domingo, 11 de novembro de 2007
sábado, 10 de novembro de 2007
Nanotecnologia: Aplicações e Desafios by Dra Solage Fagan
Neste primeiro de novembro tive a honra de participar da Palestra proferida pela Profa. Dra. Solange Binotto Fagan (CV:http://lattes.cnpq.br/8537174715205717 ) na Fundação Universidade Federal de Rio Grande - FURG, durante a Semana Acadêmica do Curso de Química.
O título da palestra foi o mesmo adotado no presente texto: Nanotecnologia: Aplicações e Desafios.
Este começo de Século XXI vem sendo denominado pela ciência como o início da Era da Nanotecnologia e da Mecânica Quântica.
Estamos vivenciando uma grandiosa evolução dos equipamentos e dos materias, o que torna imprescindível uma ampla divulgação, inclusive entre os leigos, acerca do que vem sendo descoberto neste novo e revolucionário campo científico.
Para responder a essa questão, faz-se necessário que conversemos um pouco sobre dimensões:
Todos nós sabemos que um metro equivale a
Pois bem, agora diminua esse 1 mícron (lembre-se: 1m-6) em mais mil partes iguais. Você terá chegado à dimensão de um nanômetro (1nm), ou seja um bilionésimo do metro.
Nesse ponto, somos capazes de analisar, montar e desmontar estruturas átomo a átomo. Aqui chegamos na dimensão onde trabalhamos com a nanotecnologia.
Mas, como disse anteriormente, estamos iniciando nesta era o mergulho em direção à nanotecnologia e à física quântica. Para isso, é necessário reduzir ainda mais a escala dimensional.
Nesse sentido, a física quântica trata de uma dimensão ainda menor que o nanômetro. Trata-se do ângstron, isto é, uma medida equivalente a 10 -10m, onde tudo que somos capazes de ver é apenas uma nuvem ( a escala atômica). Nenhum equipamento até hoje, por mais avançado que seja, foi capaz de visualizar além desse “vazio”.
Retornando à Nanotecnotogia (a arte de montar matéria átomo por átomo, ou melhor, a habilidade de manipular e criar objetos com dimensões menores que 100 nm.)
A Nanociência está limitada por duas técnicas:
a) Vamos “quebrando”macroestruturas (estruturas de dimensões maiores) até reduzi-las à dimensão nanométrica. Tal processo, no entanto, é desvantajoso, devido ao ônus ocasionado pela aparelhagem necessária para tal procedimento. Tal processo é denominado : de cima para baixo, ou seja, do maior para o menor;
b) Vamos agregando átomo a átomo até formar uma nanopartícula, como por exemplo um nanotubo; tal processo é denominado de baixo para cima porque vamos construindo, átomo a átomo, uma nanopartícula, um nanotubo. Processo mais barato mas nem sempre fácil para os cientistas, pois, como já foi dito, é uma ciência em nascimento.
A etiologia da palavra nano, vem do grego : e significa “ anão”
Técnicas de Manipulação em Nanotecnologia:
1) Microscopia de Tunelamento (STM: Scanning Probe Microscopy )
Infelizmente é um processo extremamente caro.
Tal técnica, desenvolvida na década de oitenta, permitiu uma variedade de formas de interações com o mundo nanométrico através do processo denominado microscopia de varredura de sondas. Tal equipamento nos permite obter imagens de reflexos de átomos e moléculas utilizando uma agulha microscópica na qual é aplicada uma tensão elétrica. A imagem produzida é produto da variação da corrente entre a superfície do material analizado ,
2)
2)Microscopia de Força Atômica (AFM -"Atomic Force Microscopy" )
Os mais avançados já permitem filmar as nanoestruturas.
Um feixe óptico é refletido no suporte para medir sua deflexão , á medida em que uma agulha finíssima se move sobre a superfície e interage com o material que está sendo analisado.
3)Nanolitografia : risco de materiais na escala nanométrica, portanto a escrita somente é visível nessa escala. Incrível não é mesmo?
