AVANÇOS E APLICAÇÕES DE NANOTECNOLOGIAS · • O termo “nanotecnologia” foi definido pelo...

AVANAVANÇÇOS E APLICAOS E APLICAÇÇÕES DE NANOTECNOLOGIAS ÕES DE NANOTECNOLOGIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICAUNIVERSIDADE DE TAUBATÉ

EVANDRO LUÍS NOHARA, Dr.

INOVAINOVAÇÇÃO, TECNOLOGIA E ÃO, TECNOLOGIA E SUSTENTABILIDADE PARA O SUSTENTABILIDADE PARA O

DESENVOLVIMENTODESENVOLVIMENTO

AVANAVANÇÇOS E APLICAOS E APLICAÇÇÕES ÕES DE NANOTECNOLOGIAS DE NANOTECNOLOGIAS


2º. Semestre/2007


A Nanotecnologia estA Nanotecnologia estáá sendo sendo anunciada como a anunciada como a basebase da da

prpróóxima revoluxima revoluçção industrial.ão industrial.

ÉÉ uma tecnologia nova euma tecnologia nova emuito poderosa.muito poderosa.


NANOTECNOLOGIA

FísicaBiologiaQuímica

MatemáticaEngenharia


AlgunsAlguns materiais sofrem materiais sofrem alteraalteraçções nas suas ões nas suas

propriedades fpropriedades fíísicas e/ou sicas e/ou ququíímicas quando reduzido a micas quando reduzido a dimensões nanomdimensões nanoméétricas. tricas.


- Nannos (grego): homem velho pequeno- Nano: termo técnico de medida, 1 bilionésimo de algo (10-9)

- Tecnologia (derivado do grego): aplicação do método científico em objetivos comerciais

Em termos gerais “nanotecnologia” é a manipulação de coisas excepcionalmente pequenas, aproximadamente em escala atômica, com um objetivo comercial.


Diâmetro do fio de cabelo humano:

80.000 nm ou 80 mDiâmetro fibra de carbono:

7.000 nm ou 7,0 m


Móleculas de água no estado líquido, formando pontes de hidrogênio (verde) entre átomos de hidrogênio (branco) e oxigênio (vermelho).


Definição: nanotecnologia envolve o projeto, caracterização, produção e

aplicação de estruturas e sistemas pelo controle da forma e tamanho

em escala nanométrica (1-100 nm).


Linha do Tempo-Uma breve descrição-


- Século 4 -

“The Lycurgus Cup”. Provavelmente feito em Roma, é um exemplo de vidro dicróico –contém ouro e prata em escala nanométrica, que o torna verde opaco quando visto

externamente, mas quando há uma fonte de luz no seu interior, aparece a cor vermelha.


- Séculos 6 a 15 -


- Séculos 9 a 17 -

Cerâmicas com nanopartículas de prata, cobre e outro.


- Séculos 13 a 18 -

Espada de Damasco.

5 nm

Microestrutura mostra nanofios de cementita encapsuladas por nanotubos de carbono (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer. Nature. 444, 286, 2006)


- 1857 -•• Michael Faraday descobre o ouro coloidal Michael Faraday descobre o ouro coloidal ““rubirubi””, baseado em , baseado em

nanopartnanopartíículas de ouro.culas de ouro.

(Gold Buletin 2007. 40, 4, (Gold Buletin 2007. 40, 4, p.267)p.267)


•• A origem da idA origem da idééia de ia de nanotecnologia nanotecnologia éé atribuatribuíído ao do ao Prêmio Nobel Richard Feynman em Prêmio Nobel Richard Feynman em uma palestra em 1959 (CALTECH), uma palestra em 1959 (CALTECH), intitulada intitulada ““ThereThere´́s a plenty of s a plenty of room in the bottomroom in the bottom””: :

““ The principles of physics, as far as The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the I can see, do not speak against the possibility of maneouvring things possibility of maneouvring things atom by atom.atom by atom.””

