Física e química quânticas em 2025: o Brasil na fronteira da pesquisa de novos materiais

O ano em que a física e a química se encontraram na escala quântica

O ano de 2025 marcou um momento raro na história dos prêmios Nobel: tanto a Física quanto a Química reconheceram descobertas que operam na mesma escala de grandeza, a escala molecular e atômica onde as regras da mecânica quântica determinam o comportamento da matéria. O Prêmio Nobel de Física foi concedido a John Clarke, Michel Devoret e John Martinis pela descoberta do tunelamento quântico em circuitos supercondutores, um fenômeno que abre caminho para a computação quântica e tecnologias relacionadas. O Prêmio Nobel de Química reconheceu o desenvolvimento de estruturas metalorgânicas, os chamados MOFs, materiais altamente versáteis com aplicações que abrangem desde a captura de gases até a eletrônica de próxima geração. Essa coincidência temática reflete uma tendência crescente da ciência moderna: a convergência entre disciplinas tradicionais na busca por comprender e manipular fenômenos na escala quântica.

A mecânica quântica, criada há mais de um século, continua a oferecer surpresas e a servir como base para tecnologias que moldam o cotidiano contemporâneo. Os lasers utilizados em leitores de código de barras, os LEDs que iluminam ambientes e os sistemas de GPS que orientam navegação dependem de princípios quânticos descobertos ao longo das últimas décadas. Em 2025, a comunidade científica celebra não apenas o centenário dessa teoria, mas também sua expansão para aplicações ainda mais ambiciosas, incluindo computadores capazes de resolver problemas que levariam anos nos sistemas convencionais.

O tunelamento quântico e a revolução da computação

A descoberta vencedora do Nobel de Física envolve um fenômeno contra-intuitivo: a capacidade de partículas atravessarem barreiras de energia que, segundo a física clássica, seriam intransponíveis. John Clarke, Michel Devoret e John Martinis construíram circuitos feitos de supercondutores separados por camadas isolantes extremamente finas, formando o que se conhece como junções Josephson. Quando a corrente elétrica atravessava esses circuitos, os pesquisadores observaram que o sistema conseguia atravessar barreiras de energia de uma forma que só pode ser explicada pela mecânica quântica, mesmo sendo composto por bilhões de partículas. O fenômeno de tunelamento quântico permite que elétrons apareçam do outro lado de uma barreira sem precisar transpô-la, como se atravessassem um muro invisível.

O professor John Martinis utilizou posteriormente os princípios de quantização descobertos com seus colaboradores para construir os primeiros protótipos de bits quânticos, os qubits, unidades fundamentais da computação quântica. Diferentemente dos bits convencionais, que assumem valores de zero ou um, os qubits podem existir em superposição de estados, o que confere aos computadores quânticos a capacidade de explorar múltiplas soluções simultaneamente para problemas complexos. Jose Rafael Bordin, professor associado da Universidade Federal de Pelotas e membro afiliado da Academia Brasileira de Ciências, explicou que essa descoberta permitiu a entrada da física quântica em soluções do cotidiano, com impacto em áreas que vão da medicina à segurança de dados.

MOFs: a química de coordenação que conquista a próxima geração de materiais

Do outro lado do espectro científico, o Prêmio Nobel de Química de 2025 reconheceu a criação de estruturas metalorgânicas, materiais construídos a partir da combinação de íons metálicos como cobre e zinco com moléculas orgânicas à base de carbono. Essas estruturas funcionam como peças de Lego em escala molecular, permitindo combinar diferentes componentes para gerar propriedades específicas conforme a necessidade. A Chemical Abstracts Service, divisão da Sociedade Americana de Química, registra que já foram criadas cerca de 90 mil estruturas metalorgânicas diferentes, cada uma com potencial para aplicações distintas que vão desde a captura de vapor de água do ar até a remoção de poluentes de cursos hídricos.

A versatilidade dos MOFs reside em sua arquitetura porosa: eles possuem cavidades internas vazias que podem ser preenchidas com diferentes substâncias, o que permite projetar materiais para funções específicas. Alguns grupos de pesquisa exploram o potencial dos MOFs para capturar dióxido de carbono da atmosfera, uma aplicação com implicações diretas para a mitigação de mudanças climáticas. Outros investigam formas de usar essas estruturas para filtragem de gases tóxicos ou para armazenamento seguro de combustíveis. Essa diversidade de aplicações explica o interesse crescente da comunidade científica e da indústria por esses materiais, embora a maioria ainda permaneça restrita aos laboratórios de pesquisa.

A contribuição brasileira na interseção entre física e química

Um grupo de pesquisadores da Universidade Estadual Paulista, liderado pelo físico Carlos César Bof Bufon, conduz estudos que operam na interseção entre os campos reconhecidos pelo Nobel em 2025. O grupo investiga a possibilidade de que estruturas metalorgânicas possam conduzir eletricidade de forma quântica, um fenômeno comum no desenvolvimento de tecnologias quânticas de segunda geração, incluindo sensores quânticos, sistemas de comunicação protegida e computação quântica. Bufon explica que a pesquisa combina ciência básica e engenharia, buscando tanto compreender propriedades fundamentais de novos materiais quanto transformar essas descobertas em dispositivos funcionais.

A pesquisa com MOFs no Brasil enfrentou um desafio inesperado: a umidade, normalmente considerada uma ameaça à integridade dessas estruturas, revelou-se um elemento capaz de estabilizar defeitos estruturais que, paradoxalmente, permitem o transporte de cargas elétricas através de tunelamento quântico. Em filmes ultrafinos de HKUST-1, um MOF criado na Universidade de Hong Kong, os pesquisadores demonstraram que a presença de moléculas de água nos poros do material cria atalhos eletrônicos que facilitam a passagem da corrente elétrica. Esse resultado contradiz as expectativas convencionais sobre o comportamento desses materiais e abre novas possibilidades para o design de dispositivos eletrônicos baseados em MOFs.

