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Nanotecnologia13 de Julho de 2012
Prof. Alfredo GoldmanGuilherme Otranto
Conteúdo
Introdução........................................................................................................................................2Definição..........................................................................................................................................2Materiais e Estruturas Nanométricas...............................................................................................3Fabricação de Nanotecnologias.......................................................................................................5
Abordagem Top-Down................................................................................................................5Abordagem Química...................................................................................................................6Construtor Molecular..................................................................................................................8
Nanotecnologia na Computação Móvel...........................................................................................8Nanotecnologia e Energia...........................................................................................................8Nanotecnologia e Hardware........................................................................................................9Nanotecnologia e Interface.......................................................................................................10
Nanotecnologia em Diferentes Áreas............................................................................................11Nanotecnologia e Medicina.......................................................................................................11Nanotecnologia e Meio Ambiente.............................................................................................12
Referências.....................................................................................................................................13Imagens.....................................................................................................................................14
Introdução
A nanotecnologia é o estudo e manipulação de estruturas com características medindo entre
1 e 100 nanometros. Nessa escala átomos e moléculas são manipulados para criação de
nanoestruturas úteis para diversas aplicações. Materiais nessa escala nanométrica adquirem
diferentes propriedades que são exploradas na criação de nanotecnologias.
O estudo desse campo começou na década de 80, após a invenção do microscópio eletrônico
de varredura. Esse microscópio é usado para gerar imagens de superfícies no nível atômico. Hoje o
estudo de nanotecnologias é considerado muito importante para o avanço científico e investimentos
consideráveis são feitos nessa área.
Aplicações existentes de nanotecnologias já são extremamente variadas, afetando diversas
áreas do conhecimento. O uso já abrange a computação, medicina e chega até na industria têxtil.
Futuramente podemos esperar ver nanotecnologia em praticamente todo produto usado no
cotidiano.
Definição
Como mencionado, a nanotecnologia é definida como o estudo e manipulação de estruturas
cujas características chegam a medir entre 1 e 100 nanometros. Com essa definição, é útil
considerarmos o que exatamente é 1 nanometro.
Um nanometro representa um bilionésimo de metro (1 x 10-9m), ou seja, um grão de areia de
1mm está para uma praia de 100Km assim como o nanometro está para o metro. Alguns objetos e
suas medidas em nanometros podem ajudar a visualização:
• Átomos de Hélio têm um diâmetro de 0.1nm. [1]
• Um ribossomo, estrutura celular que cria proteínas a partir de amino ácidos, mede cerca de
20nm.
• A largura de um cabelo humano mede em torno de 80,000nm.
É claro que um ribossomo ou um átomo de hélio não são considerados exemplos de
nanotecnologias. Consideramos nanotecnologias apenas estruturas deliberadamente criadas cujas
menores características tenham tamanho inferior a 100nm. A imagem a seguir mostra a escala de
algumas coisas naturais e outras criadas pelo homem.
Figura [1] – Scale of Things, a escala de diversos objetos naturais e artificiais.
Materiais e Estruturas Nanométricas
Uma das principais motivações para o estudo de nanotecnologias é o desejo de se explorar
diferentes propriedades que os materiais adquirem quando manipulados em escala nanométrica.
Essa mudança nas propriedades dos materiais ocorre apenas nessa escala e é atribuída ao grande
aumento da área de superfície em relação ao volume. Para colocar isso em perspectiva, um Kg de
partículas de 1mm3 tem a mesma área de superfície que 1mg de partículas de 1nm3.
Diversas propriedades diferentes podem ser observadas em nanopartículas, algumas dessas
mudanças são desejáveis e outras não. A nanomecânica é uma área da nanociência dedicada ao
estudo das propriedades mecânicas de sistemas físicos na escala nanométrica.
Por exemplo, nanopartículas de ouro se tornam solúveis pois as interações entre a superfície
da nanopartícula com o solvente são fortes o suficiente para descartar a diferença de densidade. A
solubilidade dessas nanopartículas já é usada na medicina diagnóstica. A absorção de radiação solar
por nanopartículas é muito maior, tornando-as importantes na construção de painéis solares.
