímãs de geladeira’, atualmente muito empre- deles dependem é dezenas de vezes mais elevado. gados no campo da publicidade. Figura 2. Diversos ímãs (materiais magnéticos duros) utilizados em um carro moderno maio de 2005 • CIÊNCIA HOJE • 21
    • F Í S I C A CEDIDO PELO AUTOR Campo magnético Mídia magnética gerado pelo em movimento pulso elétrico Filme antiferromagnético Cobalto Cobre Níquel e ferro Contato Entrada do pulso elétrico Cabeçote indutivo Cabeçote magnetorresistivo Figura 3. Ilustração de um processo de gravação e leitura magnética, utilizando, comparativamente, um cabeçote indutivo convencional (à esquerda) e um cabeçote magnetorresistivo com tecnologia moderna. Para gravar uma in- formação, ambos os sistemas contêm um cabeçote indutivo, onde um pulso elétrico, contendo a informação a ser gravada, é transformado em campo magnético, que, por sua vez, altera a magnetização da mídia. No caso conven- cional, a leitura é feita pelo mesmo cabeçote, transformando em sinais elétricos os campos magnéticos variáveis que são detectados. Já nos sistemas mais modernos, existe o segundo cabeçote, baseado no princípio da magne- torresistência, que é muito mais sensível para detectar uma região magnetizada – ou seja, a informação gravada –, pois esta causa nele uma alteração de sua resistência elétrica. O processo pelo qual funciona o cabeçote magnetor- resistivo permite que esse dispositivo seja miniaturizado, mantendo uma ótima sensibilidade, o que leva à leitura de áreas cada vez menores da mídia e, conseqüentemente, um aumento considerável na densidade superficial de bits que podem ser gravados por unidade de área Doces, suaves ou moles cobalto. Assim, cada categoria de liga encontra um nicho de aplicação específico. É interessante notar, Por outro lado, um ciclo de histerese muito estrei- entretanto, que, formando ligas à base de ferro e to indica um bom material magnético doce – tam- cobalto, é possível encontrar composições com óti- bém chamado permeável, suave ou mole. Esses mas propriedades, quando se adicionam em torno materiais são caracterizados por uma baixa coer- de 5% de cobalto e 70% de ferro, bem como silício cividade – ou seja, se desmagnetizam com facili- e boro. Com isso, obtêm-se os melhores magnetos dade – e alta permeabilidade magnética – isto é, doces – ou seja, aqueles que respondem muito for- retém uma magnetização elevada a partir de um temente à aplicação de campo magnético, manten- campo aplicado de baixa intensidade. Bons exem- do uma coercividade muito baixa, em torno de 10 plos de materiais magnéticos doces – além de ligas vezes menor que o campo magnético terrestre. clássicas como permalloy e mumetal – são as ligas Materiais magnéticos doces, incluindo os amor- ferromagnéticas amorfas (materiais sem estrutura fos, são utilizados em motores, geradores e trans- definida, como o vidro, por exemplo, só que me- formadores, economizando bilhões de dólares to- tálicos). Essas ligas, também descobertas na déca- dos os anos, pois ajudam a diminuir perdas ener- da de 1960, podem ser produzidas na forma de géticas na produção e distribuição de eletricidade. fitas, fios, filmes e, mais recentemente, até como É também crescente o uso desses materiais como estruturas maciças. sensores magnéticos, que têm um mercado estima- Podem-se separar os materiais magnéticos do em torno de US$ 1 bilhão ao ano. Assim, como amorfos em duas categorias: ligas à base de ferro e no caso dos ímãs permanentes, esse mercado é ligas à base de cobalto. As primeiras podem reter multiplicado por um fator elevado, se considerar- uma maior magnetização quando submetidas a um mos os diferentes dispositivos que dependem des- campo magnético externo, mas perdem essa magne- ses materiais e também a economia de energia tização a temperaturas mais baixas que as ligas de decorrente de seu uso em aplicações práticas.22 • C I Ê N C I A H O J E • v o l . 3 6 • n º 2 1 5
