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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
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
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
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.
34
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