- 1959 -


- 1959 -•• A origem da idA origem da idééia de ia de

nanotecnologia nanotecnologia éé atribuatribuíído ao do ao Prêmio Nobel Richard Feynman em Prêmio Nobel Richard Feynman em uma palestra em 1959 (CALTECH), uma palestra em 1959 (CALTECH), intitulada intitulada ““ThereThere´́s a plenty of s a plenty of room in the bottomroom in the bottom””: :


•• O termo O termo ““nanotecnologiananotecnologia”” foi definido pelo foi definido pelo Professor Norio Taniguchi (Tokyo Science Professor Norio Taniguchi (Tokyo Science University) em um artigo em 1974:University) em um artigo em 1974:

““Nanotecnology mainly consists of the Nanotecnology mainly consists of the processing of separation, consolidation processing of separation, consolidation and deformation of materials by on atom and deformation of materials by on atom or one moleculeor one molecule””..

- 1974 -


- 1981 -

•• O microscO microscóópio eletrônico de tunelamento foi inventado em pio eletrônico de tunelamento foi inventado em 1981 por Gerd Binning e Heinrich Rohrer no Laborat1981 por Gerd Binning e Heinrich Rohrer no Laboratóório da rio da IBM (SuIBM (Suíçíça), e permite visualizar regiões com alta densidade a), e permite visualizar regiões com alta densidade de elde eléétrons e consequentemente inferir a positrons e consequentemente inferir a posiçção de ão de áátomos tomos e mole molééculas na superfculas na superfíície de um material.cie de um material.


- 1981 -

•• O microscO microscóópio eletrônico de tunelamento foi inventado em pio eletrônico de tunelamento foi inventado em 1981 por Gerd Binning e Heinrich Rohrer no Laborat1981 por Gerd Binning e Heinrich Rohrer no Laboratóório da rio da IBM (SuIBM (Suíçíça), e permite visualizar regiões com alta densidade a), e permite visualizar regiões com alta densidade de elde eléétrons e consequentemente inferir a positrons e consequentemente inferir a posiçção de ão de áátomos tomos e mole molééculas na superfculas na superfíície de um material.cie de um material.

SuperfSuperfíície do ouro (111)cie do ouro (111)


- Início década 1980 -

•• O desenvolvimento dos O desenvolvimento dos ““quantum dotsquantum dots”” éé atribuatribuíído do àà dois dois laboratlaboratóórios: Bell Laboratories e Yoffe Institute (São rios: Bell Laboratories e Yoffe Institute (São Petersburgo). Os Petersburgo). Os ““quantum dotsquantum dots”” são cristais nanomsão cristais nanoméétricos de tricos de materiais semicondutores.materiais semicondutores.

•• Originalmente foi observado que soluOriginalmente foi observado que soluçções de diferentes ões de diferentes tamanhos de quantum dots (feitos do mesmo material) tem tamanhos de quantum dots (feitos do mesmo material) tem diferentes cores. Estas diferendiferentes cores. Estas diferençças as óópticas foram exploradas pticas foram exploradas em imageamento mem imageamento méédico e lasers.dico e lasers.


- 1985 -

•• Os fullerenos são formas esfOs fullerenos são formas esfééricas, elipsricas, elipsóóides ou em ides ou em tubo. Os fulerenos esftubo. Os fulerenos esfééricos são denominados ricos são denominados buckyballs, e o tipo Cbuckyballs, e o tipo C6060 possui a forma de uma bola de possui a forma de uma bola de futebol (pentfutebol (pentáágonos, hexgonos, hexáágonos e gonos e ààs vezes hepts vezes heptáágonos).gonos).

•• As aplicaAs aplicaçções incluem cosmões incluem cosmééticos e farmacêuticos, ticos e farmacêuticos, lubrificantes para motores e eletrônicos.lubrificantes para motores e eletrônicos.


- 1986 -

““ Nanotechnology is the principle of atom Nanotechnology is the principle of atom manipulation atom by atom, through control manipulation atom by atom, through control of the structure of matter at the molecular of the structure of matter at the molecular level. It entails the ability to build molecular level. It entails the ability to build molecular systems with atomsystems with atom--byby--atom precision, atom precision, yielding a variety of nanomachines.yielding a variety of nanomachines.””

•• Se Richard Feyman foi o filSe Richard Feyman foi o filóósofo, Drexler foi o profeta. sofo, Drexler foi o profeta.


