QUASE CRISTAIS: DO DESCRÉDITO AO PRÊMIO NOBEL

Celso Luis Levada (1) (celsolevada@yahoo.com.br)

Miriam de Magalhães O. Levada (2)

Ana Laura Remédio Zeni Beretta (2)

 (1) Academia da Força Aérea

(2) Centro Universitário Hermínio Ometto – Uniararas

Resumo

Algumas vezes na história da ciência, os investigadores são forçados a travar uma batalha com as “verdades estabelecidas”, as quais, em retrospectiva, têm provado não passar de meros pressupostos. O trabalho de Shechtman foi desprezado por brilhantes cientistas, incluindo o premiado duplamente com o Nobel químico, Linus Pauling, mas depois que foi publicado, outros exemplos de quase cristais foram obtidos em todo o mundo. Isso mostra claramente que até mesmo os nossos maiores cientistas não estão imunes a ficar estagnados com as convenções. Mantendo a mente aberta e a ousadia para questionar o conhecimento estabelecido pode ser de fato, o aspecto mais importante de um cientista.

Palavras-chave: Prêmio Nobel; Shechtman; quase cristais

Abstract

Over and over again in the history of science, researchers have been forced to do battle with established “truths”, which in hindsight have proven to be no more than mere assumptions. The Shechtman´s work was scorned by luminaries including double-Nobel-prizewinning chemist Linus Pauling, but after it was published, other examples of the crystals flooded in from around the globe.  This clearly shows that even our greatest scientists are not immune to getting stuck in convention. Keeping an open mind and daring to question established knowledge may in fact be a scientist’s most important character traits.

Keywords: Nobel Prize; Premium Nobel; Shechtman; crystals

Introdução

Daniel Shechtman anunciou ter descoberto os quase cristais em 1982, motivo pelo qual foi ridicularizado por vários outros cientistas e acabou desempregado por dizer que havia descoberto uma classe totalmente nova de materiais sólidos. Shechtman observou um padrão desconhecido no nível molecular na amostra de uma liga metálica visualizada por um microscópio eletrônico. As afirmações de Shechtman em relação ao fenômeno contrariavam as leis da natureza nas quais os químicos acreditavam.                                                             Segundo o autor, tratava-se de um novo material denominado quase cristal. Por outro lado, os cristalógrafos diziam que os quase cristais não passavam de deformações da rede cristalina. Elas seriam causadas por pequenos deslocamentos dos átomos de suas posições regulares, devido a tensões ou tratamento térmico.                                                                                                     Toda essa confusão ocorreu porque, conforme o modelo tradicional, em toda matéria sólida os átomos estavam arranjados dentro de cristais em padrões simétricos que se repetiam periodicamente. No experimento de Shechtman tais padrões formam uma estrutura que se denominou mosaicos aperiódicos e são regulares, seguem regras matemáticas, mas nunca se repetem. Conforme consta na literatura específica, a comunidade científica não deu crédito para as inovações proposta pela referida descoberta. Linus Pauling, duas vezes vencedor do Nobel em Química, afirmou que não havia quase cristais, o que poderia existir era um quase cientista.                                                   

Com o passar do tempo a nova teoria foi aceita, pois, centenas de quase cristais foram sintetizados em laboratórios. Então, em 1992, a União Internacional de Cristalografia alterou, com base no trabalho de Shechtman, sua definição de cristal. Pode-se dizer que os quase cristais romperam todas as regras de um cristal convencional, sendo considerado um material com propriedades antiaderentes, isolantes elétricos, extremamente resistentes a deformação, usados em produtos, como frigideiras e motores a diesel.

