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UFJF – Projetos aprovados em chamadas do CNPq e da Petrobras utilizam método de espectroscopia

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Fenômeno óptico e meteorológico, o arco-íris é um processo espectroscópico natural que, através da refração da luz solar sobre gotas de água suspensas no ar, forma um espectro de cores. Foto: Stainless Images/Unsplash

No contemplar de um arco-íris projetado no céu após uma forte chuva, no uso de um filtro solar que absorve a luz natural e até mesmo no simples ato de aquecer um alimento no forno microondas, a Química está presente nas mais diferentes formas em nosso cotidiano. Para além de manifestações de fenômenos físico-químicos, esses exemplos possuem uma característica em comum: são decorrentes da interação entre ondas eletromagnéticas e matéria.

Baseados nesse efeito, dois projetos desenvolvidos por pesquisadores da Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) foram aprovados na Chamada Universal nº 18/2021 do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e em edital da Petrobras para propostas de inovação tecnológica. O primeiro deles, intitulado “Monitoramento de micro a nanoambientes por espectroscopia vibracional”, visa estudar materiais avançados para o controle das propriedades químicas relevantes, como a fotoluminescência e a adsorção de gases.

Coordenador da pesquisa, o professor do Departamento de Química da UFJF Luiz Fernando Cappa de Oliveira explica que o objetivo é tratar e analisar materiais com estruturas que variam do micro ao nano à medida que o tamanho molecular tem um significado importante na compreensão das propriedades das moléculas e de seus agregados. “No caso do processo que estudamos, usamos radiação eletromagnética monocromática (que tem apenas uma cor definida, diferente da luz branca) para atingir a amostra, e observamos a radiação espalhada, que contém informação sobre a composição química desse material”, aponta.

Foram estabelecidas duas linhas de pesquisa: a primeira delas envolve o processo espectroscópico de sistemas supramoleculares – ou seja, agregados de moléculas ou íons – no estado sólido e materiais no estado líquido, como líquidos iônicos; já a segunda passa pela espectroscopia de nanoestruturas de ouro, prata e cobre e associações com materiais semicondutores para desenvolver sensores de alto desempenho.

“Os sistemas químicos vão ser investigados por diferentes pesquisadores em função das suas características, tais como tamanho, cor ou morfologia, utilizando ainda arranjos experimentais distintos e a técnica convencional de espalhamento Raman”, destaca Cappa. Conhecer as propriedades de novos materiais, independente de sua potencial utilização, é e sempre será de vital importância para o avanço do conhecimento científico. Em sua opinião, as novas tecnologias que podem emergir dessa iniciativa estão atreladas à caracterização química e física desses materiais. Com previsão de 36 meses de duração, o projeto integra o Núcleo de Espectroscopia e Estrutura Molecular (NEEM) do Departamento de Química do Instituto de Ciências Exatas (ICE).

Raman: contribuição para a atividade petrolífera

Um dos equipamentos do Núcleo de Espectroscopia e Estrutura Molecular da UFJF é o espectrômetro infravermelho, que conta com sistema microscópio e detector especial (Foto: NEEM/UFJF)

Um processo chave é a espectroscopia Raman, técnica de determinação de estruturas químicas, descoberta em 1928 pelo físico indiano Chandrasekhara Venkata Raman. Ela consiste em incidir uma faixa de luz sobre uma amostra do material a ser analisado. A partir das ondas eletromagnéticas espelhadas pelas vibrações moleculares do sólido, são obtidas informações a respeito de suas propriedades químicas e físicas. Raman foi agraciado com o prêmio Nobel de Física em 1930.

Também utilizando esse método, o segundo projeto recém-aprovado a ser desenvolvido no âmbito do NEEM é o “Raman e Machine Learning para mapeamento mineralógico e extração de propriedades elásticas”, o qual irá realizar levantamento de banco de dados de espectroscopia Raman de amostras minerais reais, obtidas a partir de perfurações de poços petrolíferos.

