04/10/2011
Por Elton Alisson
Agência FAPESP – Ricardo Kita Nomiyama, estudante do quarto ano do curso de graduação em química da Universidade de São Paulo (USP), campus de São Carlos, conseguiu realizar um feito que poucos alunos de graduação ostentam em seus currículos acadêmicos.
O trabalho de iniciação científica de Nomiyama acaba de ser publicado na edição on-line da revistaPhysical Review B, da American Physical Society, em uma das seções de maior destaque da publicação.
Intitulado “Propriedades estruturais de óxidos usando a teoria funcional da densidade funcional”, o estudo foi realizado com apoio de Bolsa da FAPESP.
Trabalho de bolsista da FAPESP de iniciação científica sobre estruturas de óxido de platina é publicado na revista Physical Review B, da American Physical Society
No trabalho, realizado durante o terceiro ano de graduação, Nomiyama utilizou uma ferramenta computacional – conhecida como teoria do funcional da densidade implementada no código VASP – para estudar estruturas atômicas de óxido de platina.
Por meio disso, descobriu uma estrutura de monóxido de platina com energia mais baixa do que outra proposta há 70 anos pelo norte-americano Linus Pauling (1901-1994), ganhador do Nobel de Química, além de duas estruturas atômicas de dióxido de platina tão estáveis quanto as já existentes.
“Com o conhecimento que Nomiyama possuía no terceiro ano de graduação e com o auxílio da ferramenta computacional, ele teve condições de dar uma contribuição científica muito relevante para um problema que vem sendo estudado há anos”, disse o pesquisador Juarez Lopes Ferreira da Silva, que orientou o estudante, à Agência FAPESP.
Silva realiza pós-doutorado no Instituto de Física da USP de São Carlos e conduz a pesquisaCatálise computacional: produção de hidrogênio usando etanol, apoiada pelo Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes (JP-FAPESP).
Silva solicitou a Nomiyama que calculasse a energia de um conjunto de cerca de 20 estruturas de monóxido de platina que foram descritas por Pauling em um estudo publicado em 1941 no Journal of American Chemical Society.
Ele ainda orientou o estudante a procurar por novas estruturas de monóxido de platina que pudessem ter energia também baixa a partir de um conjunto de novas estruturas determinadas em outros experimentos.
Para isso, Nomiyama sugeriu procurar por estruturas que tivessem um estado de oxidação similar ou próxima a do óxido de platina, e fez cálculos de simulações dos materiais existentes. Ao compará-los com as estruturas candidatas, descobriu que uma delas tinha energia mais baixa do que as demais.
Intrigado com a descoberta, Silva e um estudante de doutorado de seu grupo de pesquisa refizeram todos os cálculos realizados por Nomiyama para verificar se ele realmente tinha encontrado uma estrutura nova ou se havia cometido algum erro. Verificaram que o resultado obtido estava correto.
“Realmente, ele encontrou uma estrutura que tinha energia mais baixa do que outra que havia sido proposta há 70 anos. E a energia é o fato mais importante para determinar a estabilidade de um sistema”, explicou Silva.
O próximo passo foi estender o estudo para outras composições como o dióxido de platina. Nesse caso, Nomiyama não conseguiu encontrar uma estrutura com energia mais baixa, mas achou duas com energia tão boa quanto a de estruturas já existentes.
Contribuições
De acordo com Silva, os resultados do estudo são importantes para o avanço do entendimento da estrutura da platina. “Levando em consideração que a platina é um dos elementos mais utilizados em catálise (aumento da velocidade de uma reação química) e que o oxigênio está presente em quase todas as reações químicas que ocorrem na natureza, agora temos informações sobre o óxido que está presente na superfície da maioria dos materiais que formam a platina”, explicou.
A platina é o principal material utilizado no anodo (eletrodo) de células a combustível à base de etanol para quebrar a molécula de etanol e obter hidrogênio para injetar na célula a combustível.
Como nessa reação ocorre a formação de espécies com grande quantidade de oxigênio – que podem se ligar à superfície da platina e, dependendo da concentração, encobri-la, diminuindo a eficiência do catalisador –, o grupo de pesquisa na USP se dedica a entender a interação do oxigênio com a platina.
“Conhecer essa interação é fundamental para se avançar no desenvolvimento de catalisadores com baixo custo e com grande estabilidade para a produção de hidrogênio utilizando etanol em células a combustível e para entender, por exemplo, como o oxigênio afeta o catalisador”, disse Silva.
Os próximos passos dos pesquisadores serão realizar uma simulação de dinâmica molecular de um modelo de nanopartícula de platina, adicionando átomos de oxigênio em sua superfície. Eles pretendem comparar se a estrutura formada nesse processo, em que se tem um ambiente de alta concentração de oxigênio, é semelhante às que foram observadas no trabalho realizado por Nomiyama.
“O projeto de iniciação científica dele está integrado com outras pesquisas do grupo. Uma das nossas preocupações é que os alunos de iniciação estejam inseridos no grupo para se aproximar ao máximo da atividade de pesquisa e que possam realizar um projeto muito bem definido que seja ao mesmo tempo viável e próximo à realidade dele para que consiga resolver”, disse Silva.
Para Nomiyama, a pesquisa possibilitou ampliar seu conhecimento sobre os óxidos de platina, com os quais já havia tido contato em algumas disciplinas do curso de graduação em química, além de lidar com ferramentas computacionais e técnicas que, provavelmente, só veria na pós-graduação.
“Algumas características sobre esse elemento químico eu já sabia, em função de algumas matérias que cursava simultaneamente ao projeto. Outras, só fui ver bem depois. Graças aos conhecimentos mais básicos da química, foi possível encontrar essas novas estruturas”, afirmou.
O artigo Bulk structures of PtO and PtO2 from density functional calculations, de Nomiyama e outros (doi:10.1103/PhysRevB.84.100101), publicado na Physical Review B, pode ser lido em
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