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Onde a ciência acontece

Em uma fonte de luz síncrotron, como o Sirius, as linhas de luz são as estações de pesquisa onde são feitos experimentos. As diferentes técnicas experimentais disponíveis neste tipo de infraestrutura permitem observar aspectos microscópicos dos materiais, como os átomos e moléculas que os constituem, seus estados químicos e sua organização espacial, além de acompanhar a evolução no tempo de processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem em frações de segundo.

Em uma linha de luz é possível acompanhar também como essas características microscópicas são alteradas quando o material é submetido a diversas condições, como temperaturas elevadas, tensão mecânica, pressão, campos elétricos ou magnéticos, ambientes corrosivos, etc., em uma classe de experimentos denominada in situ. Essa capacidade é uma das principais vantagens das fontes de luz síncrotron, quando comparadas a outras técnicas de alta resolução, como a microscopia eletrônica.

Além disso, as fontes de luz síncrotron comportam diversas linhas de luz, que funcionam de forma independente entre si e são otimizadas para experimentos diversos. Isso permite que diversos grupos de pesquisadores trabalhem simultaneamente em diferentes pesquisas.

Mais Brilho para a Ciência

Em uma fonte de luz síncrotron, quanto mais intensa e focalizada for a luz produzida, maior é o detalhamento que se obtém sobre a amostra analisada. Essas qualidades constituem o brilho desta fonte, de modo que quanto mais brilhante for a luz, maior é a qualidade e a variedade das pesquisas que podem ser realizadas em suas estações de pesquisa. Assim, há uma busca constante pela construção de fontes de luz cada vez mais brilhantes.

Sirius se destaca por ter o maior brilho, entre as fontes de luz síncrotron com sua faixa de energia no mundo. Por isso, ele permitirá a realização de experimentos até então impossíveis no Brasil, e em alguns casos impossíveis em todo o mundo.

Além disso, esse alto brilho permitirá que experimentos que já são feitos hoje sejam muito aprimorados, seja pela redução no tempo de aquisição de dados, pela melhora da precisão dos resultados das medidas ou pelo o aumento do número de amostras que podem ser analisadas em um mesmo intervalo de tempo.

As Primeiras Linhas de Luz

Batizadas com nomes da fauna e flora brasileiras, as linhas de luz do Sirius são planejadas para abrigar instrumentação científica avançada, adequada para solucionar problemas em áreas estratégicas para o desenvolvimento do País. Inicialmente, um conjunto de 14 linhas de luz foi planejado para cobrir uma grande variedade de programas científicos.

Dessas 14 linhas, seis estão em montagem avançada, e fazem parte de uma primeira fase de entregas. Em seguida, outras sete estações de pesquisa serão construídas até o final do projeto, previsto para ocorrer em 2021. Ao todo, Sirius poderá abrigar até 38 linhas de luz, das quais seis serão linhas longas, com comprimento de 100 a 150 metros.

Além de permitir experimentos extremamente avançados, Sirius irá proporcionar toda a infraestrutura necessária para que os pesquisadores realizem suas investigações. Para isso, laboratórios de apoio, instalados ao redor das linhas de luz, atenderão as demandas de usuários quanto ao preparo e condicionamento de amostras, realização de reações químicas controladas e uso de equipamentos eventualmente indisponíveis na instituição de origem do pesquisador.

CARNAÚBA

Carnaúba (Copernicia prunifera) é uma árvore endêmica do nordeste do Brasil, símbolo do estado do Ceará e popularmente conhecida como árvore da vida. O nome provém do tupi karana’iwa, “árvore do caraná”.

O solo é uma combinação heterogênea de compostos orgânicos e inorgânicos, imersos em soluções aquosas e em meio a raízes de plantas. Os processos químicos, físicos e biológicos que ali acontecem em nível atômico e molecular controlam o transporte e a disponibilidade de nutrientes. Dessa forma, o conhecimento dessa região na escala nanométrica é essencial para se alcançar uma produção agrícola mais eficiente e sustentável.

Na linha de luz CARNAÚBA poderão ser realizadas análises dos mais diversos materiais nano-estruturados, visando a obtenção de imagens 2D e 3D com resolução nanométrica da composição e estrutura de solos, materiais biológicos e fertilizantes, por exemplo, além de outras investigações nas áreas de ciências ambientais. Isso é possível porque esta será a linha de luz mais longa do Sirius, com 150 metros de comprimento. A grande distância entre a fonte de raios X e a amostra permite produzir um feixe de luz síncrotron com foco de apenas 30 nanômetros.