Submetida a uma chamada da Petrobras para oportunidades em tecnologia, a proposta de pesquisa foi aprovada junto ao Sistema de Gestão em Tecnologia, plataforma de gerenciamento de projetos da Petrobras. Luiz Fernando Cappa informa que tais chamadas públicas surgem do Ambiente de Oportunidades do Centro de Pesquisas, Desenvolvimento e Inovação da empresa, a partir do qual pesquisadores de diversas instituições de ensino do país podem propor projetos atrelados ao tema.

Um dos objetivos é gerar um mapa Raman usando os espectros dos minerais obtidos, no qual é possível identificar os principais componentes geológicos a partir dos dados espectrais. “A detecção de componentes geológicos associados à presença de um bolsão orgânico, como alguns minerais baseados em carbono, indica um caminho mais preciso na busca por petróleo. A pesquisa pode e deve, em um futuro próximo, impactar principalmente no processo de busca de novos poços a partir da perfuração”, sintetiza.

A inteligência artificial, ou machine learning, será aplicada no desenvolvimento de um software de reconhecimento dos padrões de imagem Raman das amostras obtidas. Deste modo, será possível gerar uma comparação entre esses sinais e os dados de uma amostra desconhecida. “Em outras palavras, montaremos um banco de dados com inúmeros espectros e imagens Raman para, quando necessário, comparar com um espectro e permitir a identificação qualitativa – e muitas vezes quantitativa – da amostra de interesse”, menciona o pesquisador.

Para Luiz Fernando Cappa, durante este momento de dificuldades orçamentárias para a ciência brasileira, é preciso se reinventar e buscar novas fontes de financiamento (Foto: Reprodução)

“A partir da montagem de um banco de dados de espectros Raman e do emprego de machine learning para automatizar a identificação, quantificação e o mapeamento de minerais e compostos orgânicos em lâminas petrográficas, espera-se obter uma vantagem analítica ao evitar etapas de preparação das amostras, resultando numa produção mais eficiente de hidrocarbonetos.”

Desafios do NEEM

Com 20 anos de existência, o Núcleo de Espectroscopia e Estrutura Molecular é um grupo de pesquisa do Departamento de Química, chefiado pelo professor Luiz Fernando Cappa. Apenas nos últimos cinco anos, foram mais de 100 artigos publicados em revistas científicas, de acordo com levantamento feito pela plataforma Scopus. Em paralelo, foram dezenas de dissertações e teses defendidas nesse período. Hoje, o Núcleo possui toda a infraestrutura instrumental para o desenvolvimento dos projetos aprovados, assim como de trabalhos de diversos programas de pós-graduação da UFJF.

A equipe conta com a participação de docentes do Departamento de Química e membros do NEEM: Celly Izumi, Flávia Cavalieri Machado, Gustavo Fernandes de Souza Andrade e Antonio Carlos Sant’Ana. Também integram pesquisadores de outras instituições, como o professor Wagner de Assis Alves, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, e os professores Paola Corio, Rômulo Ando e Mauro Carlos Costa Ribeiro, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo.

Apesar de toda a tecnologia de ponta dos laboratórios que compõem o Núcleo e o grupo de excelência, existem alguns desafios, como o “desenvolvimento de técnicas que ainda não são de domínio, como dados de espectroscopia vibracional em alta pressão, ou de tecnologias de síntese de novos materiais supramoleculares baseados em estruturas tridimensionais a partir de íons de terras raras ou ligantes baseados em oxocarbonos”.

A grande preocupação do docente se refere ao atual cenário de incerteza no Brasil acerca da estrutura de Ciência e Tecnologia. “Esperamos que seja resolvida muito em breve, com a retomada dos investimentos para que nosso país retorne ao rumo correto e volte a ter investimentos maciços na área, algo de importância estratégica para o futuro”, vislumbra.

Em referência a um grande projeto aprovado pelo CNPq em 2020, Cappa diz que envolveu cerca de 30 bolsas de mestrado, doutorado, assim como de iniciação tecnológica entre os programas de pós-graduação em Química, Farmácia e Ciência da Computação. E compartilha: “Oportunidades como essas, do CNPq e da Petrobras, são situações diferentes que se apresentam como fontes de financiamento diversas além das agências convencionais, e que devem ser exploradas pelos pesquisadores”.

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