CONCEITOS BÁSICOS: CRISTAIS

De acordo com MAGALHÃES (2011), o nome cristal vem do grego Krystallo, usado para designar pedaços de quartzo encontrados em regiões frias, onde eram congelados de maneira tão forte que não se fundiam mais. A principal característica de um cristal é a repetição periódica de íons, átomos ou moléculas no espaço, ou seja, em três dimensões.                                     Robert Hooke foi o primeiro a sugerir que a regularidade da aparência externa de um cristal era a um reflexo de um alto grau de regularidade interna, em 1664.                                                                                                                 Nicolaus Steno em 1671 observou que a variação na forma de cristais de uma mesma substância não está relacionada com a variação de estrutura interna, mas sim com o fato de algumas direções de crescimento se desenvolvem mais que as outras.  Nos cristais normais, os átomos formam estruturas periódicas bem ordenadas, ou seja, eles se organizam em uma estrutura integral global, sem falhas ou interrupções, com um único padrão simétrico repetindo-se regularmente (GAMBARDELLA 2011).                                  Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons se dispõem em relação à seus vizinhos. Material cristalino é aquele no qual os átomos encontram-se ordenados sobre longas distâncias atômicas formando uma estrutura tridimensional que se chama de rede cristalina.                                                    Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação. Nos materiais não-cristalinos ou amorfos não existe ordem de longo alcance na disposição dos átomos.                                                                                                                    Algumas cerâmicas e polímeros não apresentam estruturas cristalina. Há um número grande de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelos cerâmicos e polímeros.

QUASE-CRISTAIS

WALLER (2011) menciona que primeiramente é preciso explicar que o termo quase. Isso não quer dizer que eles são pseudos cristais, pelo contrário, são cristais cujo ordenamento atômico é quase periódico. Cristais comuns estão organizados com átomos simetricamente dispostos, um ao lado do outro, em linha reta. Nos quase cristais, a simetria dos átomos é rotacional, ou seja, é como se a estrutura estivesse retorcida. Em geral, os quase cristais são ligas metálicas, sendo a mais comum obtida através da fusão do alumínio, do paládio e do manganês.                                                                                                     Para CARACELLI (2010), os quase cristais são uma nova classe de sólidos, com características diferentes das conhecidas para cristais: têm ordem quase periódica, simetrias rotacionais proibidas para cristais e ocorrência de unidades de repetição em número finito.                                                                                   O químico israelense Daniel Shechtman estudou uma liga de alumínio e manganês utilizando microscopia eletrônica, sendo que a foto obtida mostrava um padrão de difração que apresentava círculos concêntricos feitos de 10 pontos brilhantes a mesma distância. Isso significava um padrão de simetria de ordem 10, o que contrariava a lógica científica vigente. Pensou que havia ocorrido algum problema com o experimento ou com a amostra.                           Então, os cientistas tentaram buscar explicações e realizar outros testes para confirmar os resultados. Mas, tudo foi confirmado, pois, a análise do material estudado por Shechtman apresentou elementos de simetria de ordem 2, 5, 10 e 20, não permitidos em cristais, o que gerou dúvidas e questionamentos a outros cientistas. O assunto ficou mais de 25 anos na berlinda até que concluíram ser algo inovador.

  PRODUÇÃO DE QUASE CRISTAIS                                         

Uma das técnicas de produção dos quase cristais consiste em derreter uma liga metálica e depois produzir um resfriamento ultra rápido em que o metal esfria em apenas um milésimo de segundo. Devido a rapidez excessiva do processo, os átomos se agrupam de forma diferente do normal. Observados no microscópio, os quase cristais são como um mosaico. Grupos de átomos estão sobrepostos, mas, não se encaixam perfeitamente, permitindo algumas lacunas na estrutura cristalina. Tais imperfeições proporcionam propriedades especiais nos compostos.                                                                                                          Os quase cristais são diferentes e se comportam de maneira diferente. Eles são caracterizados por um alinhamento muito incomum dos átomos. O quase cristal se parece com um cristal e, em certas condições, reproduz seu comportamento; mas não é. Eles contêm estruturas aperiódicas, ou seja, eles possuem pelo menos dois padrões simétricos diferentes, que formam uma estrutura também sem lacunas, mas que não se repete regularmente.                 

De acordo com LANG (1988), a descoberta dos quase cristais rompeu um paradigma na cristalografia, a parte da física que lida com cristais, os quase cristais são materiais metálicos, mas agem quase como isolantes para eletricidade e condução de calor. Segundo, esses materiais são muito duros e resistem à fricção e ao desgaste. Também não furam facilmente, como o teflon, de forma que as pessoas usam-nos para recobrir frigideiras e panelas – mas, ao contrário do teflon, se você os raspa com uma faca, eles não se soltam não se desgastam. Em outra aplicação, importante e muito útil, se adiciona pequenas porções de quase cristais em plástico e ele não se desgastará tão facilmente como o plástico tradicional.                                                                          

Por outro lado, considerando-se que muitos aparelhos têm engrenagens de plástico, por exemplo, ventiladores e batedeiras, a introdução quase cristais em pó no plástico destes componentes eles terão maior durabilidade.  Nas últimas décadas, os quase-cristais vêm atraindo  interesse e suas propriedades estruturais, eletrônicas, térmicas e magnéticas vêm sendo investigadas.                

