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INOVAÇÃO | 12.08.2021

Mario Lanza: “Os materiais bidimensionais trarão dispositivos que ainda não existem”

Marta Villalba

Marta Villalba

Como muitos outros cientistas espanhóis que desenvolvem suas carreiras fora da Espanha, Mario Lanza deixou sua cidade natal (Barcelona, 1982) para continuar suas pesquisas em outros países, após graduar-se como engenheiro eletrônico na Universidade Autônoma de Barcelona. Depois de passar pela Alemanha e pela Inglaterra, ele chegou à China em 2009, onde encontrou sua esposa e fixou residência. Distinguida por inúmeros prêmios, a Universidade de Stanford nos Estados Unidos bateu à sua porta e lá ele trabalhou por um ano e meio. Depois que a Universidade de Soochow (China) lhe ofereceu o cargo de professor e diretor de uma equipe de pesquisa, ele voltou ao grande país asiático. 

Suas descobertas no campo de materiais bidimensionais aplicados a circuitos eletrônicos elevaram-no à elite da pesquisa em nanotecnologia e inteligência artificial, o que se refletiu nas capas das mais prestigiadas revistas científicas da área. Com tais resultados pioneiros, lhe ofereceram um cargo impossível de recusar na Arábia Saudita para trabalhar na Universidade King Abdullah de Ciência e Tecnologia (KAUST), um sonho para qualquer pesquisador pela quantidade de recursos que este centro oferece.

Esse país é “um grande desconhecido para os europeus”, afirmou Mario Lanza. “A primeira impressão das pessoas é que vir para cá é uma loucura. Existem muitos estereótipos do passado, mas os países do Oriente Médio estão se abrindo rapidamente, porque precisam diversificar a economia e muitas oportunidades de trabalho têm surgindo.” Nessa universidade única, “por suas políticas de investimento e laboratórios equivalentes aos de Stanford”, e junto com metade de sua equipe da China, o pesquisador pode se concentrar na pesquisa e continuar com seus experimentos de ponta. Na verdade, sua última descoberta também é revolucionária: ele desenvolveu um sistema de criptografia avançado usando um circuito eletrônico de memristores (em vez dos transistores clássicos) feito de nitreto de boro hexagonal, um material bidimensional com propriedades excepcionais.

Esse trabalho, publicado em maio de 2021 na revista Advanced Materials, permitiu a geração de chaves numéricas com alto grau de aleatoriedade para métodos seguros de pagamentos on-line, conexões de rede ou serviços criptografados no contexto do que é conhecido como IoE (Internet of Everything, Internet de tudo), ou seja, a interconexão inteligente de pessoas, processos, coisas e dados. Tudo isso com um consumo de energia muito baixo, tornando-o muito atraente para tecnologias portáteis e de carregamento automático (sem bateria).

Pioneiros no caminho para o futuro dos componentes eletrônicos

Em outubro de 2020, a revista Nature Electronics dedicou um espaço à pesquisa do grupo de Mario Lanza, pioneiro na criação de um novo hardware para a implementação da inteligência artificial. A equipe desenvolveu memórias feitas de nitreto de boro hexagonal emulando uma rede neural artificial para reconhecimento de imagem.

Isso se traduz na possibilidade de fornecer inteligência artificial ao hardware de telefones ou de outros dispositivos de forma mais eficiente do que com os memristores tradicionais. O que é realmente único nesse trabalho é que “obtivemos um rendimento de 98%, o que em materiais bidimensionais é incrível, não há ninguém que se aproxime desse número. Os circuitos de memristor podem ser agrupados tridimensionalmente, permitem colocar muitos mais em espaços menores e, além disso, são muito mais baratos de produzir”, detalhou o engenheiro. O pesquisador e a sua equipe abriram um caminho no qual outros já estão investigando e eles se posicionaram na vanguarda do campo da nanotecnologia. Foram os primeiros e estão seguindo em frente, pois é a sua criação.

Lanza explicou que são necessários três tipos de materiais para produzir um circuito eletrônico: condutores, semicondutores e isolantes. Muita pesquisa tem sido feita com materiais bidimensionais condutores e semicondutores, mas há consideravelmente menos atividade no campo dos isolantes, que é justamente a especialidade do pesquisador catalão, que tem focado seus testes em nitreto de boro hexagonal, “o material bidimensional mais isolante”. 