CATERETÊ

Cateretê, ou jacarandá branco (Machaerium vestitum), é uma árvore encontrada nas regiões sudeste e sul do Brasil. Seu nome tem origem Tupi e também batiza uma dança brasileira.  

A compreensão de problemas relacionados às ciências da vida e medicina passa pelo estudo de seres vivos em escalas que vão desde proteínas e enzimas, moléculas biológicas ativas e organelas, células, tecidos e órgãos, até organismos inteiros.

A linha de luz CATERETÊ será otimizada para a obtenção de imagens tridimensionais com resolução nanométrica de materiais de diferentes tamanhos, desde uma macromolécula de dezenas de nanômetros até o tecido de alguns milímetros na qual ela se encontra. Assim, essa linha de luz permite a investigação da dinâmica de fenômenos biológicos em diferentes escalas.

Uma das principais características da CATERETÊ é o seu feixe de raios X coerente e focalizado em uma região de cerca de 40 micrômetros. Com ele será possível obter imagens de células de mamíferos de dezenas de micrômetros, em três dimensões, de forma não destrutiva e em ambiente líquido, semelhante a seu ambiente natural. Esse tipo de imagem ainda não foi obtido por nenhum outro método no mundo, e deve ser gerado pela primeira vez nesta linha de luz.

EMA

Ema (Rhea americana) é uma ave que não voa, nativa da América do Sul e considerada a maior ave brasileira. Os machos da espécie são responsáveis pela incubação e cuidados com os filhotes.  

Quando a matéria é submetida a condições extremas de temperatura, pressão ou campo magnético, ela pode apresentar novas propriedades físicas e químicas, passando, por exemplo, de condutor para isolante, de magnético para não magnético, e vice-versa.

A linha de luz EMA possibilitará a realização de experimentos em amostras de materiais submetidos a condições extremas. O estudo da matéria nessas condições permite investigar novos materiais com características que não existem em condições normais. Este é o caso, por exemplo, dos materiais supercondutores, capazes de conduzir correntes elétricas sem resistência, com o potencial de revolucionar a transmissão e o armazenamento de energia.

As temperaturas e pressões simuladas nesta linha de luz, através de aquecimento por lasers intensos e células de pressão com diamante, poderão chegar a mais de 8000 graus celsius e pressões equivalentes ao dobro da pressão no centro da Terra, respectivamente. Os campos magnéticos, que serão aplicados por imãs supercondutores, poderão chegar a quase 14 tesla. Tais condições só são realizáveis em ambientes de tamanho muito reduzido, e só podem ser desvendados por um feixe de raios X de alto brilho, como o produzido pelo Sirius.

MANACÁ

Manacá-de-cheiro é o nome dado à árvore da família Solanaceae, encontrada na Mata Atlântica brasileira. Está sempre rodeada pela borboleta-do-manacá, um inseto cujas larvas só se alimentam das folhas dessa planta.  

Quando uma molécula é identificada como alvo terapêutico, a investigação de sua estrutura tridimensional, isto é, a posição de cada um dos átomos que a compõe, permite entender a sua ação no organismo e sua interação com as candidatas a fármaco. Dessa forma, é possível tornar a busca por novos medicamentos mais eficiente.

A linha de luz MANACÁ, por meio da técnica chamada cristalografia de macromoléculas, permite o estudo da estrutura de proteínas e enzimas humanas e de patógenos com resolução micrométrica e submicrométrica, capaz de guiar o desenvolvimento de potenciais novos fármacos ou a compreensão do funcionamento de fármacos já conhecidos para aumentar sua efetividade. Informações sobre a estrutura de proteínas são importantes não apenas na área da saúde, mas também para o desenvolvimento de biocombustíveis, defensivos agrícolas, alimentos e cosméticos.

A MANACÁ é especialmente dedicada ao novo método de cristalografia em série, que permitirá a elucidação das estruturas de proteínas mais complexas, que não podem ser desvendadas pela cristalografia convencional.

MOGNO

Mogno, ou mogno-brasileiro é o nome popular da espécie Swietenia macrophylla, nativa da Amazônia. É uma árvore de madeira castanho-avermelhada, que por ser muito explorada, resiste apenas em regiões de difícil acesso e em áreas protegidas.  

