INCT para inovação em materiais ferróicos nanoestruturados para conversores de energia: síntese, propriedades e aplicações
Projeto CNPq (Proc. 406322/2022-8 - Vigência: de 02/2023 à 01/2028): A crescente demanda pela redução de tamanho, peso e custo, aliada ao aumento da complexidade técnica, da necessidade de preservação ambiental e do uso racional de energia e insumos no desenvolvimento de dispositivos (sensores, atuadores ou conversores), requer a utilização de materiais com dimensões cada vez menores e, em decorrência disso, mais eficientes, inteligentes e multifuncionais. Esta proposta, portanto, visa consolidar e expandir as atividades do INCT Materiais Ferroicos Nanoestruturados para Conversores de Energia (MATFERRCE) de forma a contribuir para um significativo avanço, qualitativo e quantitativo, em nanotecnologia de síntese, caracterização, simulação/modelamento e aplicações de materiais ferroicos emultiferroicos nanoestruturados (perovskitas e afins), buscando potencializar suas propriedades para aplicações em dispositivos inteligentes multiconversores/coletores de energia (térmica, mecânica e eletromagnética) com desempenho e rendimento sintonizados/controlados por estímulos externos (campos elétrico ou magnético, pressão etc.). Para tanto, a equipe da proposta conta com a participação de grupos de pesquisa, consolidados e emergentes, de diferentes instituições e de diferentes regiões do país, que são coordenados por pesquisadores com formação e experiência na área em que irão atuar no INCT. Os trabalhos do MATFERRCE, realizados em grupo e com intensa troca de expertises e experiências entre seus membros, estarão focados na geração e utilização de energia de fontes não convencionais e renováveis (como solar, piezelétrica e termelétrica), ou seja, em uma área estratégica do desenvolvimento científico e tecnológico e da inovação tecnológica, com forte impacto socioeconômico-ambiental e apelo nacional e internacional; na formação e recursos humanos altamente qualificados, na popularização da ciência nos temas do INCT e na transferência de tecnologia e inovações à sociedade por meio da cooperação técnico-científica com o setor privado.
Caracterização de propriedades térmicas de óxidos precursores e crescimento de monocristais conversores de energia através da técnica Bridgman-Stockbarger
Projeto CNPq (Proc. 409780/2021-9 - Vigência: de 02/2022 à 02/2025): Monocristais possuem propriedades físicas superiores àquelas encontradas nos materiais policristalinos e são de forte interesse da indústria de alta tecnologia. Do ponto de vista de ciência básica, o crescimento de monocristais volumétricos, obtidos por fusão através da técnica Bridgman-Stockbarger, exige um conhecimento prévio das propriedades térmicas dos óxidos precursores a serem fundidos. Esse conhecimento, associado a modelos de crescimento de monocristais por solidificação direcional, permitem definir os melhores parâmetros térmicos na interface liquido-sólido, propiciando assim cristais com alta homogeneidade química e estrutural. Do ponto de vista de aplicações, o domínio do processo de crescimento de monocristais destinados à potenciais aplicações em dispositivos conversores de energia fotovoltaica e termoelétrica representa um significativo avanço cientifico e tecnológico. Portanto, neste projeto, realizaremos uma detalhada investigação de propriedades térmicas dos óxidos precursores a serem fundidos, visando o crescimento de monocristais conversores de energia através da rota Bridgman-Stockbarger vertical. A partir dos resultados das análises térmicas dos óxidos precursores e baseados em modelos fenomenológicos voltados para o crescimento de cristais por fusão, iremos determinar as melhores velocidades de crescimento dos monocristais, bem como os melhores gradientes de temperatura na interface liquido-sólido para cada composição de interesse, para obtermos monocristais de alta qualidade. As composições de interesse são a base de (K,Na)(Nb,Ni)O3 e (Ca,La)MnO3, para aplicações fotovoltaicas e termoelétricas, respectivamente. O sucesso ou a necessidade de eventuais ajustes nos parâmetros de crescimento dos monocristais serão avaliados através de caracterizações de propriedades químicas, estruturais, morfológicas e elétricas dos cristais produzidos. Com o desenvolvimento deste projeto, além de adquirirmos o domínio da produção de monocristais volumétricos conversores de energia, também iremos estabelecer uma Rede de Cooperação em PD&I, formada inicialmente por grupos de pesquisas da UNIFESP, UNIFEI e UFSCar, focada na linha de crescimento, caracterização e de potenciais aplicações tecnológicas de monocristais conversores de energia, contribuindo assim para avanços científicos-tecnológicos e para a formação de recursos humanos nessa importante área de pesquisa.
