INSTRUMENTAÇÃO E INOVAÇÃO

Marcelo Portes de Albuquerque

3ª Oficina de Instrumentação

Científica e Inovação Tecnológica Rio de janeiro, 20 e 21 de Outubro de 2016 www.cbpf.br

Instrumentação Científica

2

Pesquisa científica requer investimentos em equipamentos específicos para aumentar a capacidade de se observar e medir fenômenos naturais.

Avançar a fronteira do conhecimento científico através da expansão da capacidade de observação ou experimentação.

Criar avançadas técnicas versáteis para observar ou medir fenômenos que anteriormente não eram observáveis ou mensuráveis.

Instrumentação Científica

Desenvolver instrumentos

ou processos técnicos

com base científica.

CERN/LHC - Trajetória das partículas após colisão.

Instrumentação Científica → aplicação na própria ciência

ou em necessidades da indústria.

Instrumento Científico: COMPUTADOR

3 Exploring the Black Box: Technology, economics and history

Chapter 13 Scientific instrumentation and university research Cambridge University Press, Cambridge, U.K. 1994, 250-263

The Mark I, formerly called Automatic Sequence Controlled Calculator ( ASCC )

1943-1944

fully built in

electromechanical

components

Projetado em 1937 por um estudante de graduação de Harvard para resolver problemas avançados de física.

Aiken discutiu sua ideia com vários fabricantes, acabou encontrando o interesse na IBM, uma empresa especializada em máquinas de calcular e sistemas de cartões perfurados.

Howard Aiken Doutor em Física

Universidade de Harvard

The Mark I Computer at Harvard Univeristy http://sites.harvard.edu/~chsi/markone/index.html

Invenção do transistor

1927 1956

4

22 Core - Intel® Xeon® Processor E5-4669 v4 ~7.2 bilhões de transistor

Foto: John Bardeen,

William Shockley e

Walter Brattain, os

inventores do transistor.

Premio Nobel Física

1956

Invenção do Transistor

Semicondutores

Diagnósticos Médicos - RMN

5

Fenômeno físico da RMN • 1930 – I. I. Rabi desenvolveu um método para a medição das propriedades

magnéticas dos núcleos atômicos

• 1946 – Block e Purcell → Artigos da Physics Review

• 1977 – Primeira Imagem por RMN em um ser humano.

Atualmente: qualidade excepcional da imagem,

maior velocidade de aquisição, facilidade e

proteção do paciente.

1949 – Varian F6: primeiro medidor de fluxo

nuclear comercializado empregando os

princípios da RMN.

Atualmente: qualidade excepcional

da imagem; maior velocidade de

aquisição; facilidade e proteção do

paciente.

Ganhadores do Prêmio Nobel (NMR) 1. Otto Stern, USA: Nobel Prize in Physics 1943 2. Isidor I. Rabi, USA: Nobel Prize in Physics 1944 3. F. Bloch and E. M. Purcell, USA: Nobel Prize in Physics 1952 4. Richard R. Ernst, Switzerland: Nobel Prize in Chemistry 1991 5. Kurt Wüthrich, Switzerland: Nobel Prize in Chemistry 2002 6. P. C. Lauterbur, USA; P. Mansfield, UK: Nobel Prize in

Physiology or Medicine 2003

Ciência Básica → Aplicação

6

Medicina: • Raios-X, RMN • PET-CT (Tomografia por Emissão de Pósitrons)

Materiais e biologia → Radiação Sincrotron Semicondutores

• Litografia → Nanotecnologia • Medição indispensável na fabricação de

dispositivos microeletrônicos → Microscópio Eletrônico de Varredura

Controle de processo industrial Sensoriamento robótico Softwares Alto vácuo → produção, medição e manutenção em volumes cada vez maiores; Técnicas criogênicas Imãs supercondutores em escala industrial TIC → Fibras óticas e Laser

Benefícios da atividade de pesquisa são distintos daquelas que tem origem no conhecimento científico puro e as eventuais aplicações desse conhecimento.

Medida de Resistividade durante a

perfuração de poço de petróleo.