- 1989 -

•• 35 35 áátomos de gtomos de gáás xenônio sobre uma superfs xenônio sobre uma superfíície de ncie de nííquel quel (baixas temperaturas) (baixas temperaturas) –– desenvolvido pelo cientista Don desenvolvido pelo cientista Don Eigler da IBM com um microscEigler da IBM com um microscóópio eletrônico de tunelamento. pio eletrônico de tunelamento.

•• Essa imagem percorreu o mundo...Essa imagem percorreu o mundo...


- 1991 -

•• Descoberto em 1991 por Sumio Iijima (NEC), os nanotubos de carbono são essencialmente folhas enroladas de grafite, single ou multi-walled. São 50-100 x mais resistentes que o aço e 6 x mais leves.


- 1992 -

•• Primeiro livro texto é publicado


What is Nanotechnology?

19/06/2000


Uma fração significativa de prêmios Nobel em Física, Química e Medicina, nestes últimos 10 anos, foram oferecidos a descobertas realizadas por pesquisas na nanoescala.


•• Os primeiros livros nesta Os primeiros livros nesta áárea foram tratados por muitos como rea foram tratados por muitos como ““ficficçção cientão cientííficafica””. Entretanto, muitas de suas previsões j. Entretanto, muitas de suas previsões jáá são são realidade.realidade.

•• Quantidade de livros relacionados com o tema Quantidade de livros relacionados com o tema nanotecnologia na amazon.com: nanotecnologia na amazon.com:

Junho 2005: 421Junho 2005: 421

Junho 2006: 556Junho 2006: 556

Outubro 2007: 5713*Outubro 2007: 5713*

Outubro 2010: 3523*Outubro 2010: 3523*

Maio 2011: 3810*Maio 2011: 3810*

Novembro 2012: 4782*Novembro 2012: 4782*

Julho 2005*Professional & Technical*Professional & Technical


http://www.nature.com/nnano/journal/v5/n12/full/nnano.2010.216.html


Alguns exemplospráticos


Quando rasgamos um pedaço de folha de alumínio em faixas minúsculas, estas ainda vão se comportar como o alumínio conhecido – mesmo quando as faixas são tão finas que só podem ser vistas ao microscópio.

Alumínio


Porém, se continuarmos a cortá-las ainda mais finas, quando chegarem à dimensão de apenas 20 ou 30 nanômetros, os pedaços podem explodir.

Alumínio em nanopartícula

Al (16%, combustível), Fe (0,2%, catalisador), NH4ClO4

(70%, oxidante), aglutinante (12%), epóxi (2%)


Prata

- Possui propriedades bactericidas.- Utilização em filtros de água, recipientes para armazenamento de alimentos, etc.

Alexandre, o GrandeDólar de prata


Prata em nanopartícula

- Maior ação bactericida em relaçãoà prata “convencional”!

- Maior durabilidade!


Óxido de magnésio (MgO)

- Cor branca padrão- Refletor em instrumentos ópticos- Refratário (tijolos)- Relativamente inerte


Óxido de magnésio em nanopartícula (MgO)

- Biocida- Fungicida


Dióxido de titânio (TiO2)

- Pigmento branco de muitas tintas- Protetor solar (refletor UV)- Corante p/ indústria alimentícia, couro, cerâmica, plástico e papel, entre outras.


Dióxido de titânio em nanopartícula (TiO2)

- É transparente!- Protetor solar (refletor UV): é transparente e a eficiência é maior com uma quantidade menor.



http://www.prlog.org/10105760-self-cleaning-nanotechnology-solution-for-todays-pollution.html


Dióxido de titânio em nanopartícula (TiO2) incorporado em vidros automotivos

- Repele água e sujeira.- Testes em campo mostraram que não foi preciso

limpar o pára-brisa por 1 ano.


• Os catalisadores são talvez o primeiro produto industrial na área de nanotecnologia

• Partículas de Pt com diâmetro de 2-20 nm em substratos com alta área superficial (Al2O3, SiO2)

Automotive catalystAutomotive catalyst

Pt


As propriedades dos materiais em nanoescala diferem significativamente

das suas partículas grandes com amesma composição química.

As nanopartículas podem ser quimicamente mais reativas do que

as partículas grandes!


