nanotecnologia

23.11.06

Entrevista com Alaor Chaves:

Há muito sabemos que a matéria é feita de átomos, que se ligam formando moléculas. Muito já se conhece sobre a forma como átomos ou moléculas se agregam - na linguagem técnica, se condensam - para formar sólidos ou líquidos. Com base nesse conhecimento, foram obtidos importantes avanços na ciência e tecnologia dos materiais. Tal tecnologia permite a produção de cristais sintéticos diversos, desde diamantes até os cristais de silício com os quais fabricamos os chips dos computadores, de materiais magnéticos para gravação e armazenamento de dados, de ligas diversas para a indústria mecânica, de materiais plásticos e vítreos, e mais uma grande variedade de materiais com propriedades específicas e otimizadas para aplicações industriais diversas.

Esses materiais já desenvolvidos pelo homem são relativamente simples. Um material cristalino é uma composição de unidades básicas, denominadas células cristalinas, cada uma contendo um pequeno número de átomos, justapostas em um arranjo periódico como tijolos empilhados. Em contraste, em um material amorfo, como são os vidros e também os líquidos, átomos ou moléculas estão dispostos de forma desordenada, aleatória, mas dessa extrema desorganização também resultam propriedades simples, facilmente entendidas. Entretanto, nem tudo na natureza é tão simples. Freqüentemente, a matéria se auto-organiza em estruturas muito mais complexas que as produzidas pela engenharia dos materiais já dominada pelo homem. No ápice dessa complexidade estão os seres vivos. Neles, átomos se combinam em estruturas com uma forma hierárquica de complexidade: aminoácidos se combinam para formar proteínas de enorme diversidade, essas e outras estruturas moleculares formam células e tecidos também muito diversos, culminando em uma unidade capaz de crescer, auto-reproduzir, fazer reparos de danos em si mesmos, e finalmente perder tal capacidade de auto-reparo, com a conseqüente interrupção das funções e a decomposição do organismo.

Recentemente, surgiram a nanociência e a nanotecnologia (N & N), que têm por meta dominar parte, pequena que seja, do virtuosismo da natureza na organização da matéria átomo por átomo, molécula por molécula. Esses dois neologismos derivam de nano, prefixo usado na ciência para designar um bilionésimo. Assim, um nanômetro (símbolo nm) é um bilionésimo de metro. Para termos de comparação, um átomo mede cerca de 2 décimos de um nanômetro e o diâmetro de um fio de cabelo humano mede cerca de 30.000 nanômetros. Assim, a nanociência e a nanotecnologia visam, respectivamente, a compreensão e o controle da matéria na escala nanométrica ou, de forma mais abrangente, desde a escala do átomo até cerca de 100 nanômetros, que coincidentemente é a escala típica de um vírus. Apesar desses desenvolvimentos ainda estarem no seu início, em uma fase exploratória, as possibilidades já parecem quase sem limites e a nanotecnologia promete ser uma grande revolução tecnológica.

Um dos feitos mais importantes para o desenvolvimento da N & N foi a invenção em 1981 do microscópio de varredura por tunelamento eletrônico (scanning tunneling microscope - STM) por Gerd Binning e Heinrich Roher, do laboratório da IBM em Zurique. A concepção do STM é bastante simples. Uma agulha extremamente fina, cuja ponta é constituída de alguns poucos átomos ou até mesmo de um único átomo, "tateia" uma superfície sem nela tocar, dela afastada de menos de um nanômetro. Durante a varredura da agulha, elétrons tunelam (tunelamento é uma forma de movimento de origem quântica que ocorre na escala atômica) da agulha para a superfície e com base nessa corrente de tunelamento um computador constrói uma imagem extremamente ampliada da superfície, na qual ficam visíveis os seus átomos. Dessa forma, pela primeira vez o relevo atômico da superfície de um corpo pôde ser visto e investigado.

O STM deu origem a uma família de instrumentos de visualização e manipulação na escala atômica, coletivamente denominados microssondas eletrônicas de varredura (scanning probe microscopes - SPM). Além da visualização nanométrica de uma superfície, os SPM permitem manipular átomos e moléculas, que podem se arrastados de um ponto e depositados em outro ponto previamente selecionado. Em um sentido figurado, os SPM podem operar como pinças capazes de manipular átomos e moléculas. Isso foi demonstrado de forma espetacular em 1990, quando Donald Eigler e Erhard Schweizer, do laboratório da IBM em Almaden, Califórnia, escreveram o logotipo IBM precisamente posicionando 35 átomos de xenônio sobre uma superfície de níquel, como se vê na Figura 1.