Projeto FAPESP (Proc. 2017/17543-8 - Vigência: de 05/2018 à 10/2020): Este projeto tem como objetivo principal a implantação de uma linha de pesquisa focada na síntese, caracterização de propriedades físicas e na realização de estudos fenomenológicos de cerâmicas piezofotônicas livres de chumbo. Com este propósito, nosso trabalho estará centrado na síntese de cerâmicas a base de (Na K)(Nb Er)O3 (KNN-Er) que apresentem além da coexistência das propriedades piezoelétricas e fotoluminescentes, um acoplamento entre ambas, ou seja, o efeito piezofotônico. Através desta propriedade física pretendemos manipular as propriedades ópticas, e em particular as energias e as intensidades dos espectros de absorção e de emissão na região do espectro visível, de cerâmicas de KNN-Er através de deformação mecânica induzida por campo elétrico (efeito piezoelétrico inverso). As propriedades piezofotônicas e os modelos fenomenológicos elaborados neste projeto serão comparados com aqueles propostos para materiais semicondutores piezoelétricos fotoluminescentes reportados na literatura.
Single phase multiferroic materials with strong magnetoelectric coupling
Projeto CNPq/MCTIC/BRICS-STI (Proc. 402741/2019-6 - Vigência: de 05/2020 à 11/2023): Projeto de cooperação internacional - Devido às promissoras aplicações em tecnologias spintrônicas, sensores, atuadores e memórias não-voláteis, materiais multiferróicos com forte acoplamento magnetoelétrico (ME) vêm recebendo crescente atenção da comunidade científica. Produzir materiais multiferróicos à temperatura ambiente é o maior desafio e o objetivo final para as áreas de ciência de materiais. Neste projeto, serão estudados materiais multiferróicos na forma de cerâmicas monofásicas multiferróicas nanoestruturadas, monocristais e heteroestruturas com estrutura do tipo perovskita, com forte acoplamento magnetoelétrico à temperatura ambiente. Ações voltadas à síntese, caracterização, fenomenologia e controle de propriedades serão efetuadas em conjunto com equipes Chinesa e Russa, em um processo dinâmico de cooperação científica, acadêmica e tecnológica. Temas como o entendimento da física, o modelamento e simulação, o processo de preparação e o controle das propriedades de materiais multiferróicos monofásicos e compósitos serão estudados com base na modulação de simetria, controle da interação de Dzyaloshinskii-Moriya (DM), controle da inclinação de octaedros de oxigênio, controle e modulação de estrutura de domínios e controle, sintonização e aprimoramento microestrutural em perovskitas e óxidos relacionados, serão conjunta- e profundamente investigados.
FAPESP Temático FAPESP (Proc. 2017/13769-1 - Vigência: de 09/2018 à 08/2024): Esta proposta multidisciplinar visa contribuir para um significativo avanço, qualitativo e quantitativo, em síntese, caracterização, modelamento e aplicações de materiais ferroicos, monolíticos e nanoestruturados, buscando potencializar suas propriedades para aplicações em dispositivos conversores de energia renováveis e magnetoelétricos. A geração e utilização de energia de fontes renováveis é uma área estratégica para o país do ponto de vista científico, tecnológico e econômico. Serão desenvolvidos materiais ferroicos monofásicos ou compósitos, para utilização em conversores de energia mecânica (eletromecânicos) ou solar (fotovoltaicos) em energia elétrica. Por meio de uma abordagem experimental (síntese, processamento e caracterizações) e teórica (modelamento fenomenológico e Teoria do Funcional de Densidade) pretendemos investigar materiais multiferroicos e ferroelétricos, visando a maximização de algumas de suas propriedades físicas para a aplicação em dispositivos conversores de energia. Contribuições relevantes são esperadas em três pilares fundamentais no desenvolvimento de novos materiais e dispositivos: métodos de processamento de materiais monocristalinos e nanoestruturados (?bulk? e bidimensionais); modelamento de propriedades fundamentais (correlação estrutura/microestrutura-propriedades) e desenvolvimento prospectivo de protótipos de novos sensores, atuadores e conversores de energia. Os resultados dessas pesquisas, pelo seu caráter abrangente e inovador certamente contribuirão para o desenvolvimento de novos materiais.