Em geral, os quase-cristais são bons isolantes elétricos e térmicos, são muito duros e resistem à fricção e ao desgaste. Esses materiais são preparados principalmente por técnicas de resfriamento rápido. Entretanto, a moagem de alta-energia é também um processo bastante apropriado na síntese de quase-cristais metaestáveis e estáveis, via reação de estado sólido.     Recentemente, foi divulgado que os quase-cristais podem ser utilizados como armazenadores de hidrogênio apresentando vantagens sobre outros tipos de materiais.            Os quase cristais são excelentes condutores de calor, resistem à abrasão e à corrosão e suportam temperaturas de até 400 graus Celsius, condição ideal para o revestimento de materiais do tipo de panelas e frigideiras.                                                                                                                       As ligas de quase cristais para este fim, geralmente à base de alumínio, ao qual se aplica o revestimento, permitem reduzir drasticamente o tempo de cozimento e assim conseguir maravilhas como fritar um bife em 30 segundos ou cozinhar o arroz em menos de 20 minutos.                                                                   

 Estão sendo fabricadas ligas leves de alta resistência mecânica, pela precipitação de finas partículas de quase-cristais em uma matriz de alumínio, criando uma estrutura mais rígida e menos sujeita a rupturas. Essas novas ligas que poderão tornar mais leve as estruturas dos aviões, além de aperfeiçoar os trens de pousos, por exemplo. Ligas especiais deverão ser criadas também para a Informática e a para Eletrônica.                                         

Na França, pesquisadores do grupo de pesquisas Péchiney criaram um material quase cristal a base de alumínio e lítio. A descoberta terá importantes repercussões industriais, especialmente na criação e utilização de ligas de alumínio-cobre-lítio em Aeronáutica e Informática; isso sem mencionar as repercussões no plano estritamente científico e teórico (LANG, 1988).

CRISTALOGRAFIA UM TEMA TRANSDISCIPLINAR 

O princípio dos novos materiais, como os quase cristais, é, essencialmente, transdisciplinar, envolvendo químicos, físicos, biólogos, engenheiros e farmacêuticos, entre outros profissionais.  A cristalografia é uma ciência interdisciplinar que estuda os cristais, uma forma de organização da matéria com características peculiares ao nível do ordenamento atômico.                            

       A cristalografia moderna usa técnicas de difração, com raios-X, elétrons ou nêutrons, como principal ferramenta analítica. A interdisciplinaridade surge da idéia de que para compreender a complexa realidade é necessário relacionar os diferentes conteúdos das disciplinas, ou seja, interagir diferentes áreas do conhecimento a procura de um entendimento mais global e parcelado.             MORIN (2000) comenta que o novo paradigma requer mudança nos valores e na forma de pensar. A visão de complexidade da realidade é contrária à idéia da fragmentação da ciência e conseqüentemente do ensino baseado em disciplinas isoladas. De um modo geral, percebe-se que a questão da interdisciplinaridade vem sendo pouco explorada nas aulas de Ciências e, de um modo geral, na educação.

                                                               Conforme menciona CARDOSO (2009), uma das fontes mais evidentes da necessidade interdisciplinar encontra-se na artificialidade do olhar científico, compreendendo-se por isso a característica metodológica de trabalhar um “projeto construído”, não com a realidade imediata. Este trabalho é uma sugestão para ensinar Ciências relacionando-se outros conhecimentos, o que motiva e incentiva o aluno, definindo com mais clareza que a Ciências está presente em muitas situações do seu cotidiano.                      O assunto que foi apresentado é muito comentado nos noticiários, em jornais e revistas o que faz com que seja um bom motivo para ser trabalhado com os alunos. Permite que o aluno tenha uma visão mais ampla do mundo, desenvolvendo nele um pensamento mais crítico, para dar andamento aos seus estudos se empenhando mais em aprender.                                                            Um trabalho interdisciplinar a partir do tema exposto pode viabilizar uma melhor interação professor e alunos como um elemento facilitador do processo de ensino-aprendizagem e interação pedagógica. A interdisciplinaridade permite uma visão diferenciada do mundo, pois uma diversificação dos enfoques em torno do mesmo assunto permite ampliar sua compreensão, abrindo espaço a novas idéias (ROCHA FILHO, 2006).

