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A Revolução Nanotecnológica
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1quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Viagem ao mundo da Viagem ao mundo da Nanotecnologia
Onde acaba a ficOnde acaba a ficçção cientão cientíífica fica
e comee começça a realidadea a realidade??
José Figueiredojlongras@ualg.pt
Centro de Electrónica, Optoelectrónica e TelecomunicaçõesDepartamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia
Universidade do Algarve(http://w3.ualg.pt/~jlongras/palestras.html)
A Revolução Nanotecnológica
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2quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Deus criou o mundo …
… a Nanotecnologia promete aperfeiçoá-lo.
A Revolução Nanotecnológica
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3quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Cada onda de inovação assentou sobre a exploração em larga escala de novos materiais.
O principal factor limitante do desenvolvimento de novas tecnologias é sempre a disponibilidade de materiais adequados.
A Nanotecnologia não é apenas a mais recente revolução em materiais. Ela parece ser a última possível!
Próxima revolução industrial
A Revolução Nanotecnológica
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4quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Produtos que não existiam há 30 anos
A Revolução Nanotecnológica
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5quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Ábaco (875 d. C.)
Primeiros computadores
A Revolução Nanotecnológica
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6quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Régua de cálculo (1600 d.C.)
Primeiros computadores
A Revolução Nanotecnológica
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7quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Calculadora multi-funcional – Babbage (1822)
Primeiros computadores
A Revolução Nanotecnológica
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8quarta-feira, 6 de Junho de 2007
ENIAC - U.S. Army (1946)
Primeiros computadores
A Revolução Nanotecnológica
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9quarta-feira, 6 de Junho de 2007
O transístor e o circuito integrado
Válvula de vácuo
1947
Primeiro transístor
Esquema do transístor
Circuito integrado
Antes do transístor
Dopar
semicondutores
A Revolução Nanotecnológica
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10quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Quão pequeno é aquilo de que estamos nós a falar?
Nano+tecnologia
A Revolução Nanotecnológica
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11quarta-feira, 6 de Junho de 2007
O prefixo ‘nano-’ vêm da palavra grega “anão”.
1 nanómetro (1 nm) corresponde a dividir 1 metro por mil milhões, isto é, 1 nm=0,000 000 001 m.
A palavra nanotecnologia descreve os materiais, os sistemas e os dispositivos cujas propriedades são determinadas pelo facto de as suas dimensões serem inferiores a 100 nm.
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O que é o nanómetro?
A Revolução Nanotecnológica
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12quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
1 metro 10 centímetros
Do metro ao centímetro …
A Revolução Nanotecnológica
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13quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
1 centímetro 1 milímetro
Do centímetro ao milímetro …
A Revolução Nanotecnológica
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14quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
100 micrómetros 10 micrómetroDo milímetro ao micrómetro …
A 10 micrómetros (10-5 m) as células ficam quase individualizadas.
A 100 micrómetros (10-4 m) as células tornam-se distinguíveis.
A Revolução Nanotecnológica
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15quarta-feira, 6 de Junho de 2007Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
1 micrómetro
O mundo micrométrico …
A 1 micrómetro (10-6 m) é possível ver algumas células.
Pentium Intel
A 1 micrómetro (10-6 m) é a dimensão típica dos componentes (transístores, díodos, resistências, condensadores de um microprocessador.
A Revolução Nanotecnológica
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16quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
100 nanómetros 10 nanómetrosO mundo nanométrico …
A 10 nanómetros (10-8 m) podem-se ver as cadeias do ADN.
A 100 nanómetros (10-7 m) são visíveis os cromossomas.
A Revolução Nanotecnológica
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17quarta-feira, 6 de Junho de 2007Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
1 nanómetro 100 picómetrosDo nanómetro ao picómetro …
A 100 picómetros (10-10 m) observa-se a nuvem de electrões no átomo de carbono.
A 1 nanómetros (10-9 m) vêm-se alguns átomos.