    • F Í S I C AOnde a nanotecnologia mente 9 milhões de vezes. Nos últimos anos, o setor empresarial nessa área tem conseguido o feitoé realidade impressionante de dobrar a capacidade dos discos rígidos a cada nove ou 10 meses. E esse feito decor-Finalmente, há uma terceira classe, a dos mate- re de uma melhoria de todo o sistema de gravaçãoriais magnéticos usados em gravação magnética, e leitura, incluindo a parte mecânica, a parte eletrô-que têm ciclos de histerese intermediários, sufi- nica e a parte de leitura e gravação.cientemente largos para serem estáveis em uma Conforme exemplificada na situação da grava-dada temperatura, mas nem tão estáveis para que ção magnética, a sofisticação no desenvolvimentonão seja possível magnetizá-los novamente pelo de materiais magnéticos é tanta que já podem sercabeçote de gravação. O mercado mundial em gra- controladas estruturas em escala nanoscópica (mi-vação magnética é estimado em torno de US$ 100 lionésima parte do milímetro). Nessa área, a nano-bilhões por ano e vem se expandindo a uma taxa ciência já é uma realidade, e a tecnologia está ra-próxima a 17% ao ano. pidamente atingindo as dimensões nanométricas. Nessa classe, estão as fitas de gravação de vídeo, As propriedades físicas dos materiais mudamde cassete, bem como disquetes e discos rígidos de quando as dimensões típicas das estruturas envol-computador. Esses meios são basicamente forma- vidas são da ordem dos nanômetros. É assim quedos por um suporte físico (plástico ou alumínio) e novas propriedades, com importantes aplicaçõespor um filme magnético, sendo que para estes tecnológicas, aparecem nesses materiais nanoes-usam-se, geralmente, óxidos de ferro, platina e truturados.cromo. Para incrementar a coercividade, é adicio-nado cobalto. Grandes volumes de informação são armazena- Gigante da resistênciados nessa mídia magnética na forma de bits biná-rios de informação. Essa informação armazena-se O princípio da gravação e leitura magnética éem pequenas regiões magnéticas, que permane- relativamente simples. Na gravação magnética con-cem magnetizadas em um sentido – representando vencional, um cabeçote magnético indutivo é usa-o zero – ou em outro – representando o um. Dize- do para ‘escrever’ a informação em um meio demos, então, que o vetor momento magnético – pode- gravação magnética (fita ou disco). Esse meio sese imaginá-lo como uma diminuta agulha de bús- move com relação ao cabeçote, e assim os bitssola – de cada região aponta em um sentido ou em (regiões magnetizadas em sentidos opostos) sãooutro no plano do filme. O sentido desse vetor gravados ao aplicar pulsos de correntes positivasmede-se com um cabeçote de leitura ultra-sensí- ou negativas à bobina que faz parte do cabeçote –vel, cuja tecnologia também tem evoluído muito para nossos propósitos aqui, podemos imaginar anos últimos anos. bobina como um fio metálico enrolado. Com o contínuo avanço da tecnologia e a cres- O mesmo cabeçote pode ser utilizado para lercente demanda do mercado, as indústrias buscam, a informação, pois o movimento das regiões mag-cada vez mais, miniaturizar os equipamentos e au- netizadas da mídia sobre ele induz pequeníssimasmentar a densidade de informação de um disco rí- correntes na bobina sensora. Essas correntes sãogido, isto é, aumentar a quantidade de informação detectadas após uma cuidadosa amplificação earmazenada por unidade de área. Atinge-se esse processamento. O sinal obtido está diretamenteobjetivo ao diminuir o tamanho efetivo relacionado com a velocidadedos bits, ou seja, diminuindo a área relativa do cabeçote e com o ta-que se mantêm magnetizada em um manho do bit (figura 3).dado sentido, indicando 0 ou 1. E a A descoberta de um fenôme-indústria de gravação magnética tem no que ficou conhecido comofeito isso há 40 anos, nos quais con- magnetorresistência gigante,seguiram-se avanços significativos. em 1988, sacudiu os meios aca- Na década de 1960, a densida- dêmicos e tecnológicos. Usandode de gravação já atingia a ordem estruturas formadas por sanduí-de alguns mil bits por cm2 (kbits/ ches de ferro ‘recheados’ com umacm2). Em 2003, alguns discos dis- camada de três átomos de cro-poníveis no mercado já apresen- mo, os pesquisadores mediram atavam densidades de 5 bilhões resistência elétrica do sistema,de bits por cm2 (Gbits/cm2), um para diferentes campos magnéti-aumento total de aproximada- cos aplicados. m a i o d e 2 0 0 5 • C I Ê N C I A H O J E • 23