RMN permite medida em tempo real para

localizar e identificar fluidos. http://www.bakerhughes.com/products-and-services/evaluation/logging-while-

drilling/eval-magtrak-magnetic-resonance

Óleo e Gás

Instrumentação e Competitividade

Física para um

Brasil Competitivo

Estudo encomendado pela Capes visando

maior inclusão da física na vida do País

Brasília, Junho de 2007

“A capacidade de gerar sua própria instrumentação é um elemento essencial

para que uma comunidade científica gere sua própria agenda e não emule

simplesmente as agendas externas.

É o que define a maturidade científica de uma comunidade. No Brasil ainda

temos muito a avançar no desenvolvimento de instrumentação.

São os desafios científicos o que mobiliza a instrumentação científica, e sua

realização exige quadros bem treinados, com laboratórios e oficinas

apropriadas e diversidade de formação.”

http://www.sbfisica.org.br/v1/arquivos_diversos/publicacoes/FisicaCapes.pdf

Gargalos de Infraestrutura

As comunidades de Física foram questionadas sobre a percepção da importância que a Física brasileira pode vir a ter no cenário internacional:

“A instrumentação científica e os laboratórios multiusuários foram apontados como os principais gargalos, ambos importantes para aumentar as interações com o setor empresarial.”

Fonte: A Física e o desenvolvimento nacional - Relatório SBF / 2012

8

Motivação para o Mestrado Profissional em Física Instrumentação Científica e Tecnológica

Tradição do CBPF em Instrumentação Científica e Tecnológica

― Qualificação e expertise na área

Formar profissionais que possam atuar em diversos segmentos do mercado de trabalho vinculados ao desenvolvimento de tecnologias:

• Automação de experimentos e processos industriais • Ferramentas de medidas de grandezas físicas (elétricas, térmica, magnética etc.) • Construção de equipamentos, dispositivos, softwares, protótipos, etc.

O desenvolvimento de processos de alta tecnologia, técnicas de medição de ponta e novos instrumentos são cruciais para a competitividade industrial.

Instrumentação Aceleradores Lineares

1980 – Sistema de Aquisição de Dados Macunaíma II

2012– Instrumentação Neutrino

Instrumentação Eletrônica

2000 - Magnetron sputtering

9

Promover e acompanhar o relacionamento do CBPF com o setor produtivo

Núcleo de Inovação Tecnológica das Unidades de Pesquisas do Ministério da Ciência,

Tecnologia e Inovação no Rio de Janeiro

CBPF LNCC MAST ON INT

IMPA CETEM

Coordenação Geral (sede CBPF)

Assessoria em Propriedade Intelectual

Assessoria Jurídica Transferência de Tecnologia

Representantes da

área de Inovação das

Unidades de Pesquisa

http://www.nitrio.org.br

11

CBPF - P&D com a Indústria NMR para petrofísica; Técnicas de imageamento quantitativo para caracterização

de imagens de alta resolução em reservatórios geológicos; Plugs de rocha com porosidade controlada Nanotecnologia e O&G

Biomateriais para uso médico e ambiental

Ressonância Magnética na micro e nanoescala.

Ciência dos Materiais, Nanotecnologia e dispositivos magnéticos.

CTA - Observatório astronômico dedicado ao estudo de fenômenos astrofísicos.

Nano-catálise Nano-magnetismo

Biomateriais para uso Médico e Ambiental

Desenvolvimento e Inovação

Biomateriais para e regeneração

de tecido ósseo e dentário

Biomaterias nanoestruturados e

nanopartículas para liberação de

fármacos e Nanotoxicologia

Imobilização de metais pesados

em rejeitos e águas poluídas

LabioMat

PROCESSAMENTO

TESTES PRÉ-CLÍNICOS

TRANSFERÊNCIA

TECNOLOGIA

Materiais

Fosfatos de cálcio

Compósitos fosfatos de

cálcio/polímeros

Revestimentos em implantes

metálicos 12

Desenvolvimento de Produtos

13

Implantes com revestimento de Hidroxiapatita Nanométrica

Testes pré clínicos

(In-Vivo) em

coelhos e cães

comprovaram:

Forte adesão e

crescimento ósseo

(em azul) ao

parafuso revestido

de HAPnano (em

preto) em

comparação ao

sem revestimento

3μm

Parafuso de titânio

comercial com

revestimento

nanométrico de

hidroxiapatita

(100nm)

Superfície do

implante metálico

com rugosidade

micrométrica para

adesão mecânica e

revestimento

homogêneo,

biocompatível e

nanométrico para

induzir adesão

óssea sem produzir

toxicidade

Material do

recobrimento

isento de outros

fosfatos menos

biocompatíveis,

ou fases tóxicas

como o óxido de

cálcio

Instrumento para Recobrimento de Implantes Metálicos com Biomaterial Nanométrico

14 14

Pronto para Transferência de Tecnologia:

Equipamento para produção em escala de revestimento nanométricos aderentes

de fosfatos de Cálcio nanométricos a temperatura ambiente:

Agrega biocompatibilidade aos implantes e pode reduzir problemas de falha e integração de implantes metálicos ortopédicos utilizados pelo SUS

Tecnologia desenvolvida:

Sistema de medida de parâmetros elétricos do

plasma

Medida da taxa de deposição de revestimentos

em tempo real.

Imageamento Quantitativo

Novas técnicas de processamento de sinais para a caracterização de reservatórios geológicos usando imagens de alta resolução

Projeto de P&D: Desenvolvimento de novas técnicas de processamento de imagem para:

• Discriminar o espaço de poros, grãos e outras fases de imagen3D de reservatórios de rochas.

• Estimar propriedades petrofísicas a partir de imagens 3-D de amostras de rochas: porosidade e permeabilidade absoluta.

• Registro de imagens obtidas através de diferentes técnicas e diferentes resoluções (e.g.: RX-μCT e Microscopia Eletrônica de Varredura-MEV).

• Caracterizar o perfil do poço.

• Segmentação, melhoria da imagem e análise de texturas.

• 3D visualização stéreo

Caracterização de materiais usando dupla energia em scanners RX-μCT

Simulação de processos petrofísicas a partir de dados de imagens 3D

• Estrutura multifractal a partir de imagens de μCT de rochas sedimentares de-águas profundas (pré-sal).

3,5 cm

(a)

(b)

(c)

(a) Imagem de μCT a ser processado por

difusão não-linear.

(b) Região de interesse.

(c) Melhoria da imagem por difusão não linear

e segmentação.

𝑢𝑖𝑗𝑡+1 − 𝑢𝑖𝑗

𝑡

Δ𝑡=

𝑓𝑖+1,𝑗𝑡 − 𝑓𝑖𝑗

𝑡

2𝑢𝑖+1,𝑗𝑡 − 𝑢𝑖𝑗

𝑡 −𝑓𝑖−1,𝑗𝑡 − 𝑓𝑖𝑗

𝑡

2𝑢𝑖,𝑗𝑡 − 𝑢𝑖−1𝑗

𝑡

+𝑓𝑖,𝑗+1𝑡 − 𝑓𝑖𝑗

𝑡

2𝑢𝑖,𝑗+1𝑡 − 𝑢𝑖𝑗

𝑡 −𝑓𝑖,𝑗−1𝑡 − 𝑓𝑖𝑗

𝑡

2𝑢𝑖,𝑗−1𝑡 − 𝑢𝑖−1𝑗

𝑡

(a)

(b)

(c)

(a) Imagem de μCT a ser processado por

difusão não-linear.

(b) Região de interesse.

(c) Melhoria da imagem por difusão não linear

e segmentação.

𝑢𝑖𝑗𝑡+1 − 𝑢𝑖𝑗

𝑡

Δ𝑡=

𝑓𝑖+1,𝑗𝑡 − 𝑓𝑖𝑗

𝑡

2𝑢𝑖+1,𝑗𝑡 − 𝑢𝑖𝑗

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𝑡

2𝑢𝑖,𝑗𝑡 − 𝑢𝑖−1𝑗

𝑡

+𝑓𝑖,𝑗+1𝑡 − 𝑓𝑖𝑗

𝑡

2𝑢𝑖,𝑗+1𝑡 − 𝑢𝑖𝑗

𝑡 −𝑓𝑖,𝑗−1𝑡 − 𝑓𝑖𝑗

𝑡

2𝑢𝑖,𝑗−1𝑡 − 𝑢𝑖−1𝑗

𝑡

18

NMR para Petrofísica

Desenvolvimento de modelos físicos para descrever a relação entre o tempo de relaxamento e a porosidade