A Revolução Nanotecnológica
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18quarta-feira, 6 de Junho de 2007Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
10 picómetros 1 picómetroO mundo picométrico …
A 1 picómetro (10-13 m) vê-se o espaço vazio entre o núcleo e as órbitas dos electrões.
A 10 picómetros (10-11 m) vê-se parte da nuvem electrónica.
A Revolução Nanotecnológica
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19quarta-feira, 6 de Junho de 2007Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
100 fentómetros 10 fentómetrosO mundo fentométrico …
A 10 fentómetros (10-14 m) seria possível ver o núcleo de um átomo de carbono.
A 100 fentómetros (10-13 m) o núcleo atómico ainda aparece pequeno.
A Revolução Nanotecnológica
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20quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
1 fentómetro 100 atómetrosE chegamos ao fim da viagem!
A 100 atómetros (10-16 m) seria possível examinar os ‘quarks’.
1 fentómetro (10-15 m) seria possível ver a face de um protão.
A Revolução Nanotecnológica
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21quarta-feira, 6 de Junho de 2007
A escala das coisas nano….
Nano+tecnologia
A Revolução Nanotecnológica
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22quarta-feira, 6 de Junho de 2007
O nanómetro é a escala de dimensão de átomos e moléculas
(o tamanho dos átomos varia entre ~0,05 nm a ~0,30 nm).
O nanómetro é a menor dimensão prática da engenharia de
materiais, dos sistemas e dos dispositivos.
Menor que os átomos, temos as partículas subatómicas.
(Ainda …) não usamos directamente as partículas
subatómicas para construir coisas.
Afinal, quanto «vale» um nanómetro …
A Revolução Nanotecnológica
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23quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm
1 nanómetro (alguns átomos)
O nanómetro …
A Revolução Nanotecnológica
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24quarta-feira, 6 de Junho de 2007
A Revolução Nanotecnológica
Luz (fís.) designação que compreende não só as radiações visíveis mas também as radiações electromagnéticas invisíveis; (do lat. luce-, «id.»).
A Revolução Nanotecnológica
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25quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Átomo ~0.1 nm
ADN (largura) 2 nm
Proteína ~5 nm a 50 nm
Vírus ~75 nm a 100 nm
Materiais absorvidos pelas células < 100 nm
Bactéria 1,000 – 10,000 nm
Glóbulo branco do sangue ~10 000 nm
Altura média de um ser humano 1,75 mil milhões de nm
Diâmetro da Terra 1,27×1016 nm
Alguns tamanhos em nanómetros (nm)
A Revolução Nanotecnológica
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26quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Nanotecnologia …
como “começou”?
A Revolução Nanotecnológica
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27quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Leucippus de Miletus
Demócrito de Abdera (Grécia Antiga), 5 séculos a. C.
Toda a matéria é feita de partículas indivisíveis chamados átomos
E existe vazio, que preenche o espaço entre os átomos
Os átomos são completamente sólidos (maciços)
Os átomos são homogéneos sem estrutura interna
Os átomos variam em:
1) tamanho 2) forma 3) Peso (massa)
As origens …
A Revolução Nanotecnológica
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28quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Hipótese atómica (~500 a.C.): “átomos” são os elementos fundamentais indivisíveis do mundo material. Teoria atómica (século XIX):
(1) elementos químicos distintos e (2) combinados em proporções fixas. Alguma coisa estranha acontece “lá em baixo”.
Realidade atómica (século XX): os átomos existem mesmo!Existem e, de fato, são muito «estranhos»:
Átomos obedecem a leis diferentes daquelas no “nosso” mundo: as leis da Física Quântica.
A hipótese atómica …
A Revolução Nanotecnológica
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29quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Os elementos conhecidos desde a Antiguidade ocorrem na sua forma nativa. Os outros ocorrem sob a forma de compostos, que precisam ser separados nos seus constituintes básicos. Para tanto, é preciso vencer as forças atractivas entre os átomos! Por exemplo, o Ferro é encontrado sob a forma de óxidos. Estes óxidos precisam ser queimados na presença de hidrocarbonetos (carvão) para que o Carbono capture o Oxigénio ligado ao Ferro: Óxidos de ferro + hidrocarbonetos + energia (calor) Ferro + óxidos de carbono +«restos»
A descoberta dos elementos
A Revolução Nanotecnológica
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30quarta-feira, 6 de Junho de 2007
49 de 92 elementos naturais foram descobertos no século XIX!