Uma série de desenvolvimentos referentes à construção de estruturas na escala nanométrica contribuíram decisivamente para o advento da N & N. O primeiro deles foi a invenção da epitaxia por feixes moleculares (molecular beam epitaxy - MBE ) nos anos 1970s. Tal técnica consiste na produção de filmes cristalinos pela exposição de um substrato cristalino, aquecido e sob condições de ultra-alto vácuo, a feixes atômicos ou moleculares. Hetero-estruturas de filmes alternados com composições distintas (por exemplo, GaAs e AlGaAs) e espessuras nanométricas podem ser produzidas com controle de suas espessuras na escala atômica; ou seja, a espessura de cada camada pode ser predefinida e controlada com a precisão do tamanho do átomo. Na direção do crescimento tais hetero-estruturas são sistemas nanométricos, mas no plano ortogonal a essa direção são filmes macroscópicos, na escala de centímetros. Técnicas de litografia utilizando feixe eletrônico permitem recortar os filmes superpostos e dessa forma fabricar estruturas nanométricas nas três dimensões. O resultado são as chamadas caixas quânticas, ou pontos quânticos. Essas caixas quânticas apresentam fenômenos de natureza intrinsecamente quântica com enorme potencial de aplicação em nanotecnologia. Caixas quânticas podem também ser produzidas por processos de segregação de materiais distintos durante o crescimento epitaxial, por outras formas de crescimento ou até mesmo por métodos de síntese de materiais, em decorrência de auto-organização espontânea. A Figura 2 mostra uma caixa quântica de germânio, em forma de pirâmide, produzida por auto-organização espontânea durante crescimento por MBE. A auto-organização espontânea é uma classe muito ampla de fenômenos que tem exploração crescente em N & N.

Parte muito significativa da N & N concentra-se na criação de novas moléculas com arquiteturas muito especiais, do que resultam propriedades também muito especiais. Esse é um campo muito amplo e interdisciplinar envolvendo a química, a física, a bioquímica, a biofísica, a engenharia de materiais, a ciência da computação e a medicina. Grande esforço está sendo concentrado na invenção e produção de moléculas cuja arquitetura faça com que elas se auto-organizem em estruturas maiores, similarmente ao que ocorre com as moléculas biológicas. As possibilidades vislumbradas são de tirar o fôlego: computadores moleculares muito mais poderosos, catalisadores nanométricos mais diversificados e eficientes, materiais avançados para próteses, e até anticorpos sintéticos capazes de encontrar e destruir vírus ou células cancerígenas onde eles se encontrem no corpo. Na verdade, toda a farmacologia pode obter avanços revolucionários advindos da N & N: os princípios ativos das drogas podem ser agregados à superfície ou encapsulados no interior de macromoléculas projetadas para serem absorvidas por órgãos específicos do corpo, ou por órgãos afetados por determinadas doenças, onde finalmente liberarão a droga. Dessa forma, doses muito menores de drogas podem se tornar efetivas, com a conseqüente drástica redução dos efeitos colaterais.

Uma das vedetes das novas moléculas são os nanotubos de carbono (Figura 3), criados em 1991 por Sumio Ijima, da NEC. Esses nanotubos são formados por folhas de átomos de carbono, em um arranjo hexagonal, que se enrolam para formar um espaguete com diâmetro tipicamente entre um e dois nanômetros. Os espaguetes podem ser muito longos e se fecham por átomos de carbono em arranjo pentagonal. A parede do espaguete pode conter mais de uma folha de átomos, mas desde 1993 já se controla a técnica de síntese de espaguetes de uma única folha, ou seja, espaguetes cujas paredes têm apenas uma camada atômica. Propriedades importantes dos nanotubos são determinadas pelo seu diâmetro e pela sua quiralidade, ou seja, pela forma como os hexágonos de átomos de carbono se orientam em relação ao eixo do tubo. Esforços são empreendidos no sentido de se controlar tais propriedades no processo de síntese ou por seleção posterior à síntese.