CBPF

Exemplos de plugs de rocha sinterizados com porosidade controlada, para

experimentos de RMN com altos (ou baixos) campos. Produzidos a partir de esferas de

vidro, com granulometrias controladas

NMR para Petrofísica

19

Imagens TEM de quatro Plugs sinterizados com porosidades diferentes para experiências por RMN. A porosidade pode ser caracterizada com relaxometria de RMN.

CBPF

NMR para Petrofísica

20 CBPF

1H T2 measurement in water

Highest porosity

Lowest porosity

Oil reservoir rock

Tempos de relaxação spin-spin (T2) como uma função da porosidade.

Analytical statistical model to interpret the results

RMN em escala Nanométrica

Desenvolvimento de sistemas de Ressonância Magnética de alta

sensibilidade para amostras nanométricas.

Aplicabilidade

• Acadêmica: estudo de amostras na escala

nanométrica e manipular sistemas quânticos.

4 dissertações de mestrado em andamento

• Industrial: sistemas portáteis de Ressonância

Magnética de alta sensibilidade.

P&D em colaboração com a empresa Fine Instrument Technology

Colaborações externas:

Technishe Universität Dortmund (Alemanha)

Figura: Exemplo de um ressonador

produzido no CBPF / LABNANO

Aplicações Industriais do Laboratório

de Nanotecnologia - LABNANO 1º Nanocenter Brasileiro

Ação estratégica do MCTIC voltada para o desenvolvimento da nanotecnologia no Brasil, no âmbito do Sistema Nacional de Laboratórios em Nanotecnologia - SISNANO/MCTIC Infraestrutura aberta às comunidades CT&I com ênfase na fabricação de dispositivos cujas dimensões críticas para o seu funcionamento estejam na escala nanométrica Conjunto de equipamentos que permite a deposição física de material nas escalas micrométrica e nanométrica através de técnicas de litografia ótica, litografia por feixe de elétrons e litografia por escrita à laser

Possibilidades: Montar experimentos de escala nanométrica

e realizar a prova de conceitos

Produzir protótipos de dispositivos baseados em nanotecnologia

Caracterização de nanomateriais que buscam aliar alta resolução a alta capacidade analítica

22

Projeto 1: Fabricação de nanosensores a base de nanofios semicondutores e fitas de grafeno. Responsável: Daniel Lorscheitter Baptista – IF UFRGS

Justificativa

A utilização de nanomateriais em dispositivos de sensoriamento tem apresentado resultados extremamente relevantes, tornando possível o desenvolvimento de sensores ultra-sensíveis, capazes de detectar inclusive a presença de moléculas individuais. Dependendo do "design" do dispositivo e do nanomaterial utilizado, sensores ultra-sensíveis podem ser fabricados e aplicados no monitoramento UV, de gases (H2, CO2, CH4, NO, NH3), bem como de biomoléculas (ácido nucléico peptídico, proteínas, sequências de DNA). Nanofios e nanofitas são nanomateriais promissores para o desenvolvimento de dispositivos sensores em arquitetura tipo transistores de efeito de campo (FET). Alterações na condutividade elétrica (regimes de acumulação ou depleção) podem ser detectadas, por exemplo, na presença de moléculas específicas. Processos de funcionalização e/ou modificação via irradiação também podem ser importantes na seletividade e modulação de sensitividade de sensores a base de nanomateriais.

O projeto engloba a síntese, funcionalização e caracterização de nanofios de ZnO e fitas de grafeno, bem como a fabricação dos nanodispositivos via litografia UV e de elétrons. A sensitividade dos nanosensores é modulada via processos de irradiações por elétrons e íons.