Algumas mudanças não são desejáveis, por exemplo, alguns materiais ferromagnéticos
podem mudar a direção de sua magnetização[2], tornando-se inúteis para uso em memórias de
computador.
Existem diversos tipos de estruturas nanométricas sendo usadas atualmente. Algumas das
estruturas mais usadas vem da manipulação do grafeno. O grafeno é uma malha de átomos de
carbono conectados, com espessura de um único átomo. O tamanho de uma ligação entre dois
átomos de carbono nessa estrutura é de 0.142 nanometros[3], e essa malha pode ser estendida
indefinidamente.
O grafeno pode ser enrolado para formar tubos ou esferas. O nanotubo de carbono é uma
estrutura interessante tanto pela sua força física como pela suas propriedades elétricas. Essa
estrutura é um cilindro adquirido quando se enrola o grafeno em uma dimensão. Esses tubos podem
ser muito compridos, com o comprimento sendo até 100 milhões de vezes maior que o seu
diâmetro[4].
O grafeno também pode ser enrolado para formar a nanopartícula C60, uma esfera de
carbono medindo apenas 1.1nm[5].
Figura [2] – As 3 nanoestruturas de carbono mencionadas
Fabricação de Nanotecnologias
Existem diversas abordagens para a criação de nanotecnologias. Abordagens top-down
começam com elementos em escala macro e usam técnicas para esculpir detalhes nanométricos no
material. Essa forma de construção é usada atualmente na construção de chips de computadores
com transistores que medem menos de 100nm.
Outra abordagem é a que constrói nanoestruturas a partir de elementos mais simples usando
processos químicos. A técnica de depósito de camada atômica (atomic layer deposition) é uma
forma de se criar folhas de espessura molecular incrementalmente.
Uma terceira forma discutida é o montador molecular. A abordagem aqui seria construir
estruturas através da manipulação direta de moléculas. Uma possível aplicação dessa técnica seria a
construção de nanorobôs programáveis capazes de construir qualquer estrutura molecular possível,
usando moléculas e átomos como blocos de criação.
Abordagem Top-Down
A abordagem top-down para criação de nanotecnologias faz o uso de técnicas de erosão para
esculpir características nanométricas em materiais de escala macro. A fabricação de chips de
computadores usa essa abordagem.
A criação de chips de computadores usa como base uma chapa (ou wafer) de silício, nessa
base são depositados materiais que em seguida são erodidos de forma controlada formando as
características desejadas.
O processo pode ser descrito em 5 passos de forma pouco detalhada:
1. Usando como base um wafer de silício, deposita-se nele camadas de dióxido de silício e por
cima uma camada de material protetor.
2. Luz projetada sobre uma máscara é direcionada para o wafer através de uma lente, formando
o padrão da máscara repetidas vezes com o translado do wafer.
3. A luz remove a camada de material protetora expondo o material abaixo nos lugares onde a
máscara permitiu sua passagem.
4. Gases são usados para erodir as camadas inferiores onde o material protetor foi removido.
5. Os passos são repetidos até que finalmente se use um ciclo semelhante para adicionar
conexões metálicas entre os transistores.
Figura [3] – Detalhamento do processo de criação de chips
Esse é um processo muito delicado devido à escala em que se
trabalha. Durante a fabricação desses chips, qualquer micropartícula de
sujeira pode comprometer todo o processo. É por isso que atualmente a
fabricação de tais chips é feita em quartos protegidos com o ar filtrado e todo
pessoal usa roupas protetoras para impedir contaminação até pelas menores
partículas.
Esse método de fabricação de chips consegue gerar transistores de
tamanho inferior a 100 nanometros desde 2002. Hoje em dia os transistores
já são fabricados com tamanho inferior a 25 nanometros. Uma extrapolação
pode ser feita para contemplar o tamanho que esses transistores vão ter no
futuro, chegando em 4 nanometros por volta de 2022.
Devido ao tamanho dos átomos envolvidos no processo, não se
acredita que tamanhos inferiores à esses serão alcançados algum dia.