O Brasil é um país pioneiro na exploração de petróleo em águas profundas. No entanto, uma grande quantidade desse combustível fóssil está armazenada no espaço poroso de rochas carbonáticas, especialmente na camada do pré-sal. Essas rochas são muito heterogêneas e têm sistemas complexos de poros, que precisam ser bem conhecidos para tornar a exploração de óleo e gás mais eficiente.

A linha de luz MOGNO será dedicada à obtenção de imagens tomográficas tridimensionais com resolução micro e nanométrica. Estruturas internas de diversos materiais poderão ser estudados de forma não invasiva, em diferentes escalas espaciais, variando entre centenas de nanômetros e dezenas de micrômetros. Além disso, será possível submeter os materiais a diferentes condições mecânicas, térmicas ou químicas e acompanhar alterações em tempo real. Assim, a MOGNO permitirá estudos detalhados de fenômenos complexos como, por exemplo, a passagem de fluidos através dos poros das rochas do pré-sal.

Além disso, diversos outros tipos de materiais poderão ser estudados nessa linha de luz: solos, fósseis, materiais para dispositivos eletrônicos, produtos de reações químicas e amostras biológicas.

IPÊ

Ipê é o nome popular de diversas espécies de árvores do gênero Handroanthus. Disputa a posição de árvore-símbolo do País com o Pau-Brasil. De origem Tupi, seu nome significa árvore cascuda.  

Quando átomos se juntam para formar materiais sólidos e líquidos, a interação entre seus elétrons pode originar propriedades que são muito diferentes das características individuais de cada elemento constituinte, e que definem como os materiais transportam calor, eletricidade, magnetismo, som, luz etc. O conhecimento preciso dessas interações auxilia o desenvolvimento de novas tecnologias de armazenamento e transporte de informações, eletrônica com alta eficiência energética e muitas outras.

A linha de luz IPÊ será dedicada a estudar a distribuição dos elétrons em átomos e moléculas presentes em interfaces líquidas, sólidas e gasosas, e de como ela afeta as propriedades dos materiais.

Dessa forma, IPÊ permitirá sondar como as ligações químicas ocorrem nas interfaces de materiais como catalisadores, células eletroquímicas, materiais sujeitos a corrosão, ou ainda como a corrente elétrica se propaga em diferentes materiais, desde isolantes até supercondutores.

QUATI

Quatis são mamíferos diurnais do gênero Nasua, comuns da América do Sul ao sul da América do Norte. Os quatis são conhecidos pelo fato de as fêmeas viverem em bandos e os machos, que já se tornaram adultos, viverem solitários.

Catalisadores são substâncias utilizadas como facilitadores de reações químicas em praticamente todos os processos industriais que envolvem a transformação de produtos primários. A busca por catalisadores mais eficientes e mais acessíveis impacta não só a economia, mas também o meio ambiente e a qualidade de vida das populações.

Essa investigação, no entanto, exige que os catalisadores sejam estudados nas mesmas condições em que serão aplicados, tipicamente em altas temperaturas e pressões, na presença de diferentes gases, entre outras variáveis. Assim, são necessários equipamentos científicos sofisticados para a realização dessas pesquisas.

A linha de luz QUATI permitirá a análise em tempo real de uma enorme variedade de processos físicos e químicos que acontecem na escala temporal de milissegundos, tornando possível acompanhar, por exemplo, as modificações estruturais que acontecem nos materiais durante as reações químicas relacionadas ao funcionamento de catalisadores.

SABIÁ

Sabiá (Mimosa caesalpiniaefolia) é uma árvore encontrada nativamente na Região Nordeste e em parte da Região Norte do Brasil, e que é cultivada pela durabilidade de sua madeira. Suas folhas também são utilizadas como alimento para animais em épocas de escassez hídrica.

Materiais magnéticos são a base de uma grande variedade de tecnologias, de fones de ouvido a discos rígidos para o armazenamento de dados. Essa diversidade de aplicações faz com que materiais magnéticos inovadores sejam ativamente pesquisados, por exemplo, para a entrega de fármacos diretamente até áreas tumorais, para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos mais compactos e que consumam menos energia, ou para a chamada refrigeração magnética, que tem o potencial de substituir a tecnologia baseada em gases nocivos ao ambiente, entre outras.