Objetivos do uso do e-Line A fabricação de dispositivos sensores em configuração FET, utilizando nanofios semicondutores ou fitas de grafeno, requer a utilização de processos de litografia, consistindo de uma ou até três etapas de litografia por feixe de elétrons e uma etapa de litografia UV. Utilizando o equipamento e-Line do LabNano-CBPF, é possível modelar e fabricar nanocontatos metálicos alinhados ao nanofio e fita específicos. O presente projeto engloba a fabricação de nanocontatos de Ti/Au em configuração de dispositivo de um único nanofio (ou fita), bem como em configuração de múltiplos contatos. O processo é realizado através de técnicas de lift-off, utilizando camada simples ou dupla de PMMA. A litografia de elétrons torna-se uma etapa fundamental, sendo necessários diversos testes para otimização de variáveis, tais como dose de exposição, metodologia de revelação e processo de remoção de polímero.

Resultados e objetivos alcançados A otimização dos processos de litografia e lift-off foi alcançada com êxito, utilizando camada única de PMMA (950 k uma) em substratos de Si com filme de 90 nm de SiO2. Nanocontatos de Ti/Au foram fabricados via sputtering. Dispositivos FET, utilizando nanofios de ZnO ou fitas de grafeno, foram confeccionados através de litografia de elétrons alinhada (fig. 1), utilizando cruzes de alinhamento previamente fabricadas, ou através da transferência do material sobre os contatos (fig.2).

Fig. 1. (a) Micrografia de fitas de grafeno; (b) nanocontatos de Ti/Au sobre grafeno, fabricados por litografia de elétrons alinhada e processo de lift-off.

Nanocontatos de Ti/Au sobre grafeno,

fabricados por litografia de elétrons

alinhada e processo de lift-off.

Infraestrutura LABNANO

Nanofabricação e Litografia

Sistema de litografia por feixe de elétrons RAITH e_LINE

Sala limpa para processos em litografia (Classe 1000)

Alinhador de máscaras (litografia ótica) e equipamentos para preparação de amostras para litografia.

Laboratório de deposição de filmes finos.

23

Caracterização de Nanoestruturas

Microscópio eletrônico de varredura analítico de baixo vácuo JEOL JSM-6490LV.

Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução JEOL 2100F 200kV.

Equipamentos de preparação de amostras para microscopia eletrônica.

Laboratório de Deposição de Filmes Finos

JEOL 2100F 200kV

Com cerca de 100 telescópios instalados em dois observatórios, o CTA será o maior observatório de raios-gama já construído.

Observatório astronômico dedicado ao estudo de fenômenos astrofísicos: emissão de raios gama (energia entre 10 GeV e 100 TeV).

28 países com objetivo de projeto e construção da instrumentação e desenvolvimento com empresas para produzir diversos telescópios.

Projeto Cherenkov Telescope Array (CTA)

Estudo estático de resistência e deformação dos designs

Seleção e caracterização de materiais e

tratamentos térmicos mais adequados encontrados em nossa indústria

Suporte para sustentar espelhos (estudo de esforços mecânicos) Estudo de materiais de suporte

Projeto Cherenkov Telescope Array (CTA)

P&D com empresa para a fabricação mecânica de um primeiro protótipo

Teste de esforço

mecânico

Levado a Munique para ser testado no Instituto de Física Max-Planck.

Nova Geração de Detectores de Partículas a

Base de Fibras Cintilantes Finas

Fenômeno de Cintilação → técnica antiga usada para detecção de partículas elementares.

Aplicações de alta resolução espacial era limitada pela dificuldade de fabricação de fibras ultrafinas, com alto controle de espessura.

Dificuldades foram suplantadas → Novos sensores SiPM (experimento LHCb)

Utilização no upgrade, no sistema de tracking (espinha dorsal do experimento)

27

Aplicações: Além de pesquisa em HEP existe grande potencial para Física médica. Empresas sempre estão conectadas as novidades desenvolvidas pelos grupos do CERN.