Abordagem Química
A abordagem química se utiliza de processos químicos conhecidos para montar estruturas a
partir de componentes menores, como átomos e moléculas. O estudo das substâncias em escala
macro pode ajudar a prever as reações que ocorrem entre substâncias na escala nanométrica. Com
isso é possível direcionar a criação de componentes através de reações químicas esperadas.
Nanotecnologia de DNA usa a estrutura de pareamento bem conhecida do DNA para criar
estruturas bem definidas usando cadeias de DNA. Um exemplo de tal estrutura é o tetraedro de
DNA, onde cada aresta do tetraedro consiste de uma hélice de DNA com 20 pares de bases.
Uma abordagem química que vem sendo usada também na construção de chips de
computadores é a técnica de depósito de camada atômica (ALD). Essa técnica é usada para
depositar o material no wafer de silício e é capaz de gerar camadas atômicas.
Durante a ALD uma chapa é exposta em ambiente controlado à um gás que reage com o
material da chapa, acoplando-se nela. Depois dessa exposição o gás restante é removido, ficando
apenas a camada que se acoplou ao material da chapa.
Esse princípio é repetido com outro reagente que se acopla à nova camada gerada e o ciclo
se repete quantas vezes se for necessário. A cada passo uma quantidade constante de material é
adicionado a chapa, pois o gás reage com a camada externa existente mas não com deposito gerado
pela sua reação.
O depósito de material sobre uma chapa base pode ser
descrito em quatro passos:
1. Exposição da chapa ao primeiro gás, uma camada se
forma na superfície da chapa.
2. Expulsão do primeiro gás do ambiente controlado de
reação.
3. Exposição do segundo gás, que reage com a superfície
formando nova camada de depósito.
4. Expulsão do segundo gás do ambiente de reação.
Esses quatro passos podem ser repetidos até que a
camada formada tenha a espessura desejada, visto que o primeiro
gás reage com a camada criada no passo 3.
A figura [4] ao lado mostra de forma esquematizada o processo completo.
Uma desvantagem dessa técnica é o tempo necessário para a criação de cada camada. Como
a cada passo é necessário esperar que a reação ocorra, um processo com muitos passos acaba
ficando demorado. Esse problema fica mais controlado com o avanço da tecnologia pois a espessura
desejada das camadas (e portanto o número de ciclos necessários) fica cada vez menor.
Construtor Molecular
Essa é uma área mais especulativa da nanotecnologia, onde se discute os potenciais avanços
e quais impactos eles teriam no mundo. Em particular o foco não está em estudar formas de se
chegar nas invenções discutidas, mas sim em quais seriam os impactos de tais invenções.
O santo-graal da nanotecnologia seria a capacidade de manipular átomos e moléculas e criar
a partir deles qualquer estrutura possível. É claro que existem diversos problemas, como por
exemplo a dificuldade de se manipular moléculas usando outras moléculas de tamanho semelhante.
Imagina-se também a criação de nanorobôs capazes de manipular átomos e moléculas para
criar outras estruturas. Em um cenário mais apocalíptico esses robôs seriam capazes de se
autoduplicarem e isso geraria uma reação em cadeia que acabaria com toda matéria do planeta.
Nanotecnologia na Computação Móvel
A computação móvel é um campo que se beneficia muito dos avanços feitos em
nanotecnologias. O processamento e memória de dispositivos móveis vem aumentando devido ao
uso de técnicas da nanotecnologia durante a criação de chips eletrônicos. O consumo de energia
diminui com o uso de nanomateriais e a capacidade das baterias aumenta. A resistência física dos
aparelhos aumenta e até mesmo a interface com o usuário ganha novas possibilidades.
A seguir serão explorados alguns dos avanços da nanotecnologia e como eles impactam a
computação móvel.
Nanotecnologia e Energia
Existem dois principais impactos da nanotecnologia quando pensamos em energia: redução
do consumo e aumento da capacidade de geração/armazenamento.