Auto- Organização de Nanoestruturas:
a) Nanotubos: Os mais trabalhados são os de Carbono: trasnístores de nanotubos de carbono funcionam com velocidades infinitamente maiores que os tradicionais de silício (está terminando a era do silício). Será possível a construção de nanofios para uso no interior dos microprocessadores, substituindo os fios de cobre que são grossos e não tão eficientes na transmissão da corrente elétrica. Os nanotubos, são construídos com a técnica de baixo para cima que, apesar de muito menos onerosa ainda gera dificuldade para os pesquisadores quanto à manipulação.
b) Porfirinas: As Porfirinas, ricas em ferro, no homem, são responsáveis pelo transporte e armazenamento de oxigênio nos tecidos vivos (ela faz parte da hemoglogina, pigmento vermelho do sangue e se encontra dentro das hemácias); nos vegetais, fazem parte da clorofila, pigmento verde desses. Pesquisadores no ramo da Nanotecnologia, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (Henrique Toma e Koiti Araki) desenvolveram um sensor de sulfito, à partir da combinação de porfirinas, um sensor de sulfito capaz de detectar os níveis de sultito utilizado como conservante em vinhos e, portanto, ver se os níveis estão além ou não de causar danos à saúde dos consumidores. Também a técnica desenvolvida é na escala de cima para baixo.
Impactos da Nanotecnologia
1) Materiais: roupas com nanopartículas de ação bactericida e fungicida; refrigeradores com nanopartículas de prata com ação bactericida e fungicida, tintas contendo nanopartículas para bloquear celulares (por exemplo em presídios), preparados para passar em vidros com a finalidade de conversão da energia solar em casa ou prédio sem necessidade da energia elétrica, superfícies auto-limpantes (repelem sujidades), telefones celulares e redes de internet funcionando com energia solar etc...;
2) Fármacos e Cosméticos: nanocarreadores de fármacos; nanoesferas, capazes de carregar os ativos cosméticos íntegros até o local de ação; filtros solares transparentes (dióxido de titânio transparente, filtro físico etc);
“A guerra invisível contra as rugas
Cremes que usam nanotecnologia são
a mais nova promessa da cosmética
contra o envelhecimento da pele”
Paracetamol revestido por nanosferas
2) Medicina: sequenciamento genético, músculos artificiais feitos com nanotubos , olhos artificiais feitos com nanotubos (detalhe: muito mais potentes que os normais); fullereno se ligam exclusivamente a tumores e são ativados termicamente por luz infravermelha destruindo apenas o tumor e o restante do organismo permanece íntegro! Pesquisadores da UNB testam nanoímãs acoplados a anticorpos e injetados à corrente sanguínea de ratos, ao alcançarem o alvo (tumor quase que indetectável ainda por estar em início de proliferação, tumores menores que 1mm), vibram e esquentam por ação de luz IV até destruir o tumor. A questão é? Como retirar os nanoímãs do organismo após a destruição do tumor?
4) Meio-ambiente: sistemas de filtração de ar e água através de nanotubos;
“¿La nanociencia nos lleva a una segunda revolución industrial? ¿Cómo afectará a sectores estratégicos como las telecomunicaciones, la biotecnología, la ecología, la arquitectura, la medicina, la industria de la defensa, los textiles...? ¿qué ventajas y desventajas tiene para la humanidad? ¿Una informática -una nueva computación- con ordenadores que no gastan casi energía y trabajan millones de veces más rápidos? ¿Nanosensores centinelas dentro del cuerpo humano capaces de detectar las primeras células cancerígenas y su destrucción? ¿Arquitectura de moléculas y átomos para nanomáquinas y materiales inteligentes de propiedades asombrosas? ¿La administración de los riesgos y peligros? ¿Los previó Richard Feynman al sugerirnos este campo? ¿Alterará nuestras costumbres, nuestra conducta? ¿Revivirá la metafísica? En resumen ¿Ciencia ficción, utopía, realidad? “
Dr. Peihong Zhang, UC Berkeley, EE.UU
sábado, 3 de novembro de 2007
Nanotecnologia: A Arte de montar matéria: átomo por átomo
Tudo começou nas idealizações do visionário Richard Feynman:o qual não pôde nem se beneficiar da tecnologia nem ver sua "ascenção!?"