Resistência negativa e lógica ternária: aplicações práticas dos MOFs

Uma das descobertas mais notáveis do grupo brasileiro envolveu a observação do fenômeno de resistência negativa em filmes ultrafinos de MOFs. Quando se eleva a tensão aplicada a um material condutor convencional, a corrente elétrica aumenta de forma proporcional, seguindo a Lei de Ohm. No entanto, em determinadas condições, os MOFs estudados apresentaram o comportamento oposto: a corrente diminuiu quando a tensão aumentou. Esse fenômeno, conhecido como NDR (resistência diferencial negativa, na sigla em inglês), resulta da formação de estados intermediários de energia que permitem o tunelamento quântico através de barreiras no material.

A partir dessa descoberta, a equipe criou um inversor ternário, um circuito capaz de representar três estados lógicos diferentes, os valores zero, um e dois, em vez dos dois estados tradicionais do sistema binário. Essa capacidade de representar mais informação por unidade de componente representa uma vantagem potencial em termos de eficiência e compactação de sistemas eletrônicos. O fenômeno de resistência negativa observado em MOFs pode servir de base para uma nova geração de dispositivos eletrônicos, embora os pesquisadores reconheçam que ainda há muitos desafios a serem superados antes que esses materiais cheguem a aplicações comerciais.

Inteligência artificial como aliada no design de materiais

O grupo de pesquisa brasileiro incorporou o uso de inteligência artificial e aprendizado de máquina ao fluxo de descoberta de novos MOFs. Algoritmos são alimentados com dados sobre características estruturais, rugosidade, espessura e condutividade elétrica de diferentes configurações de MOFs, aprendendo padrões que permitem prever quais combinações de elementos e condições de síntese resultarão nas propriedades desejadas. Essa abordagem, chamada de laboratório autônomo pelos pesquisadores, já produziu resultados experimentais significativos, incluindo a primeira evidência de condutividade metálica verdadeira em um filme fino de MOF.

Os dados indicam que um dos MOFs estudados, o Cu3(HHTP)2, atingiu condutividade elétrica de 240 siemens por metro à temperatura ambiente e 300 siemens por metro a 100 Kelvin. Esses valores são considerados altos para estruturas metalorgânicas, considerando que a maioria dos MOFs apresenta condutividades entre 0,000001 e 0,01 siemens por metro. Para efeito de comparação, metais como alumínio e prata alcançam condutividades na faixa de 35 milhões a 63 milhões de siemens por metro, o que ilustra a distância ainda existente entre os MOFs condutores e os metais tradicionais. Ainda assim, o avanço representa um passo significativo na busca por materiais que combinem as propriedades versáteis dos MOFs com capacidades de condução elétrica adequadas para aplicações eletrônicas.

Contrapontos, limites e o longo caminho até a aplicação

Apesar do entusiasmo científico, a maioria dos MOFs ainda permanece restrita aos laboratórios de pesquisa, em grande parte devido ao alto custo de fabricação e à dificuldade de escalar sua produção. A transição de resultados de bancada para produtos comerciais envolve desafios de engenharia que ainda não foram resolvidos de forma sistemática, incluindo a produção em larga escala, a reprodução consistente de propriedades em diferentes lotes de fabricação e a integração de MOFs em dispositivos compatíveis com processos de fabricação estabelecidos pela indústria eletrônica.

No campo da computação quântica, os desafios são igualmente significativos. A construção de computadores quânticos práticos enfrenta obstáculos relacionados à manutenção da coerência quântica, à correção de erros e à escalabilidade de sistemas de qubits. Os circuitos supercondutores que permitiram as descobertas premiadas com o Nobel operam em temperaturas extremamente baixas, próximas do zero absoluto, o que impõe requisitos de refrigeração complexos e custosos. A transição de demonstrações de princípio para sistemas capazes de resolver problemas práticos de interesse comercial permanece como uma promessa cuja concretização ainda não tem prazo definido.

Perspectivas para o Brasil e a integração com a pesquisa global

A pesquisa brasileira em materiais quânticos e estruturas metalorgânicas demonstra capacidade de contribuir para campos de fronteira reconhecidos internacionalmente. A combinação de competências em física, química e engenharia de materiais posiciona grupos de pesquisa nacionais para participar de colaborações internacionais e para formar recursos humanos especializados em áreas estratégicas. Entretanto, a integração efetiva com redes globais de pesquisa requer investimentos contínuos em infraestrutura, estabilidade de financiamento e políticas de ciência e tecnologia que transcendam ciclos políticos de curto prazo.

O uso de inteligência artificial no design de materiais representa uma tendência global que o Brasil tem condições de acompanhar, desde que sejam mantidos investimentos em formação de recursos humanos e em parcerias com instituições internacionais. A sustentabilidade dos materiais também emerge como critério relevante, com pesquisadores buscando projetar MOFs que possam ser decompostos ou reciclados ao final de sua vida útil, evitando os problemas ambientais associados a tecnologias como painéis solares e baterias de lítio, que surgiram como soluções verdes mas cuja reciclagem permanece como desafio não resolvido. O caminho entre a bancada de laboratório e a aplicação comercial permanece longo, mas as bases científicas estabelecidas em 2025 sugerem que o potencial dessas tecnologias justifica o investimento contínuo em pesquisa.