Os nanotubos de carbono podem vir a ser uma verdadeira maravilha de 1001 utilidades. Uma aplicação que seguramente será implementada no curto prazo é a aglomeração texturizada de nanotubos para a composição de materiais cinco vezes mais leves e vinte vezes mais resistentes que o aço, além de capazes de operar sob temperaturas três vezes mais elevadas. Materiais com tais propriedades revolucionarão a indústria mecânica, especialmente a de veículos terrestres, aéreos e espaciais, que se tornarão muito mais duráveis, leves e eficientes no uso da energia de seu combustível.

Outras aplicações mais avançadas dos nanotubos envolvem o conceito de funcionalização: moléculas já existentes ou especialmente projetadas são afixadas em pontos predeterminados dos nanotubos com o objetivo de realizar funções ou operações muito especiais. Alguns feitos muito importantes e promissores já foram realizados com nanotubos funcionalizados. Por exemplo, com tais nano-objetos já se conseguiu realizar operações características de dispositivos fundamentais da microeletrônica, tais como transistores e diodos. Isso aponta para uma microeletrônica de nanotubos, com a qual poderão eventualmente ser construídos computadores muito mais possantes. Nanotubos já estão também sendo usados como agulhas em microssondas eletrônicas de varredura e em sistemas de de-ionização da água. Essa última aplicação tem concepção muito simples. Nanotubos são afixados por uma das extremidades a uma placa metálica, como cabelos de diâmetro nanoscópico. Uma fração, ainda não controlada, desses nanotubos são condutores de eletricidade. Tem-se assim uma terminação elétrica com enorme área específica, de metros quadrados por miligrama. Se duas placas paralelas, orientadas de forma que os "cabelos" fiquem voltados para o espaço interior a elas, são eletrificadas com polaridades opostas, como em um capacitor, e imersas em água, os íons livres na água irão aderir-se aos nanotubos com carga oposta aos seus. A grande área específica dos nanotubos permite a coleta de enorme quantidade de íons e somente é despendida a energia elétrica necessária para vencer a resistência elétrica dos tubos. Com tal aparato já se consegue dessalinizar água do mar com custo energético pelo menos dez vezes menor do que o processo convencional mais econômico, o da osmose inversa.

Na área de materiais, o potencial da N & N é imenso. Novas cerâmicas, polímeros e borrachas serão desenvolvidos, com propriedades superiores aos já existentes. Além do mais, a própria forma de produção dos materiais sofrerá transformações profundas.

Resumindo, a nanotecnologia será uma revolução tecnológica de grande abrangência e de impacto talvez sem precedentes na história. Ela é o passo final, ou quase, na busca pelo homem do controle sobre a matéria, o controle átomo por átomo, molécula por molécula. Enfim, a engenharia na escala atômica, a escala última da matéria ordinária. Suas conseqüências serão enormes avanços no bem estar material das pessoas e na sua saúde, e redução do impacto da atividade industrial sobre o planeta, tanto pela produção de bens mais duráveis quanto pela maior eficiência na utilização da energia.

Figura 1 - Engenharia na escala atômica - Em 1990, 35 átomos de xenônio foram arranjados sobre uma superfície de níquel para compor o logotipo da IBM. Com manipulação nessa escala, moléculas podem ser fabricadas, ou modificadas, átomo por átomo.


Figura 2 - Uma pirâmide nada faraônica - Em crescimento por epitaxia por feixes moleculares, átomos de germânio auto-organizaram espontaneamente sobre uma base de silício para formar essa nanopirâmide. A auto-organização espontânea, que acabou gerando o fenômeno da vida, é mais comum na Natureza do que se pensava. Isso tem enorme importância e abre muitas possibilidades na N & N.


Figura 3 - Nanotubo de carbono - Folhas de arranjos hexagonais de átomos de carbono se enrolam para formar tubos longos, mas com diâmetro tipicamente entre 1 e 2 nanômetros. As extremidades, não mostradas na figura, são compostas de átomos em arranjo pentagonal. Essa surpreendente "macromolécula" é uma das vedetes da N & N.