O estudo de materiais magnéticos passa por compreender aspectos até hoje desconhecidos e fundamentais do magnetismo. Assim, a linha de luz SABIÁ será otimizada para a investigação de propriedades estruturais e magnéticas desses materiais, principalmente suas superfícies e interfaces. A SABIÁ permitirá medidas magnéticas com sensibilidade à identificação dos elementos químicos que compõem a amostra e que são responsáveis pelo magnetismo.

PAINEIRA

Paineira é o nome popular de diversas espécies do gênero Ceiba. Suas sementes são envoltas em fibras finas e brancas, chamada de paina, e são aproveitadas no preenchimento de travesseiros e pelúcias.

A busca por fontes de energia limpa, renovável e barata tem se intensificado nos últimos anos, com o crescente consenso de que a elevação na temperatura média do planeta, e a consequente intensificação de episódios climáticos extremos, é causada pela ação humana. No entanto, é imprescindível que essa busca esteja aliada ao desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento de energia eficientes e de baixo custo, que sejam capazes de competir com o uso de combustíveis fósseis.

Entre esses novos sistemas de armazenamento estão, por exemplo, as chamadas baterias de lítio-ar. Essas baterias armazenam energia elétrica por meio da reação entre o lítio e o oxigênio e apresentam uma maior capacidade de armazenamento, em comparação com as baterias utilizadas comercialmente, como as de lítio-íon. No entanto, um dos principais desafios para o desenvolvimento de baterias mais eficientes está em compreender a correlação entre a estrutura dos materiais que as compõem e o desempenho desses dispositivos.

A linha de luz PAINEIRA possibilitará, por exemplo, o estudo das mudanças estruturais dos materiais que compõem dispositivos para armazenamento de energia em condições de operação, ou seja, durante os ciclos de carga e descarga da bateria.

IMBÚIA

Imbúia é o nome popular da espécie Ocotea porosa, típica das florestas de araucárias da região sul do Brasil. Antes abundante, a Imbuia está ameaçada de extinção devido à exploração predatória de sua madeira nobre.

Investigações de morfologia e composição química são fundamentais para a compreensão da fisiologia de sistemas biológicos em diversos níveis, e a realização desses estudos em sistemas similares aos fluidos biológicos permite que se obtenha informações representativas do funcionamento desses sistemas em seus ambientes naturais. Para a análise de uma célula sanguínea isolada, por exemplo, o ideal seria usar um líquido que reproduza seu ambiente natural, ou seja, o sangue. Assim os resultados, mesmo que em ambiente de pesquisa, serão representativos para a clínica ou a indústria farmacêutica.

A linha de luz IMBUIA é dedicada a experimentos utilizando a luz infravermelha, que permite a identificação dos grupos funcionais de moléculas e a análise da composição de praticamente qualquer material, com resolução nanométrica. IMBUIA permitirá, assim, a realização de pesquisas de fronteira tanto em novos materiais sintéticos como para o entendimento de materiais naturais, como os biológicos.

Nesta linha de luz poderá ser realizado o mapeamento químico de tecidos e sistemas biológicos de dimensões milimétricas, com resolução espacial de poucos micrômetros. Em especial, ela permitirá a análise química de células animais isoladas, no contexto de reações químicas locais, e a entrega de nanofármacos a organelas ou compartimentos celulares específicos.

SAPUCAIA

Sapucaia é o nome popular da espécie Lecythis pisonis, comum na Floresta Amazônica e na Mata Atlântica. Seu fruto é duro e contém pequenas castanhas, muito apreciadas por macacos, sendo a provável origem do ditado “Macaco velho não põe a mão em cumbuca”.

Nanopartículas, por seu tamanho extremamente reduzido e propriedades adaptáveis a todo tipo de aplicação, têm atraído a atenção das mais diversas áreas de pesquisa. A atuação dessas minúsculas partículas pode ser controlada através de sua composição, tamanho e formato. Por exemplo, nanopartículas podem ser usadas como pílulas que carregam e entregam medicamentos diretamente a células doentes, como em cânceres, ou no combate a vírus e a bactérias resistentes a antibióticos.

A linha de luz SAPUCAIA permitirá, por exemplo, a investigação sobre a forma, organização e dinâmica das nanopartículas em uma grande variedade de campos de pesquisa da física, química e biologia, além de aplicações industriais.