Existem diversos estudos com avanços promissores nesses dois aspectos. A seguir veremos
apenas alguns exemplos de avanços feitos nessa área.
Pesquisadores da Universidade de Illinois conseguiram diminuir o custo energético de trocar
a fase de um PCM (Phase-Change Material) fazendo o controle do bit usando nanotubos de
carbono. Essa configuração consegue troca de bits duas ordens de magnitude melhor que o atual
estado da arte[6].
Na universidade de Ryce pesquisadores conseguiram criar um fio que oferece baixa
resistência, diminuindo a perda de energia durante o transporte. Esse fio contém nanotubos de
carbono, responsáveis pela diminuição da resistência[7].
Uma bateria que consegue armazenas até 10 vezes mais energia no mesmo volume foi
desenvolvida em Stanford utilizando nanofios de silício. Os nanofios absorvem o lítio mas não se
rompem, diferente das paredes de silício macroscópicas das baterias convencionais que podem se
romper e degradam a bateria[8].
Uma bateria com tempo de recarga reduzido foi construída revestindo os eletrodos com uma
nanoestrutura de titânio revestido de silício, aumentando a condutividade e portanto diminuindo o
tempo de recarga. Esse estudo foi feito na universidade de Boston e o tempo de recarga resultante
era entre 5 e 10 vezes menor do que baterias convencionais[9].
Existem também estudos interessantes na área de geração de energia. Uma malha de
nanotubos que coleta a energia térmica[10], roupa de nanofibras que coletam energia motora do
usuário[11], e diversas técnicas para diminuir o custo e aumentar o rendimento de painéis solares.
Nanotecnologia e Hardware
Processadores cada vez mais rápidos e memórias cada vez mais densas são os dois maiores
impactos da nanotecnologia no hardware de dispositívos móveis. Outras inovações como aparelhos
mais resistentes e materiais que não sujam com facilidade também estão começando a aparecer no
mercado de dispositivos móveis.
O tamanho que se consegue fazer transistores hoje já chegou numa escala nanométrica, com
transistores tão pequenos quanto 22nm sendo produzidos e disponibilizados no mercado. Com a
redução do tamanho do transistor os processadores ganham cada vez mais velocidade.
O uso de nanomateriais na criação de memórias aumenta cada vez mais a densidade de
memória disponível, as velocidades de leitura e escrita também são impactadas.
Materiais superhidrofóbicos – que repelem a água – têm
sido feitos criando-se rugosidades de escala nanométrica na
superfície de objetos. Tratamentos feitos na tela de dispositivos
móveis tornam sua superfície superhidrofóbica e portanto muito
fácil de manter limpa. A figura [5] ao lado mostra um tênis que foi
tratado com uma película superhidrofóbica repelindo a calda de
chocolate que normalmente grudaria na superfície dele.
Figura [6] – Superfície superhidrofóbica
Nanotecnologia e Interface
Um aspecto muito importante de qualquer dispositivo móvel é a interface com o usuário.
Algumas grandes inovações vem ocorrendo nessa área devido à avanços da nanotecnologia.
O maior impacto da nanotecnologia na interface com o usuário vem na forma de mudanças
no display dos dispositivos. Em particular, o desenvolvimento do OLED (organic light-emmiting
diode) permite criação de displays flexíveis e transparentes.O OLED consiste em uma camada de
composto orgânico que emite luz em resposta a uma corrente elétrica.
Diferente do LED, o OLED não necessita de uma fonte de luz (backlight) alinhada para
gerar luz, isso permite que sejam criados displays flexíveis usando OLEDs. Em particular o
processo de montagem pode ser feito em temperaturas mais baixas, permitindo que o display seja
feito em materiais que derreteriam em temperaturas mais elevadas, como plástico.
A estrutura do OLED é transparente e ele fica invisível quando está desligado. Devido à essa
propriedade displays transparentes podem ser criados usando OLEDs.
O uso de OLEDs permitirá diversos avanços muito interessantes na computação móvel,
como por exemplo o vidro inteligente do carro, óculos de realidade aumentada, dispositivos com
tela grande que se enrola em um pequeno tubo e diversos outros.