Os elementos
A Revolução Nanotecnológica
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31quarta-feira, 6 de Junho de 2007
“Há muito espaço lá em baixo”
Nano+tecnologia
A Revolução Nanotecnológica32
quarta-feira, 6 de Junho de 2007
O “despertar” da NanotecnologiaRichard Feynman, em 29 de Dezembro de 1959, deu uma palestra com título:
“Há muito espaço lá em baixo.”
(“There’s Plenty of Room at the
Bottom”, )
A Revolução Nanotecnológica
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33quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Ideias importantes da palestra de Richard Feynman Manipular e controlar coisas à escala atómicaEscrever a Enciclopédia Britânica na cabeça de um
alfineteComo é possível escrever tão pequeno?Informação em pequena escala Melhores microscópicos electrónicosSistemas biológicos extraordinárioMiniaturização de computadoresMiniaturização por evaporaçãoProblema da lubrificaçãoCentenas de mãos minúsculasRe-arranjando os átomosÁtomos num mundo minúsculo
A Revolução Nanotecnológica
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34quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Imagine uma esfera de ferro
maciça, de um quilograma de
massa: esta esfera possui um raio
de cerca de 31 mm e uma
superfície S de ~0,0001247 m2.
A mesma massa de Fe pode ser
distribuída em trinta mil esferas de
1 mm de raio, com uma superfície
total de 0,38 m2.
O que interessa é a superfície …
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A Revolução Nanotecnológica
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35quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Ou ainda, em trinta biliões de esferas de 1 mm de raio, com uma superfície total de 380 m2.Ou ainda, em trinta biliões de milhões de esferas de 1 nm de raio, com uma superfície total de 380.000 m2.Conclusão: partimos de uma superfície de ~0,0001247 m2 e acabamos num superfície final de total de ~380.000 m2, isto é, aumentamos a superfície útil ~3 mil milhões de vezes!!!
Há mesmo muito espaço lá em baixo!
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A Revolução Nanotecnológica
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36quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Tem uma longa históriaTem uma base teórica sólida É estudada seriamente à mais 30 anosE então, o que é?
A nanotecnologia pode ser ... Nanometrologia (Física)Nanociência (Física, efeitos quânticos )Tecnologia à escala nano (Física, nanofabricação …)Nanotecnologia molecular (Química, Biologia, …) Nanobiotecnologia (biologia e engenharia biotecnológica)…
Nanotecnologia
A Revolução Nanotecnológica
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37quarta-feira, 6 de Junho de 2007
A Nanotecnologia só se torna possível a partir do
momento em que temos instrumentos para ver e
manipular átomos e moléculas individuais.
É bom relembrar que manipulamos átomos e moléculas
o tempo todo! Mas, o fazemos em enormes quantidades.
Precisamos de instrumentos especiais e teorias que nos
permitam entender os resultados que estes instrumentos
geram, bem como novas técnicas de síntese de materiais.
Nanociência, Nanoengenharia e Nanotecnologia,
A Revolução Nanotecnológica38
quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Os instrumentos
Para “ver” o nanomundo, precisamos de instrumentos que estendem nossos sentidos para além da percepção.
A Revolução Nanotecnológica
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39quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Microscópios de efeito de túnel - 1985
A Revolução Nanotecnológica
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40quarta-feira, 6 de Junho de 2007
• Microprocessador: silício ultra puro.
• Disco rígido: materiais magnéticos,
recobrimento de diamante, lubrificantes.
• Bateria: intercalados de Li.
• Ecrã: cristais líquidos, polímeros.
• Caixa: metais leves, plásticos ultra
resistentes.