" Aqui estou, diante de você, quase sem cabelo, em função da quimioterapia. Vinte anos atrás não existia nem mesmo esse tratamento tosco, e eu já estaria morto. Mas, daqui a 20 anos, mísseis nanométricos irão alvejar apenas as células cancerosas do corpo humano, deixando todo o resto incólume. É provável que eu não veja isso, mas tenho certeza de que vai acontecer." ( Comentário em 22 de junho de 1999. Químico ganhador do Prêmio Nobel, em 28 de outubro de 2005; falesceu aos 62 anos, vítma de um Linfoma não-Hodgkin)
As palavras soavam como que saídas da boca de um visionário: "Náo tenho receio de considerar como questáo final se, por fim no futuro distante, nos pudermos arranjar os átomos da maneira que quisermos (...). O que aconteceria se pudéssemos arranjar os átomos, um por um, do jeito que quiséssemos?" Na época em que o físico americano e aprendiz de profeta Richard Feynman (1918-1988) devaneou diante de uma platéia incrédula, o mundo náo era lugar para pequenas idéias. Em dezembro de 1959, quando Feynman proferiu as visionárias palavras na palestra "Há muito lugar no fundo" para seus colegas da Sociedade Americana de Física, os computadores ainda eram geringonças que ocupavam metade das salas em que eram colocados. Feynman falava em mexer átomos num tempo em que ninguém sequer tinha visto um deles. Trinta anos depois, o sonho do físico ganhou forma na ciéncia do muito pequeno, a nanotecnologia, assim chamada porque seus objetos de estudo costumam ser medidos em nanômetros - 1 milháo de vezes menor que 1 milímetro.
O que aconteceria se pudéssemos mover átomos?, perguntava Feynman. Respondem os cientistas que os manipulam hoje: podem-se construir supercomputadores que caibam no bolso, gravar bibliotecas inteiras em superficies de centímetros quadrados, colocar microssondas para fazer testes sanguíneos dentro do corpo humano. Tudo isso ainda é suposiçáo, previsáo, talvez sonho. "A preocupaçáo fundamental náo é a aplicaçáo das descobertas na prática, mas a pesquisa pela pesquisa. Os resultados disso só se tomaráo visíveis dentro de uma década", O mundo futuro imaginado por Drexler, em que se construiráo aparelhos ou substáncias molécula por molécula, é ridicularizado por alguns de seus colegas cientistas da mesma forma que a maioria dos físicos presentes á palestra de Feynman acreditava que ele estava simplesmente brincando. Tentar prever o que é possível fazer ao nivel dos átomos é táo difícil quanto entender a natureza lá embaixo. A nanotecnologia só existe hoje como prática porque, há quase sessenta anos, os cientistas que estudavam a matéria derrubaram sólidos conceitos da Física clássica e criaram a Física quántica, em que as particulas como os fótons e os elétrons náo se comportam como no mundo de gente grande. O microscopio de varredura por efeito túnel (scanning tunnelling microscope, ou SIM), a ferramenta fundamental para a entrada no pequeno mundo, é filho afreto da Física quántica. Lá, ande os átomos se contam ás unidades, os elétrons sofrem de dupla personalidade comportam-se ao mesmo tempo como particulas e como ondas (mais ou menos como se fossem ao mesmo tempo balas de um revólver e onda do mar). Isso é inadmissível para a Física clássica, mas perfeitamente aceitável para a Física quántica, mesmo que náo se compreenda multo bem o porqué.