Alaor Chaves é professor da UFMG e Coordenador do Instituto do Milênio de Nanociências - Ministério da Ciência e Tecnologia




*entrevista com Alaor Chaves, onde fala mais um pouco sobre essa inovação, e também como complemento de seu colega pesquisador Cylos.

bibliografia:
http://www.comciencia.br/reportagens/nanotecnologia/nano17.htm

20.11.06

nanotec


nanotecnologia, uma nova era.


A nanotecnologia está associada a diversas áreas (como a medicina, eletrônica, ciência da computação, física, química, biologia e engenharia dos materiais) de pesquisa e produção na escala nano (escala atômica). O princípio básico da nanotecnologia é a construção de estruturas e novos materiais a partir dos átomos (os tijolos básicos da natureza). É uma área promissora, mas que dá apenas seus primeiros passos, mostrando, contudo, resultados surpreendentes (na produção de semicondutores, Nanocompósitos, Biomateriais, Chips, entre outros). Um dos instrumentos utilizados para exploração de materiais nessa escala é o microscópio eletrônico de varredura, o MEV.
O objetivo principal é chegar em um controle preciso e individual dos átomos.





Entrevista com Cylon Gonçalves da Silva.

Há mais de 2.500 anos, alguns filósofos gregos se perguntavam se a imensa variedade do mundo que nos cerca não pode ser reduzida a componentes mais simples. A própria palavra átomo vem daquele tempo e significa "indivisível". A última fração da matéria, segundo esses filósofos o "tijolo" fundamental de tudo o que existe, não poderia mais ser dividida em outras partes mais simples. Podemos fazer uma comparação elementar, apenas para fins didáticos. Em uma padaria, você encontra uma grande variedade de pães, bolos, biscoitos, tortas, todos produzidos a partir de um pequeno número de ingredientes: farinha, fermento, manteiga, óleo, açúcar, chocolate etc... Muitas vezes, os ingredientes de pães diferentes são os mesmos, apenas mudam suas quantidades relativas e a forma de preparação. Da mesma maneira, quando olhamos o mundo a nossa volta, vemos uma variedade incrível de seres vivos e objetos inanimados, de um grão de areia a galáxia, de um vírus a uma baleia. Quantos tipos de "ingredientes" diferentes são necessários para produzir esse mundo?

Entre os gregos e a nossa época, muito se aprendeu sobre o universo. Sabemos, hoje, que o mundo que nos é familiar é formado por átomos, não exatamente aqueles imaginados inicialmente, mas que com eles compartilham o papel de "tijolos" fundamentais. Aprendemos que, ao contrário do que diz seu nome, eles são, de fato, divisíveis (mas isto é uma história para outra ocasião). Os átomos são formados por um núcleo positivo, onde reside praticamente toda sua massa, e por elétrons, negativos, que circulam em torno do núcleo. Sabemos, também, que ocorrem naturalmente no universo apenas noventa e dois tipos de átomos diferentes. Estes tipos podem ser classificados pelo número de prótons (partículas sub-atômicas de carga elétrica positiva) contidos em seus núcleos. Sabemos ainda que esses átomos podem não ser o fim da história, pois pode haver no universo partículas ou alguma forma de energia ainda não descobertas - ou pode ser que nossas teorias sobre o universo precisem algum dia ser revisadas, se esses novos "ingredientes" não forem encontrados. Tudo isto é parte do mundo fascinante da pesquisa científica - cada pergunta respondida leva a novas perguntas. Em ciência, as respostas raramente são definitivas, mas as perguntas perduram.