SAPUCAIA permitirá, ainda, responder a diversas questões relacionadas a ciências da vida (aplicações biológicas e médicas), biologia estrutural (proteínas, lipídios, macromoléculas) e a um vasto campo de ciências dos materiais, incluindo nanotecnologia, polímeros, catálise, reologia e ciências ambientais.

JATOBÁ

Jatobá é o nome popular de árvores do gênero Hymenaea L., comuns de toda América Latina e, em especial, da Floresta Amazônica. Seu nome pode ser traduzido do tupi como “árvore dos frutos duros”.

Materiais chamados complexos têm como característica o fato de que suas propriedades e funcionalidades dependem da organização e interação de suas estruturas em várias escalas de comprimento, desde a estrutura atômica, passando pelas escalas nanométrica, mesoscópica e macroscópica.

Tais materiais têm papel central na sociedade moderna, e estão presentes, por exemplo, em baterias, dispositivos eletrônicos, processos industriais, e em muitas outras aplicações. O conhecimento da estrutura desses materiais no nível atômico é de particular interesse da ciência, já que as propriedades físicas macroscópicas são reflexo do efeito cumulativo de diversas interações entre átomos próximos, a chamada estrutura local.

A linha de luz JATOBÁ será dedicada a experimentos para determinar a estrutura de materiais, desde sua estrutura local (comprimentos de ligação química e distâncias interatômicas) até a forma e o tamanho de nanoestruturas, tanto de materiais cristalinos e como de não-cristalinos, tais como líquidos, materiais amorfos e nanopartículas. A linha JATOBÁ permitirá, ainda, realizar experimentos resolvidos no tempo para analisar a cinética das modificações estruturais que ocorrem nos materiais complexos quando submetidos a estímulos externos.

CEDRO

O cedro brasileiro ou cedro-cheiroso (Cedrela odorata) é uma árvore de grande distribuição natural, que no Brasil ocorre na Mata Atlântica, na Amazônia e mesmo na Caatinga. Seu nome deve-se à boa qualidade da sua madeira e ao odor característico, semelhantes ao do centro original, conhecido por cedro-do-líbano.

Proteínas são macromoléculas biológicas formada por cadeias de moléculas menores, chamadas de aminoácidos. Após sua formação, a cadeia de aminoácidos se enovela e se dobra sobre si, adquirindo um formato, chamado de estruturas secundárias e terciárias, o que possibilitará sua função no organismo.  A investigação da estrutura tridimensional de uma proteína ou enzima possibilita entender sua ação e sua interação com outras moléculas.

A compreensão de como essas estruturas se comportam no ambiente biológico e de como se dá a formação de complexos proteínas-fármacos possibilita a solução de diversos problemas médicos e científicos.

A linha de luz CEDRO permitirá investigar essa estrutura secundária de proteínas e de complexos proteínas-fármacos, identificar as regiões desordenadas dessas proteínas, bem como analisar as interações de proteínas com pequenas moléculas, o que contribuirá para o desenvolvimento de fármacos. Associado a isso, CEDRO permitirá que as medidas sejam realizadas em condições semelhantes às encontradas no ambiente biológico onde essas moléculas são encontradas.

SAPÊ

O sapê é o nome popular da gramínea Imperata brasiliensis cujos caules, após secos, são utilizados na construção do telhado de casas rústicas. Seu nome deriva do termo tupi ssa’pé, “o que alumia”, em referência à sua fácil queima.

O desenvolvimento dos dispositivos eletrônicos cada vez mais potentes e eficientes exige a contínua miniaturização de seus componentes. Para isso, é necessária a constante busca por materiais que possuam propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas adequadas.

Um exemplo desses novos materiais são os chamados isolantes topológicos. Esses materiais têm a característica especial de serem isolantes elétricos em seu volume e, ao mesmo tempo, condutores elétricos em superfícies com baixa resistência elétrica. Além disso, esses materiais permitiriam a construção de transistores e bits de memórias quânticas extremamente robustos, ajudando a alavancar a computação quântica que levaria a uma revolução na velocidade de processamento de dados.

A Linha de Luz SAPÊ se dedicará ao estudo da estrutura eletrônica desses isolantes topológicos e de uma grande variedade de outros materiais, permitindo a investigação, por exemplo, de propriedades de supercondutores, do grafeno e estudo de estados eletrônicos de interfaces entre sólidos e filmes ultrafinos.