A outra grande conquista do grupo liderado por Mario Lanza foi a capacidade de uso de uma ferramenta peculiar (chamada microscópio de forças atômicas com ponta condutora), que permite medir as propriedades dos isolantes unicamente, fornecendo dados de desempenho e variabilidade de uma forma muito precisa.

Os melhores telefones, computadores e dispositivos já vistos 

“Os materiais bidimensionais têm propriedades físicas, químicas, eletrônicas, mecânicas, ópticas e magnéticas muito superiores às dos materiais normais. Por exemplo, eles têm alta condutividade elétrica, são mecanicamente muito resistentes, são praticamente transparentes e conduzem muito bem o calor, o que é uma característica extremamente importante porque os circuitos e dispositivos eletrônicos sempre falham por conta do calor.” Os memristores servem tanto para armazenar informações, como uma memória, quanto para processá-las, como fazem as redes neurais artificiais, portas lógicas ou geradores de números aleatórios.

Os materiais bidimensionais não existem naturalmente, afirmou o professor, portanto é necessário fazer um tratamento para que os átomos adotem essa organização. No momento, estão sendo realizados processos de síntese que permitirão a produção industrial desses materiais, e a Europa está liderando o caminho, explicou. “A indústria de semicondutores começou a usar esses materiais nos processos laboratoriais. Eles estão tentando torná-los compatíveis com os sistemas de produção dos circuitos industriais. Quando há quatro empresas líderes do setor tentando integrá-los aos processos de produção, então você tem uma grande certeza de que algo vai acontecer e que isso será visto mais cedo ou mais tarde como uma realidade comercial.”

Os resultados do grupo que Mario Lanza lidera permitirão produzir dispositivos que funcionem melhor, ou seja, que consumam menos energia, sejam mais rápidos, mais leves e possuam uma vida útil mais longa graças à dissipação do calor. Além disso, “eles possibilitaram a produção de dispositivos que ainda não existem. Por exemplo, produzir circuitos com sensores flexíveis e transparentes ou dispositivos para integrá-los na pele e monitorar constantes biomédicas ou nas lentes para processar imagens”.

Sobre a evolução da inteligência artificial no campo da eletrônica no futuro, Mario Lanza foi claro que terá um impacto incrível em todas as tarefas de aprendizagem em reconhecimento de imagem e som e, acima de tudo, para a IoE. Na área de materiais, a inteligência artificial está sendo usada para otimizar os processos de síntese.

Materiais bidimensionais para superar a estagnação 

Nos últimos cinquenta anos, a eletrônica se concentrou na miniaturização do transistor, cujas dimensões foram tão reduzidas que “foi atingido um limite físico, ao se considerar a escala atômica, que não pode ser mais reduzida”. É por isso que novos materiais (como os bidimensionais, que melhorem o desempenho e o número de aplicações) e componentes, como memistores, estão sendo pesquisados agora. Com essas duas vias de pesquisa, espera-se um aumento na capacidade de processamento e no armazenamento de informações. “É um desafio bastante importante, pois não há outra opção para superar a estagnação.”

A corrida para atingir esse objetivo é muito importante para as três grandes empresas (e países) que produzem transistores em grande escala. Uma delas é a TSMC, em Taiwan, líder mundial e que desenvolveu os menores e mais confiáveis transistores. Atrás dela, estão a Samsung, na Coreia, e a Intel, nos Estados Unidos. “Há uma grande guerra. Os chineses também querem produzir os seus chips, mas essa é a única coisa que não puderam copiar até agora. Isso vai custar muito para eles.”

A Espanha está muito bem posicionada no domínio dos materiais bidimensionais, mas muito mais poderia ser feito, disse Mario Lanza. “O nível dos cientistas é muito elevado, o problema são os recursos. Se não oferecer recursos a um pesquisador, fica muito difícil competir com pesquisadores de outros países. E embora também seja verdade que a escassez aguça a genialidade, nem sempre é possível trabalhar dessa forma, é necessário mais dinheiro do governo.”