A certeza científica de que tudo é feito de átomos é muito recente. Há apenas cerca de cem anos, os cientistas obtiveram evidências fortes de que a velha hipótese atômica, formulada há dois e meio milênios, corresponde à realidade da natureza. No decorrer do século XIX, os químicos foram, aos poucos se convencendo de que a melhor maneira de explicar quantitativamente reações químicas é supondo que essas se dão entre unidades bem definidas de cada composto. Alguns físicos, já quase no final do século XIX, formularam uma teoria "estatística" da matéria, na qual se busca explicar o comportamento dos corpos com os quais lidamos quotidianamente pelo comportamento dessas pequenas unidades "invisíveis" da matéria, os átomos e as moléculas (moléculas são átomos do mesmo tipo ou de tipos diferentes, fortemente ligados entre si, formando novas entidades, com propriedades físico-químicas distintas). Essas teorias foram recebidas, inicialmente, com grande ceticismo pela própria comunidade científica. Por que tanta dificuldade para aceitar uma idéia velha de milênios?
O problema é que átomos são muito pequenos, medem menos de um centésimo de bilionésimo de metro, e obedecem a leis físicas bastante diferentes daquelas com as quais estamos acostumados no nosso mundo familiar. O seu tamanho é tal que não podem ser vistos diretamente. Instrumentos especiais tiveram de ser desenvolvidos antes que fosse possível "ver" um átomo. Um dos mais práticos desses instrumentos, o microscópio de tunelamento, somente foi inventado na década de 1980. Seus inventores, Heinrich Rohrer e Gerd Binnig, dos laboratórios da IBM em Zürich, Suíça, ganharam o prêmio Nobel por seus trabalhos. O funcionamento desse microscópio depende das leis da mecânica quântica, que governam o comportamento dos átomos e moléculas. Portanto, a existência de átomos e as leis da natureza no mundo atômico tiveram de ser pacientemente descobertas a partir de experimentos especialmente concebidos. Este processo levou décadas e envolveu grandes cientistas.

Instrumentos como o microscópio de tunelamento e outros estendem nossa "visão" até tamanhos na faixa de bilionésimo de metro. Um bilionésimo de metro chama-se "nanômetro", da mesma forma que um milésimo de metro chama-se "milímetro". "Nano" é um prefixo que vem do grego antigo (ainda os gregos!) e significa "anão". Um bilionésimo de metro é muito pequeno. Imagine uma praia começando em Salvador, na Bahia, e indo até Natal, no Rio Grande do Norte. Pegue um grão de areia nesta praia. Pois bem, as dimensões desse grão de areia estão para o comprimento desta praia, como o nanômetro está para o metro. É algo muito difícil de imaginar. Mesmo cientistas que trabalham com átomos todos os dias, precisam de toda sua imaginação e muita prática para se familiarizar com quantidades tão pequenas.


Ainda antes dos cientistas desenvolverem instrumentos para ver e manipular átomos individuais, alguns pioneiros mais ousados se colocavam a pergunta: o que aconteceria se pudéssemos construir novos materiais, átomo a átomo, manipulando diretamente os tijolos básicos da matéria? Um desses pioneiros foi um dos maiores físicos do século XX: Richard Feynman. Feynman, desde jovem, era reconhecido como um tipo genial. Uma de suas invenções foi o primeiro uso de processadores paralelos do mundo.

Em Los Alamos, na época do desenvolvimento da primeira bomba nuclear, havia a necessidade de se realizarem rapidamente cálculos muito complexos. Feynman, então, teve a idéia de dividir os cálculos em operações mais simples, que podiam ser realizadas simultaneamente, e encheu uma sala com jovens secretárias, cada qual operando uma máquina de calcular (naquela época não havia computadores, nem calculadoras eletrônicas, e as contas tinham de ser feitas à mão, ou com calculadoras mecânicas limitadas às mais simples operações aritméticas).

Hoje em dia, essa mesma idéia é usada em computadores de alto desempenho, com microprocessadores substituindo as jovens secretárias! Em 1959, em uma palestra no Instituto de Tecnologia da Califórnia, Feynman sugeriu que, em um futuro não muito distante, os engenheiros poderiam pegar átomos e colocá-los onde bem entendessem, desde que, é claro, não fossem violadas as leis da natureza. Com isso, materiais com propriedades inteiramente novas, poderiam ser criados. Esta palestra, intitulada "Há muito espaço lá embaixo" é, hoje, tomada como o ponto inicial da nanotecnologia. A idéia de Feynman é que não precisamos aceitar os materiais com que a natureza nos provê como os únicos possíveis no universo. Da mesma maneira que a humanidade aprendeu a manipular o barro para dele fazer tijolos e com esses construir casas, seria possível, segundo ele, manipular diretamente os átomos e a partir deles construir novos materiais que não ocorrem naturalmente. Um sonho? Talvez, há quarenta anos atrás. Mas, como o próprio Feynman dizia em sua conferência, nada, nesse sonho, viola as leis da natureza e, portanto, é apenas uma questão de conhecimento e tecnologia para torná-lo realidade. Hoje, qualquer toca-disco de CD's é uma prova da verdade do que Feynman dizia. Os materiais empregados na construção dos lasers desses toca-discos não ocorrem naturalmente, mas são fabricados pelo homem, camada atômica sobre camada atômica.