    • F Í S I C A mente, é a concepção da idéia. Em MISSÃO: OTIMIZAR PROPRIEDADES seguida, surge a etapa da produção dos materiais e, posteriormente, vem O objetivo dos pesquisadores é da por alguns pesquisadores – co- a caracterização estrutural dos conceber novas idéias, processos e mo os do grupo do LMBT, da Uni- nanomagnetos. Para isso, são usa- modelos que eventualmente te- camp – é trabalhar no estágio ime- dos recursos como a microscopia ele- nham aplicações futuras. Dado o diatamente anterior ao das aplica- trônica, a difração de raios X e a luz número limitado de pesquisado- ções. A principal missão do grupo síncrotron – esta última é a radiação res trabalhando na área no Brasil é aperfeiçoar as propriedades dos eletromagnética emitida por elétrons e o envolvimento incipiente da in- nanomagnetos, a partir do entendi- energéticos em um acelerador de dústria nacional, torna-se difícil mento de fenômenos observados. partículas. Na seqüência, os pes- para o país competir no campo das Esse esforço exige o cumprimento quisadores, geralmente, submetem aplicações. A alternativa encontra- de diversas fases. A primeira, obvia- os materiais a um tratamento térmi- Figura 4. Em (A) e (B) são mostradas as dimensões em na- A B nômetros (nm) de nanopartículas de cobalto. Em (C), es- tão dois ciclos de histerese obtidos para o sistema Co0.3(SiO2)70 em baixa (azul) e alta temperatura (preto). A curva em preto mostra a ausência de coercividade e remanência quando o sistema se encontra no estado superparamagnético. Em (D), uma medida de magneti- zação em função da temperatura. O comportamento é ca- racterístico de um sistema superparamagnético. Esses re- sultados foram obtidos no Laboratório de Materiais e Bai- xas Temperaturas, da Universidade Estadual de Campi- nas (SP), e as fotografias no Laboratório de Microscopia Eletrônica, do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, também em Campinas Quando as camadas de fora, ou seja, as camadas informática, cuja sobrevivência depende de ler ferromagnéticas (de ferro) do sanduíche estão com campos magnéticos muito pequenos nos discos alinhamento magnético contrário um ao outro, o rígidos. Ter um efeito maior significava poder ler dispositivo tem resistência elétrica alta. Entretan- coisas menores e com mais precisão. Assim, após to, quando o alinhamento é paralelo – gerado pelo essa descoberta, uma nova tecnologia tem crescido campo magnético externo –, a resistência é menor, continuamente nestes últimos anos. São os chama- da ordem da metade (50%) da configuração ante- dos cabeçotes ativos, quase sempre baseados no rior. A surpresa residiu no fato de que, até então, fenômeno da magnetorresistência. uma variação máxima de cerca de 3% era conhe- Um cabeçote magnetorresistivo pode detectar cida e, portanto, o fenômeno ganhou o adjetivo um bit de informação ao passar por ele, pois este ‘gigante’. mudaria sua resistência elétrica pela presença do Apesar de ser uma descoberta de apenas 16 campo magnético. Além disso, os cabeçotes mag- anos, o fenômeno, hoje, já é utilizado na enorme netorresistivos não precisam ter uma geometria maioria dos cabeçotes de leitura dos discos rígidos complicada e podem ajudar a aumentar a densida- de computadores (figura 3), e toda uma nova área de de informação contida nos discos magnéticos da física, conhecida como eletrônica de spin (ou atuais, pois são capazes de ler as informações spintrônica), tem se desenvolvido a partir dessa mesmo em maior densidade. descoberta, que foi realizada no laboratório de Albert Fert, em Orsay (França), e contou com a colaboração de um pesquisador brasileiro, Mário Baibich, atualmente pesquisador do Instituto de Como um minúsculo ímã Física da Universidade Federal do Rio Grande do Entre os sistemas nanoestruturados, encontram-se Sul (UFRGS). também os conhecidos por granulares, que são De fato, a descoberta da magnetorresistência formados por nanopartículas (NPs) magnéticas dis- gigante rapidamente entusiasmou a indústria da persas em um meio sólido – os chamados sólidos24 • C I Ê N C I A H O J E • v o l . 3 6 • n º 2 1 5