Projeto MARTA/Lattes- RPCs

28

Resistive Plate Chambers Detector de Muons

Á base de gás R134A

Baixo fluxo de gás

CBPF: Construção da estrutura Montagem Caracterização

Medir com maior precisão a componente muônica em chuveiros atmosféricos para identificar múons individuais

http://www.lip.pt/

CBPF: Montagem e caracterização

Central de controle

Aquisição de dados

Hodoscópio

DAQ

“Introdução de novidade ou aperfeiçoamento no ambiente produtivo e

social que resulte em novos produtos, serviços ou processos ou que

compreenda a agregação de novas funcionalidades ou características

a produto, serviço ou processo já existente que possa resultar em

melhorias e em efetivo ganho de qualidade ou desempenho”.

Lei 13.243/16 – Novo Marco Legal de CTI

Fazer inovação não é desenvolver tecnologia!

Inovação

29

Innovation Report Forum for Science, Industry and Business

“Inovação é a exploração

com sucesso de novas ideias no

mercado.”

Orientação e

padronização

de conceitos e

metodologias.

https://www.youtube.com/watch?v=IgKWPdJWuBQ

Empresário Elon Musk

Fundador do PayPal, Tesla Motors e SpaceX

Projetos inovadores que incluem um carro elétrico

comercializado em massa, uma empresa de locação de

energia solar e um foguete totalmente reutilizável.

TED: Como, uma pessoa foi capaz de inovar assim? Qual é a sua diferença? EM: “Bem, acho que uma boa forma para se pensar... É a física. Sabe... raciocínio com princípios básicos. Em geral, o que quero dizer com isso é: traga as coisas para suas verdades fundamentais e raciocine a partir daí. ... Mas quando você quer fazer algo novo, você tem que aplicar a abordagem da física. Física é, na verdade, imaginar como descobrir coisas novas que não são intuitivas.”

~1 milhão de visualizações

Balança Comercial por Intensidade de

Tecnologia no Processo Produtivo

Classificação internacional das atividades econômicas

Agrupamentos das atividades intensivas em tecnologia:

Alta

Média-Alta

Média-Baixa

Baixa Tecnologia

Não classificados quanto a intensidade tecnológica (N.C.I.T.)

Mais alta a tecnologia → maior a participação e investimento em P&D

Exemplo: aeronaves, equipamentos eletrônicos/informática e produtos

farmoquímicos.

31 G. B. Lopes; “Uma visão da Balança Comercial – Intensidade Tecnológica”,

https://financasfaceis.wordpress.com/ Maio/2016

Grupos se distinguem por

ter diferentes níveis de

utilização de P&D em

relação a produção.

Reflete indiretamente o desenvolvimento da indústria

Mais tecnologia e P&D

Maior qualificação dos trabalhadores

Maior valor agregado na produção.

Histórico da Balança Comercial de

Produtos da Indústria de Transformação

32 G. B. Lopes; “Uma visão da Balança Comercial – Intensidade Tecnológica”,

https://financasfaceis.wordpress.com/ Maio/2016

Instrumentação e Inovação

Para o avanço científico e tecnológico é essencial profissionais competentes, e também equipamentos que permitam testar as fronteiras do conhecimento.

O avanço científico vem com frequência associado a novos instrumentos e normalmente de forma inovadora.

É bastante comum que instrumentos desenvolvidos para um determinado experimento acabem por ter aplicações comerciais.

O CBPF tem estimulado o desenvolvimento tecnológico, a transferência de conhecimento e a parceria em pesquisas com instituições e empresas.

Para fortalecer essas atividades, o CBPF vem atuando em:

Mestrado Profissional em Física - Instrumentação Científica

Laboratórios Multiusuários

Núcleo de Inovação Tecnológica

Ciência Básica Desenvolvimento Tecnológico Inovação 33

Centro de Inovação para a Ciência

Plano Diretor do CBPF (2016-2020)

Projeto Estruturante

Objetivo: Criar um Centro para promover o desenvolvimento de tecnologias e instrumentos necessários em áreas de fronteira da pesquisa científica e prospectar áreas estratégicas no campo da Instrumentação e da Computação de relevância para o futuro científico e tecnológico do país, promovendo também a inovação em articulação com o setor produtivo.

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INSTRUMENTAÇÃO E INOVAÇÃO

Marcelo Portes de Albuquerque

3ª Oficina de Instrumentação Científica e Inovação Tecnológica

Rio de janeiro, 20 e 21 de Outubro de 2016 www.cbpf.br