• Armazenamento: lasers, polímeros,
materiais magneto-ópticos.
• Máquina fotográfica: sensores de silício
Tecnologias da Informação
A Revolução Nanotecnológica
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41quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Microprocessores Intel: 1971 e 2000
Microprocessores
A Revolução Nanotecnológica
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42quarta-feira, 6 de Junho de 2007
De 100 milhões a 100 mil milhões de milhões instruções por segundo (MIPS)
A lei de Moore prevê que os computadores atingirão o poder de cálculo do cérebro antes de 2017!
Cérebro
A Revolução Nanotecnológica
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43quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Computadores + rápidos: nanotransístor
A Revolução Nanotecnológica
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44quarta-feira, 6 de Junho de 2007
O objectivo da Engenharia de Materiais é o de controlar as interacções entre os átomos, de forma a determinar:
composição; estrutura; tamanho; e morfologia
dos materiais, para que estes tenham as propriedades estruturais ou funcionais requeridas pelo projecto.
Para manipular um átomo, precisamos de outro átomo ou campos electromagnéticos. A Natureza coloca limites ao que podemos fazer. Mas, onde estão estes limites?
Descobri-los é o desafio da Engenharia dos Materiais.
O segundo desafio é fazer isto de forma que o processo possa ser aplicado em nível industrial.
Engenharia de Materiais
A Revolução Nanotecnológica
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45quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Novos materiais: os fullerenes – 1985
Robert F. Curl Jr. Richard E. Smalley
Sir Harold W. Kroto
A Revolução Nanotecnológica
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46quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Foto: F. Fraenkel, MITGrupo de M. Bawendi, MIT
Novos “medicamentos”: nanopartículas
A Revolução Nanotecnológica
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47quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Nanotecnologia funciona em organismos vivos há
milhares de milhões de anos.
Processos nanotecnológicos são maciçamente paralelos.
As fontes de energia e os processos de fabricação
precisam ser repensados radicalmente.
O caminho a percorrer é longo, mas é fascinante e
muito promissor.
O que se pode aprender com a Natureza
A Revolução Nanotecnológica
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48quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Novas máquinas: nanorobôs
A Revolução Nanotecnológica49
quarta-feira, 6 de Junho de 2007
A Natureza é a grande nanotecnóloga
Nanomotores biológicos
A Revolução Nanotecnológica
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50quarta-feira, 6 de Junho de 2007
1. Tudo é feito de átomos.
2. Estamos apenas começando a entender como as
propriedades estruturais e dinâmicas dos materiais
do nosso mundo quotidiano emergem das
propriedades nanoscópicas dos átomos e moléculas.
3. Para fazer isto, temos de aprender a pensar em
diferentes escalas de comprimento e entender as leis
que governam os fenómenos em cada uma delas.
As lições para levar para casa
A Revolução Nanotecnológica
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51quarta-feira, 6 de Junho de 2007
4. Nanotecnologia é a possibilidade de projectar e construir materiais e processos de fabricação da escala atómica “para cima”.
5. A Natureza não se divide em Física, Química, Biologia, Engenharia de Materiais, Computação, etc... Há uma convergência crescente dessas disciplinas.
6. Tampouco a Natureza se divide em nanómetros, micrómetros, milímetros e metros. A “arquitectura”da Natureza integra todas as escalas de comprimento relevantes.
As lições para levar para casa
A Revolução Nanotecnológica
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52quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Nanotecnologia significa integrar propriedades estruturais e funcionais dos materiais em todas as escalas de comprimento, a partir da escala nanométrica, afim de obter produtos e processos úteis. Por isso, entender as leis a que os fenómenos obedecem nas diferentes escalas de comprimento é fundamental!
Para mais informação verhttp://w3.ualg.pt/~jlongras/Entrevista-Mundus.pdf
As lições para levar para casa
A Revolução Nanotecnológica53
quarta-feira, 6 de Junho de 2007
Ufa!
Finalmente!
(… pensam vocês …)
Fim!