    • F Í S I C A LMBT (IFGW)/LNLS/FOTO JULIANO DENARDIN co que tem por finalidade estabili- figura 4A mostra uma fotografia A figura 4C mostra dois ciclos zar ou otimizar suas propriedades obtida em um microscópico eletrô- de histerese obtidos para o siste- físicas (magnéticas e elétricas). nico de transmissão referente à ma Co0,3(SiO2)70, em baixa e alta Por fim, investigam-se essas nanoestrutura de um sistema com temperatura, onde também pode propriedades e a conexão entre 30% de cobalto em uma matriz ser vista a ausência de coercivi- elas. Ao realizar todo esse estudo, amorfa de óxido de silício (SiO2). A dade e remanência quando o sis- surgem, naturalmente, comporta- fórmula para essa nanoestrutura é tema se encontra no estado super- mentos que não podem ser expli- (Co0,3(SiO2)70). É possível obter in- paramagnético (alta temperatura). cados. As respostas a essas dúvi- formações até sobre a cristalinida- A figura 4D apresenta uma medi- das exigirão outras teorias e mo- de da partícula – que tem alguns da de magnetização em função delos. E assim a ciência avança. nanômetros de diâmetro – através da temperatura. Note que, após Um exemplo das pesquisas rea- de fotografias de alta resolução, aproximadamente 100 K, ambas lizadas no LMBT vem a seguir. A como a da figura 4B. as curvas – uma correspondente à amostra submetida a um campo magnético e a outra não – se- C D guem a mesma trajetória. Com ba-300 se nessas curvas, é possível rea- 25K lizar diversos estudos básicos e200 60 300K inclusive determinar a distribui-100 40 ção de tamanhos de partículas 0 que compõem o sistema investi--100 gado, mesmo antes de tirar qual- 20-200 quer fotografia através de micros--300 copia eletrônica. -2 -1 0 1 2 0 0 100 200 300 granulares – ou líquido – os fluidos magnéticos. Fluidos magnéticos Cada um desses grãos nanoscópicos pode ser imaginado como um minúsculo ímã. Dependendo Arranjos de partículas mais controlados e mais com- do tamanho da partícula, a direção de sua mag- plexos podem ser obtidos em solução, por reação netização pode sofrer rotação pela elevação da química. Essas NPs podem ser manipuladas pos- temperatura. Dizemos, então, que a partícula se teriormente para formação de arranjos mais com- encontra no estado superparamagnético. plexos. Nesses sistemas, é possível modificar, de Existem vários tipos de sistemas granulares de- modo preciso e independente, as propriedades in- pendendo de sua formação. Por exemplo, os sólidos dividuais da fase nanométrica, ao mudar tanto de- podem ser formados por partículas de ferro (Fe), talhes na síntese química quanto propriedades co- cobalto (Co), níquel (Ni) ou ferro-silício (Fe-Si) em letivas ao incorporar as NPs em diferentes meios. uma matriz que pode ser metálica – como prata (Ag) Em particular, para os fluidos magnéticos ou ou cobre (Cu) –, isolante – óxido de silício (SiO2) ou ferrofluidos, existe uma grande variedade de op- óxido de alumínio (AlO2) – ou ainda uma liga fer- ções de sua produção. Portanto, não é por acaso romagnética amorfa. Esses são os tipos de sistemas que esses sistemas têm sido estudados com vários que estão sendo estudados por um grupo do Labora- propósitos tanto no campo científico quanto tec- tório de Materiais e Baixas Temperaturas (LMBT) do nológico. Entre esses estudos, o uso de fluidos mag- Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Univer- néticos biocompatíveis como vetores de droga é sidade Estadual de Campinas (Unicamp), no estado um exemplo muito interessante – o termo biocom- de São Paulo (ver ‘Missão: otimizar propriedades’). patível pode ser entendido como uma substância É importante estudar o comportamento de sis- que não causa efeitos colaterais significativos no temas granulares para poder entender melhor seus organismo em que é introduzido. mecanismos básicos dos processos de magnetiza- O propósito dessa linha de pesquisa é atuar ção e, assim, tentar otimizar as aplicações em dis- diretamente sobre as células-alvo – por exemplo, positivos. células cancerosas –, retirando-as ou destruindo- maio de 2005 • CIÊNCIA HOJE • 25