No nível nanométrico nem todos os materiais sofrem essas alterações em suas propriedades físicas e químicas, mas o fato de que isso ocorra a alguns deles pode ser uma enorme vantagem.


É como se encolhêssemos um gato cada vez mais até que, de

repente, ele vira um cão.


A nanotecnologia está sendo empregada na resolução de desafios críticos para a humanidade:

- Energia limpa e renovável- Fornecimento de água limpa- Melhora da saúde e longevidade- Cura e preservaçao do meio ambiente- Tornar a tecnologia de informação disponível para todos

- Desenvolvimento espacial


Nanotecnologia: A Próxima Revolução

Industrial

AVANAVANÇÇOS E APLICAOS E APLICAÇÇÕES DE NANOTECNOLOGIAS ÕES DE NANOTECNOLOGIAS Im

pact

o da

s te

cnol

ogia

s na

soci

edad

e

1800 1900 2000

Têxtil VaporEngenharia Produção e

consumo em massa

Qualidade

Motor de combustãointerna

Motor Elétrico

Informação / Telecomunicações

BiotecnologiaMicrotecnologiaNanotecnologia


2009 2010 2011 2012 2013 2014 20150,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

U$

trilh

ão

Ano

Impacto das nanotecnologias na economia global

Fonte: Lux Research, 2010.


Em 2011 haviam 1014 produtos baseados em nanotecnologia no mercado, produzidos por 484 empresas, localizadas em 24 países*.

*Austrália, Canadá, China, Dinamarca, Finlândia, França, Alemanha, Israel, Itália, Japão, Coréia do Sul, Malásia, México, Holandam Nova Zelândia, Noruega, Filipinas, Cingapura, Suécia, Suiça, Taiwan, Tailândia, Reino Unido, Estados Unidos, Áustria, República Tcheca, Lituânica, Polônia, Índia.

The Project on Emerging Nanotechnologies Tracks.


• Os principais esforços em P&D de nanotecnologia no mundo estão sendo realizados pelas empresas “Fortune 500”


•• As 3 empresas que mais investem em As 3 empresas que mais investem em nanotecnologia no mundonanotecnologia no mundo


Nanotecnologia:Nanotecnologia:amigo ou inimigo?amigo ou inimigo?


Em torno dessa Em torno dessa ““euforiaeuforia””, h, háátambtambéém sm séérios questionamentos rios questionamentos

sobre as dimensões polsobre as dimensões polííticas, ticas, sociais, e impactos nas sociais, e impactos nas ááreas de reas de

sasaúúde e meio ambiente.de e meio ambiente.


Na Alemanha houve um escândalo em 2006 porque foi utilizado um produto em aerossol desinfetante de banheiros chamado “Mago Nano”cuja propriedade agregada pela nanotecnologia era um maior poder bactericida residual.


O escândalo surgiu porque cerca de 70 pessoas, que utilizaram o produto, foram internadas com água nos pulmões. Apesar de os fabricantes de “Mago Nano”assegurarem que este desastre não ter sido causado por eles, mas sim pela substância volátil utilizada para dar o efeito aerossol.


“Em 2004, a toxicóloga Eva Oberdörster registrou danos cerebrais em peixes achigãs (Micropterus salmoides) que foram colocados em água que continha buckyballs em uma concentração de 500 partes por bilhão.



- É transparente!- Protetor solar (refletor UV): é transparente e a eficiência é maior com uma quantidade menor.


- A prata bioacumula fortemente na água do mar!- Somente o mercúrio bioacumula mais.- Concentrações de prata no fitoplâncton: 10.000 – 70.000 x maior que a concentração de prata na água.


Não há dados = Não há problema =

Consumidor assume o risco


A Comissão Real Britânica em Poluição Ambiental (RCEP) estima que pode

levar 15 anos para desenvolver protocolos de teste para avaliação

segura de nanomateriais*.

*Publicado em 2009


[email protected]


Fonte: http://www.nano.gov/nanotech-101/special


Em nanomateriais, a maioria dos seus átomos está na superfície das partículas.

Em materiais convencionais, a grande maioria dos seus

átomos está localizado no bulk.


2007

O Brasil investiu cerca de U$ 70 milhões, mas precisaria investir U$ 400 milhões/ano para conseguir explorar 1% do mercado internacional

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