A clássica imagem do átomo como um núcleo de prótons e néutrons, em torno do núcleo, os elétrons circulam em órbitas, também foi por água abaixo. O aspecto mais importante da Física quántica para os nanocientistas é a descoberta de que os elétrons ás vezes andam por onde náo.deveriam. Normalmente, os elétrons param de se mover quando náo tém energia para transpor uma barreira á sua frente. No reino da Física quántica, no entanto, há determinadas circunstancias em que os elétrons encontram uma barreira táo fina que há probabilidade de que eles simplesmente a ignorem e sigam em frente - é o chamado efeito túnel. Seria apenas mais uma descoberta teórica se, em 1981, uma equipe do laboratorio da IBM em Zurique, na Suíça, náo tivesse transformado essa maluquice do elétron num aparelho de enxergar átomos - ele mesmo, o microscopio de efeito túnel. O invento valeu a Gerd Binnig e Heinrich Rohrer o Prémio Nobel de Física, em 1986. Esse microscopio nada mais é do que uma minúscula ponta feita de material condutor que percorre - ou varre - toda a superficie da amostra a ser analisada. A ponta e o substrato ande se deposita a amostra ficam ligadas por um circuito. Aplica-se uma tensáo elétrica no circuito e abaixa-se a ponta do microscopio até quase encostar na amostra. É um "quase" imperceptível ao olho humano, pois a distancia entre a ponta e a amostra chega a alguns nanómetros. Pois os elétrons, que só deveriam passar da amostra para a ponta se as duas estivessem encostadas, simplesmente pulam pelo ar mesmo - tunelam -, fechando o circuito entre a ponta e a amostra, e criando uma comente com uma voltagem infinitamente pequena, da ordem de al guns nanoampéres. É um grande salto para o elétron e um grande passo para a humanidade.
Com o microscopio de efeito túnel, passou-se a enxergar os átomos, antes jamais vistos, e, melhor ainda, conseguiu-se manipulá-los. certo que dizer "enxergar" átomos chega a ser uma licença poética, pois o que se vé é uma imagem simulada da variaçáo da corrente elétrica. O levantar e abaixar da ponta do microscopio é uma operaçáo que exige precisáo multo além do que qualquer máo humana ou mecánica possa alcançar. Esse trabalho é feito pelos cristais piezoelétricos, como o quartzo, que se expandem ou encolhem quando recebem tensáo elétrica (sim, mexem-se apenas alguns nanómetros). Há tres cristais: o do eixo z (que se move para cima e para baixo), o x (para a frepte e para trás) e o y (para a esquerda e para a direita). Quando a ponta do microscopio começa a varrer a amostra, movendo-se nos eixos x e y, o eixo z fica na mesma. Porém, quando a ponta encontra uma pequena montanha pela frente, ou seja, um átomo mais alto que os outros, a voltagem da corrente elétrica aumenta, pois a distancia em relaçáo á amostra diminuí. No modo de operaçáo mais comum, o de voltagem constante, o eixo z deve portanto receber um alteraçáo de tensáo, para que se contraía e suspenda a ponta do microscopio de modo a fazer a voltagem retornar ao valor prévio. A variaçáo da tensáo do cristal z resulta num gráfico, que é transformado em imagem - está pronta a fotografia dos átomos. Obviamente, o microscopio de efeito túnel só funciona com amostras de materiais condutores ou semicondutores; do contrário, náo haveria passagem de corrente elétrica. Materiais isolantes, como vidro ou células vivas, seriam invisíveis ao SIM.