Figura [7] – OLED
Algumas outras vantagens do OLED:
• Pixels inativos em um display não consomem energia nenhuma
• Maior flexibilidade do material do display pode diminuir o custo em materiais
• Displays em plástico tem um peso reduzido
• Tempo de resposta mais elevado
Algumas desvantagens do OLED:
• Vida útil reduzida. Atualmente a vida útil de um display OLED é metade do esperado para
um display tradicional de LCD
• O consumo de energia é imprevisível, mas numa tela predominantemente branca o gasto
chega a ser 3 vezes maior
• O custo de produção atualmente é maior que o de displays tradicionais.
Nanotecnologia em Diferentes Áreas
Os impactos da nanotecnologia não estão restritos em uma única área. Na realidade
podemos ver avanços nanotecnológicos impactando incontáveis áreas do conhecimento.
Apesar do foco em computação móvel desse texto, alguns estudos em outras áreas merecem
ser mencionados. Os princípios envolvidos em breve serão usados na computação móvel e
dispositivos móveis inovadores, como um sequenciador de DNA portátil, podem ser frutos desses
estudos.
Nanotecnologia e Medicina
A medicina é uma área que se beneficia enormemente da nanotecnologia. Existem estudos
com resultados excelentes abrangendo desde a medicina diagnóstica até a terapêutica. Alguns
estudos representativos serão citados a seguir, mas vale mencionar que um número interminável de
estudos será omitido por questão de viabilidade de espaço.
Avanços no sequenciamento de DNA usando nanoporos fazem com que o mapeamento do
DNA fique mais barato e rápido. Uma única cadeia de DNA é puxada magneticamente por um
nanoporo e enquanto ele passa é possível usar o campo magnético para descobrir qual base está
passando. Por não ser um processo químico essa técnica tem potencial de ficar cada vez mais rápida
e barata[12].
Figura [8] – Sequenciamento de DNA utilizando nanoporos
Nanopartículas de ouro podem diagnosticar gripe em minutos usando técnica desenvolvida
por pesquisadores da universidade da Georgia. As nanopartículas se acoplam ao vírus, então a
presença do vírus pode ser detectada medindo-se a quantidade de luz refletida de uma amostra, que
é maior quando existe vírus pois as nanopartículas ficam aglomeradas[13].
Os radicais livres gerados durante uma reação alérgica podem ser capturados por
nanoesferas de carbono, reduzindo a inflamação decorrente de reação alérgica[14].
Algumas nanopartículas que se acoplam a células cancerígenas podem ser ativadas por
raios-X e gerar elétrons que destroem a célula. A intenção é usar esse tratamento no lugar de
radiação, diminuindo o dano causado ao tecido[15].
Nanotecnologia e Meio Ambiente
Diversas aplicações da nanotecnologia ajudam na conservação do meio ambiente. Algumas
aplicações reduzem a quantidade de poluição gerada e recursos consumidos, já outras são usadas
para limpar áreas poluídas ou gerar mais energia.
Os exemplos a seguir tentam passar uma ideia da diversidade de estudos e projetos que
utilizam a nanotecnologia para cuidar do meio ambiente.
O uso de nanofilamentos de silício em painéis solares diminuem o seu custo de fabricação e
aumentam consideravelmente a eficiência deles[16]. Esse é apenas um de diversos projetos cujo
resultado foi melhorar o desempenho e custo de painéis solares.
O uso de tubos de nanocarbono nas hélices de moinhos de vento melhoram o seu
desempenho por diminuir o peso e aumentar a resistência[17].
Existe uma membrana com nanoporos que pode ser colocada nas chaminés de fábricas para
filtrar o CO2 emitido[18].
Nanopartículas de ferro se acoplam a solventes orgânicos na água, levando-os para o fundo e
efetivamente limpando a água. A vantagem dessa técnica é que não é necessário fazer a coleta da
água para limpá-la, tornando o processo mais barato[19].