Projeto CNPq (Proc. 482755/2012-1 - Vigência: de 04/2012 à 03/2015): Este projeto tem como objetivo principal o crescimento e a caracterização de propriedades físicas de fibras monocristalinas piezoelétricas a base de (K,Na)NbO3, visando a aplicação destas em transdutores ultra-sônicos. Com este objetivo, iremos crescer fibras de (Kx,Na1-x)NbO3, com 0<=x<=0.5, através da técnica de micro-pulling down, "puras" e dopadas, visando maximizar as propriedades piezoelétricas (fator de acoplamento e constantes piezoelétricas) dos materiais produzidos. Portanto, a implementação deste projeto irá fornecer subsídios relevantes para aumentarmos nossa competitividade em pesquisa, desenvolvimento e inovação tecnológica nos setores de desenvolvimento e aplicação de materiais piezoelétricos para aplicações na área biomédica.
Projeto Temático FAPESP (Proc. 2008/04025-0 - Vigência: de 11/2009 à 02/2015): Este projeto multidisciplinar visa promover um salto qualitativo nos trabalhos que vimos realizando através de uma abordagem ampla, atual e especializada, centrada participação de grupos de reconhecida competência (e em temas complementares). Através de uma abordagem experimental (síntese, processamento e caracterizações) e teórica (modelamento fenomenológico e simulação por Dinâmica Molecular-DM) pretendemos investigar materiais multifuncionais multiferróicos nanoestruturados (MMMN), baseados em materiais ferroelétricos/ (anti-) ferromagnéticos/ ferroelásticos. Materiais nanoestruturados (corpos cerâmicos ou filmes ultrafinos) serão produzidos por sinterização por "Spark Plasma Sintering" (SPS), microondas ou RF Sputtering. Contribuições relevantes são esperadas em três pilares fundamentais no desenvolvimento de novos materiais: métodos de processamento de materiais nanoestruturados ("bulk" e bidimensionais), modelamento e simulação de propriedades fundamentais (correlação estrutura/microestrutura-propriedades) e desenvolvimento prospectivo de protótipos de novos sensores e atuadores. A equipe coordenadora é constituída por pesquisadores com larga experiência em pesquisa em materiais, com abordagens complementares, o que consideramos imprescindível para uma investigação abrangente nos diversos objetivos propostos.
Projeto CNPq (Proc. 482986/2009-3 - Vigência: de 03/2009 à 02/2010): Este projeto tem como objetivo principal a investigação da dinâmica de domínios ferroelétricos-ferroelásticos de cerâmicas multiferróicas. Serão investigadas as propriedades ferroelétricas e mecânicas de materiais ferroelétricos-ferroelásticos, com estrutura do tipo perovskita, antes, durante e após o chaveamento da polarização. A partir dos resultados obtidos buscaremos elaborar modelos fenomenológicos que relacionem as propriedades físicas macroscópicas com a dinâmica e a estática de domínios ferroelétricos-ferroelásticos.
Projeto CNPq Jovem Pesquisador em Nanociência (Nanotecnologia) (Proc. 577272/2008-8 - Vigência: de 03/2008 à 02/2010): Este projeto tem como objetivo principal a investigação da dinâmica de domínios ferroelétricos-ferroelásticos de cerâmicas multiferróicas. Serão investigadas as propriedades ferroelétricas e mecânicas de materiais ferroelétricos-ferroelásticos, com estrutura do tipo perovskita, antes, durante e após o chaveamento da polarização. A partir dos resultados obtidos buscaremos elaborar modelos fenomenológicos que relacionem as propriedades físicas macroscópicas com a dinâmica e a estática de domínios ferroelétricos-ferroelásticos.