Que o pequeno mundo náo se perca por isso - o mesmo Gerd Binnig deu um jeitinho e inventou uma ponta de microscopio capaz de enxergar qualquer coisa. Ele acoplou á ponta um pequeno fragmento de diamante, que contoma os átomos da amostra exercendo uma pressáo pequena o suficiente para náo destruí-la. É o microscópio de força atómica (AFM, em inglés). Conforme o fragmento de diamante se move quando encontra saliéncias, move-se também a ponta, criando-se entáo imagens como no SIM. Mais importante do que ver átomos é a possibilidade de mové-los, um a um. isso acontece quando se aplica uma tensáo,elétricamuito forte entre a ponta do microscópio e a amostra - um átomo salta e gruda na ponta. Se a polaridade da comente for invertida, o átomo volta para baixo com força, ficando encravado naquele ponto. Desde que o pesquisador americano Don g Eigler, do laboratório da IBM na Califómia, nos Estados Unidos, alinhou átomos de xenónio para escrever o logotipo da empresa sobre uma superficie de níquel, começou urna verdadeira corrida entre os cientistas para conseguir o melhor dominio da técnica de arrancar átomos de um ponto e colocá-los em outro. O homem enfim toca o coragáo da matéria e, átomo por átomo, pode chegar a construir moléculas sob medida. Dar o sonho de montar um minúsculo supercomputador - enquanto nos chips dos computadores atuais a linguagem binária do sim/náo é feita com a passagem ou náo de bilhóes de elétrons da comente elétrica, a manipulagáo atómica poderla levar á montagem de um interruptor que fosse uma única molécula. Em laboratorio, pelo menos, já se demonstrou que isso funciona, quando se verificou que a mudanga de posiçáo de um átomo de xenónio, ora sobre uma superfície de níquel, ora grudado na ponta do microscopio, causava uma variaçáo na corrente elétrica que bem poderla servir como 0 e 1 do código binário. Claro que isso é inviável como tecnologia, já que uma das partes desse interruptor molecular é o próprio microscopio.
Na hora de arrnazenar inforrnaçóes, a nanotecnologia pode encolher a níveis absurdos o tamanho do suporte para gravá-las. John Mamin, também do laboratorio da IBM na Califórnia, desenhou um mapa com átomos de ouro para demonstrar o potencial de arrnazenagem de informagóes em pouco espaço. Da mesma maneira que a superficie plana altemada com buracos num compact disc formam a linguagem binária, um simples átomo e sua auséncia construiriam a mesma linguagem numa nanoamostra. A técnica de Mamin poderla armazenar a obra completa do dramaturgo inglés William Shakespeare numa superficie menor do que 0,2 milímetros. É uma densidade de informagáo l0 000vezes maior do que o melhor disquete de computador existente. Eric Drexler pensa longe quando visualiza aonde tudo isso pode levar: "A curto prazo, acredito que a nanotecnologia será pioneira no lançamento de novos instrumentos científicos voltados para a mediçáo de escalas moleculares. Depois disso, provavelmente encontrará um campo de açáo fértil na computaçáo, primeiro na área da memoria, e em seguida nos próprios computadores. Haverá também aplicaçóes importantes nos produtos resultantes da manufaturaçáo molecular, na medicina, nos equipamentos para uso aéreo e espacial, em instrumentos de proteçáo do meio ambiente e inclusive no desenvolvimento de novos instrumentos para esse fim". Uma das idéias de Drexler neste campo é acriagáo de nanomáquinas, que seriam lançadas na estratosfera para capturar átomos de cloro e resguardar a camada de ozónio do planeta.
Embora ainda náo táo pequenos, já existem micromotores e microssondas fabricados com a mesma técnica dos chips de silicio dos computadores. Sobre finas camadas de materiais semicondutores, como arsenieto de gálio, grava-se o padráo desejado para aquela camada e corroem-se as partes restantes, que depois podem ser preenchidas com outras substáncias. Na Universidade de Michigan, construiu-se urna microssonda de apenas 4,7 milímetros de comprimento, que permite estudar com detalhes tanto o cérebro humano como os circuitos neuronais, que imitam o funcionamento do cerebro. Micromotores de diámetro menor que um fio de cabelo estáo saindo do laboratorio prontos para fazer rodar as futuras microengenhocas ou, enquanto estas náo chegam, movimentar as par tes ultra-sensiveis de equipamentos atuais, como a cabeça de leitura de discos magnéticos nos computadores. "
(Por Fátima Cardoso)
(Fotos:IBM, Philippe Playl