CONSIDERAÇÕES FINAIS

 Nesse artigo, percebemos a importância da pesquisa básica e, enquanto pesquisadores, devemos sempre buscar uma possibilidade de articulação entre ciência fundamental e experimental. A questão da pesquisa básica versus aplicada envolve prioridades administrativas, ação governamental, dinheiro do contribuinte, entre outras coisas, sendo fundamental para o desenvolvimento das empresas e do país.

                                    No entanto, pesquisa é algo que necessita de investimentos, em especial a ciência básica que é mais demorada, mas dispendiosa e os resultados, em geral, são de longo prazo. O que se observa é que está cada vez mais difícil encontrar pesquisadores que se dedicam exclusivamente a ciência básica, por ser ela mais custosa, demorada, por vezes polêmica ou sem resultados imediatos.  Entretanto, sem investimentos em ciência básica torna-se mais difícil obter futuras conquistas.                                                                                  Por outro lado, conforme mencionam BATISTA et al (2010) : “Ensino Científico e Tecnológico tem sido, em tempos atuais, de forma justa, bem discutida, com foco no compromisso final das diversas instituições de ensino: promover a formação de cidadãos capazes de compreender o mundo em que vivem, realmente, a escolha de temas contemporâneos é, por si só uma abordagem estratégica muito para motivar discussões sobre essas questões em sala de aula. Os quase cristais podem ser tratados de forma interdisciplinar, unindo ciências exatas e naturais e, até mesmo, ciências humanas e sociais.            

Questões básicas relacionadas a qualquer material: como são preparados? Como estão estruturados? Como se comportam? Qual sua utilidade? Onde podem ser empregados?, são discussões sociais.                     

Por outro lado, neste caso, podemos destacar também a ineficácia do argumento de autoridade, a partir de colocações que tentam sustentar uma conclusão apelando ao conhecimento ou reputação de uma autoridade. Essa autoridade tanto pode ser uma pessoa como uma obra ou instituição.                        

 No caso específico o argumento de autoridade referiu-se na opinião de um especialista chamado Linus Pauling. Ele  disse que o trabalho  de Shechtman era totalmente equivocado. A maioria dos cristalográficos, liderados por Linus Pauling, acreditava que a explicação para os estranhos padrões de difração seria a existência de defeitos de crescimento dos cristais.                                                

 Passou muito tempo para a aceitação das novas idéias, mas em 1992, graças ao estudo em questão,  a União Internacional de Cristalografia alterou a  definição de cristal.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BATISTA, R.S. et al. Nanociência e Nanotecnologia como temas tópico para uma discussão sobre ciência, tecnologia, sociedade e meio ambiente , Ciência & Educação , vol. 16, n° 2, 2010.

CARACELLI, I. O premio Nobel da Química, Revista Química Nova na Escola, Novembro de 2011

GAMBARDELLA, M.T.P., apostila de Cristalografia, disponível em http://graduacao.iqsc.usp.br/files/CelulaUnit.
eReticulosdeBravais.pdf, acesso em 25/11/2011

GIACOMO, F. et al, Quase-cristais na cozinha, revista SUPERINTERESSANTE, edição n.34, julho de 1990, disponível em super.abril.com.br/.../quase-cristais-cozinha-43949, acesso em 10/09/2011

LANG,  M.J.M., Cad. Cat. Ens. Fís., Florianópolis, 38 5 (1): 36-38, 1988.

MAGALHÃES, V., Curiosidades lingüísticas, site Língua Estrangeira, disponível em http://www.linguaestrangeira.pro.br/voce_sabia.htm, acessado em 20/11/2011

MORIN, E. Os sete saberes necessários à educação do futuro. Cortez, Brasília, Unesco, 2000

ROCHA FILHO, J.B. et al ; Repensando uma proposta interdisciplinar sobre ciência e realidade; Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias Vol. 5 nº2 , 2006.

ROVERI, A.P. et al , Síntese e caracterização estrutural de quase cristais, disponível em http://www.sbpcnet.org.br/livro/58ra/SENIOR, acessado em 05/11/2011

WALLER, J., Pedacinho do Nobel é nosso, disponível em http://www.ufpe.br/agencia/index.php, acessado em 25/10/2011