    • F Í S I C A EFEITO GIROMAGNÉTICO: é sutil e dificultada por qual- EINSTEIN COMO FÍSICO EXPERIMENTAL quer perturbação. Vale notar que, através do Geralmente, imaginamos um magnético em um fio perfeitamen- experimento, conhecendo di- Einstein queimando neurônios te alinhado verticalmente, obser- versas variáveis, é possível es- para bolar novas teorias e fór- va-se um movimento de rotação timar a constante de proporcio- mulas complicadas, ou seja, em torno do eixo do fio – em uma nalidade entre os momentos trabalhando como físico teóri- descrição um pouco mais técnica, magnético e angular e, a partir co. Mas foi justamente no mag- pode-se atribuir esse efeito ao fato desse dado, obter um parâme- netismo que Einstein realizou de o momento magnético ser dire- tro importante em magnetismo suas poucas incursões nos do- tamente proporcional ao momento conhecido como fator g de Lan- mínios da física experimental. angular do fio, que deve se con- dé – uma homenagem ao físico Juntamente com o físico ho- servar; assim, ao se mudar o mo- teuto-americano Alfred Landé landês Wander Johannes de mento magnético, muda-se também (1888-1975), que pesquisou o Haas (1878-1960), ele publicou, o momento angular, e o fio inicia efeito giromagnético. Einstein em 1915, a demonstração de um movimento de rotação no sen- e De Haas pensaram que ha- um fenômeno denominado efei- tido contrário, para manter o mo- viam conseguido determinar o to giromagnético, conhecido mento angular constante. fator g com uma precisão de hoje como efeito Einstein-De Esse efeito já era previsto na aproximadamente 10%, mas, Haas. época e vinha sendo perseguido na realidade, erraram em mais Como o próprio nome indi- experimentalmente desde meados de 100%. Na época, não se co- ca, o efeito giromagnético con- do século 19. Portanto, a obtenção nhecia a noção de spin e não siste na rotação de um fio fer- do fenômeno mostra a habilidade havia surgido a teoria quân- romagnético gerada ao se mo- experimental de Einstein e De Haas, tica do magnetismo. Portanto, dificar o campo magnético apli- que tiveram que realizar um expe- qualquer experimento teria cado sobre ele. Ou seja, ao se rimento muito cuidadoso para ob- que necessariamente discordar aplicar ou se tirar um campo servar o fenômeno, cuja obtenção da teoria existente.SUGESTÕES as, utilizando, para isso, fluidos magnéticos bio- útil seria na área ambiental, em que partículasPARA LEITURA compatíveis. Isso acarretará um grande avanço no magnéticas poderiam ser utilizadas na eventuali- tratamento de doenças que utilizam tratamento dade de um vazamento de óleo, facilitando a cole-REZENDE, S. ‘Magnetismo em pelo método convencional, ou seja, espalhando a ta, recuperação e limpeza da área afetada. Terra Brasilis’ in droga por todo o corpo humano. Milhares de outras aplicações poderiam ser ci- Revista Brasileira de Ensino de tadas, mas as mencionadas já bastam para dar Física, vol. 22, uma idéia da importância dessa área na tecnologia n. 3, p. 293, 2003. Aplicações promissoras de nosso dia-a-dia. E é interessante ressaltar que oJILES, D. desenvolvimento tecnológico vem ocorrendo em Magnetism Além das pesquisas aplicadas em indústrias conso- paralelo com pesquisas básicas, pois o magnetis- and Magnetic Materials lidadas, como a da gravação magnética, há outras mo é uma área da física da matéria condensada (Chapman & Hall, sobre magnetismo e materiais magnéticos que me- com muitas questões fundamentais ainda por se- Londres, 1991). receriam destaque. Por exemplo, com a conexão de rem respondidas.KNOBEL, M. ‘Os Superpoderes nanopartículas magnéticas a células cancerosas, Não se sabe ao certo aonde essas pesquisas irão dos seria possível aplicar um campo magnético alterna- levar, mas sabe-se que, certamente, irão revolucio- Nanomagnetos’, in Ciência Hoje, do suficientemente forte para movimentar essas par- nar o futuro da eletrônica e da informática. Vale abril de 2000. tículas e aquecer localmente o tumor, provocando a pena destacar que toda essa atividade de pesqui-KNOBEL, M. e GOYA, G. ‘Ferramentas a eliminação do câncer sem os indesejados efeitos sa iniciou-se e teve continuidade com a presença Magnéticas na colaterais da quimioterapia e radioterapia. importante de pesquisadores brasileiros, que têm Escala do Átomo’ Além disso, o desenvolvimento de novos sensores contribuído enormemente para fazer dessa área in Scientific American Brasil, magnéticos em breve permitirá novas formas de uma das mais ativas no mundo da tecnologia, dezembro diagnóstico, como a magnetoencefalografia, hoje apesar das enormes dificuldades de fazer pesquisa e 2004. proibitiva por causa de seu custo. Outra aplicação de ponta no Brasil. ■ 26 • C I Ê N C I A H O J E • v o l . 3 6 • n º 2 1 5