Referências[1] Determination of the size and distribution of size of particle by centrifugal methods
Svedberg, The; Nichols, J. Burton
[2] Sergey P. Gubin (2009). Magnetic nanoparticles. Wiley-VCH
[3] Raji Heyrovska (2008). "Atomic Structures of Graphene, Benzene and Methane with Bond
Lengths as Sums of the Single, Double and Resonance Bond Radii of Carbon"
[4] Wang, X.; Li, Qunqing; Xie, Jing; Jin, Zhong; Wang, Jinyong; Li, Yan; Jiang, Kaili; Fan,
Shoushan (2009). "Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon
Nanotubes on Clean Substrates"
[5] Qiao, Rui; Roberts, Aaron P.; Mount, Andrew S.; Klaine, Stephen J.; Ke, Pu Chun.
"Translocation of C60 and Its Derivatives Across a Lipid Bilayer"
[6] Low-Power Switching of Phase-Change Materials with Carbon Nanotube Electrodes
Feng Xiong, Albert D. Liao, David Estrada and Eric Pop
[7] Advanced Electricity Infrastructure Workshop, Rice University
http://gcep.stanford.edu/pdfs/iq9bO_1Ib0rRuH_ve0A2jA/Pasquali-20071102-GCEP.pdf
[8] Stanford University Press Release; December 18, 2007
http://news.stanford.edu/pr/2007/pr-nanowire-010908.html
[9] Boston University, News Release, February 15, 2010
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl903345f
[10] University of Texas at Dallas; News Release February 26, 2010
http://www.utdallas.edu/news/2010/2/26-1381_Nanotube-Thermocells-Hold-Promise-as-Energy-
Source_article.html
[11] UC Berkely, Press Release February 12, 2010
http://newscenter.berkeley.edu/2010/02/12/electric_nanofibers/
[12] Robert F. Service and Elizabeth Pennisi, DNA Sequencing, Without the Fuss
http://news.sciencemag.org/sciencenow/2012/03/dna-sequencing-without-the-fuss.html
[13] University of Georgia News Release; August 3, 2011
http://news.uga.edu/releases/article/Researchers-use-gold-nanoparticles-to-diagnose-flu-in-minutes/
[14] Virginia Commonwealth University News Release: June 20, 2007
http://www.news.vcu.edu/news/Researchers_Develop_Buckyballs_to_Fight_Allergy
[15] Nanobiotix Press Release; July 2009
http://cbst.ucdavis.edu/research/nanoparticle-enhanced-x-ray-therapy
[16] University of Minnesota; Press Release: June 17, 2010
http://www1.umn.edu/news/news-releases/2010/UR_CONTENT_211711.html
[17] Polyurethane reinforced with carbon nanotubes outperforms currently used materials
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2011-08/cwru-rba083011.php
[18] NanoGlowa Article
http://nanoglowa.com/membranes.html
[19] Characterization and Properties of Metallic Iron Nanoparticles:
Spectroscopy, Electrochemistry, and Kinetics - Environ. Sci. Technol., 2005
Imagens[1] Imagem “Scale of Things” criada pelo Office of Basic Energy Sciences (BES), disponível em:
http://science.energy.gov/bes/news-and-resources/scale-of-things-chart/
[2] Imagem das 3 nanoestruturas de carbono, formada por 3 imagens pertencentes ao repositório
wikimedia commons: http://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page
[3] Imagem do ciclo de desenvolvimento de microchips, do post “Introduction of the semiconductor
processing” disponível em: http://blog.associatie.kuleuven.be/danhuayao/2010/02/
[4] Imagem do ciclo de Atomic Layer Deposition, disponível pela Science & Technology em:
https://str.llnl.gov/AprMay09/biener.html
[5] Image do tênis com tratamento superhidrofóbico do vídeo de demostração do NeverWet,
desenvolvido pela Ross Nanotechnology: http://www.neverwet.com/
[6] Imagem de superfície superhidrofóbica, pertencente ao repositório wikimedia commons.
[7] Imagem de um OLED, pertencente ao repositório wikimedia commons.
[8] Imagem do sequenciamento de DNA, disponível em: http://www.nanoporetech.com/
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