O objetivo da nanotecnologia, seguindo a proposta de Feynman, é o de criar novos materiais e desenvolver novos produtos e processos baseados na crescente capacidade da tecnologia moderna de ver e manipular átomos e moléculas. Os países desenvolvidos investem muito dinheiro na nanotecnologia. Mais de dois bilhões de dólares por ano, se somarmos os investimentos dos Estados Unidos, Japão e União Européia. Países como Coréia do Sul e Taiwan, que têm sido muito melhor sucedidos que o Brasil na utilização de tecnologias modernas para gerar bons empregos e riquezas para seus cidadãos, também estão investindo centenas de milhões de dólares nessa área. nanotecnologia não é uma tecnologia específica, mas todo um conjunto de técnicas, baseadas na Física, na Química, na Biologia, na ciência e Engenharia de Materiais, e na Computação, que visam estender a capacidade humana de manipular a matéria até os limites do átomo. As aplicações possíveis incluem: aumentar espetacularmente a capacidade de armazenamento e processamento de dados dos computadores; criar novos mecanismos para entrega de medicamentos, mais seguros e menos prejudiciais ao paciente dos que os disponíveis hoje; criar materiais mais leves e mais resistentes do que metais e plásticos, para prédios, automóveis, aviões; e muito mais inovações em desenvolvimento ou que ainda não foram sequer imaginadas. Economia de energia, proteção ao meio ambiente, menor uso de matérias primas escassas, são possibilidades muito concretas dos desenvolvimentos em nanotecnologia que estão ocorrendo hoje e podem ser antevistos.

No Brasil, a nanotecnologia ainda está começando. Mas, já há resultados importantes. Por exemplo, um grupo de pesquisadores da Embrapa, liderados pelo Dr. L. H. Mattoso, desenvolveu uma "língua eletrônica", um dispositivo que combina sensores químicos de espessura nanométrica, com um sofisticado programa de computador para detectar sabores. A língua eletrônica da Embrapa, que ganhou prêmios e está patenteada, é mais sensível do que a própria língua humana. Ela é um produto nanotecnológico, pois depende para seu funcionamento da capacidade dos cientistas de sintetizar (criar) novos materiais e de organizá-los, camada molecular por camada molecular, em um sensor que reage eletricamente a diferentes produtos químicos. Você pode imaginar alguns usos para uma língua eletrônica? Para saber mais, visite a página http://www.cnpdia.embrapa.br/. Não é só na Embrapa, entretanto, que se faz nanotecnologia no Brasil. O mesmo acontece nas principais universidades e centros de pesquisa do país.

Aplicações em catálise - isto é, na química e na petroquímica, em entrega de medicamentos, em sensores, em materiais magnéticos, em computação quântica, são alguns exemplos da nanotecnologia sendo desenvolvida no Brasil. O que precisamos agora é aprender a transformar todo este conhecimento em riquezas para o país.

A nanotecnologia é extremamente importante para o Brasil, por que a indústria brasileira terá de competir internacionalmente com novos produtos para que a economia do país se recupere e retome o crescimento econômico. Esta competição somente será bem sucedida com produtos e processos inovadores, que se comparem aos melhores que a indústria internacional oferece. Isto significa que o conteúdo tecnológico dos produtos ofertados pela indústria brasileira terá de crescer substancialmente nos próximos anos e que a força de trabalho do país terá de receber um nível de educação em ciência e Tecnologia muito mais elevado do que o de hoje. Este é um grande desafio para todos nós.



Cylon Gonçalves da Silva.


bibliografia:
http://www.comciencia.br/reportagens/nanotecnologia/nano10.htm
http://pt.wikipedia.org/wiki/Nanotecnologia


*Texto escrito por Cylon Gonçalves da Silva Físico, ex-diretor do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron e idealizador do Centro Nacional de Referência em Nanotecnologia.
* Esse artigo tem como finalidade mostrar os pricipais campos da ultilização da nanotecnologia onde temos a opinião de um grande físico especializado na área. Blog feito por Vinicius Gervasio