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N ANOCARROS Instituto de Fsica Universidade de So Paulo Introduo Nanocincia e Nanotecnologia Professora Helena Maria Petrilli 19 de maio de 2011 Aline Yuri Nakamura n USP 5643841 1

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NDICE 1.Aplicaes 2.Definio 3.Como funciona 4.Experimento 5.Concluso 6.Bibliografia 2

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P OR QUE N ANOCARROS ? Criar sistema molecular artificial que imita algumas propriedades de motores biolgicos Diagnstico no corpo humano Remoo de tumores Construo de circuitos eletrnicos ultraminiaturizados Nanorrobs Mquinas miniaturizadas Construir mquinas a partir de molculas de modo muito parecido com o que a natureza faz, tornando-as capazes de desempenhar tarefas especficas nos organismos vivos 3

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Duas abordagens: i.Top-Down: reduz o tamanho de objetos macroscpicos (fotolitografia e tcnicas relacionadas) ii.Bottom-up: constri funcionais macro ou nanoscpicos a partir de blocos moleculares, utiliza-se da propriedade qumica de molculas para organizar ou montar uma estrutura N ANOMQUINAS NANOCARROS 4 Dispositivos que permitem i.Movimento mecnico controlado ii.Transporte de nanocargas

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O QUE SO N ANOCARROS ? 2005: Rice University Professores James M. Tour e Kevin Kelly Problema: movimentar fulerenos sobre superfcies metlicas Terceira forma mais estvel do carbono Nanomolculas aromticas Altamente simtricas Mais conhecido: C 60 dimetro de 1nm C 60 Buckminsterfullereno: 12 pentgonos e 20 hexgonos Tambm conhecido como futeboleno 5

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A MOLCULA Imagem da Rice University Office of Media Relations (Dr. Kevin Kelly) Imagem da Rice University (Prof James M Tour Group) Chassi Rodas 3 a 4 nm 6

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R OLAMENTO DAS R ODAS Estrutura com movimento direcional controlado em uma superfcie devido ao rolamento das rodas transporta carga de um ponto A a um ponto B No h o comportamento stick-slip Rolamento das rodas: acontece atravs de estmulo externo (como campo eltrico) e devido ligao do fulereno com o restante da estrutura o nanocarro tem a habilidade de rolar na superfcie alm de ter flexibilidade ortogonal ao plano da superfcie Para controlar o movimento do nanocarro utilizado o STM (microscpio eletrnico de tunelamento) 7

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8 STM-I MAGES M OTION O E XPERIMENTO, P ARTE I Nanocarros mantiveram-se estveis e estcionrios cobre uma superfcie de ouro em temperatura ambiente Estabilidade = grande fora de adeso entre o fulereno e o ouro (essa adeso entre os dois materiais j vem sendo observada e estudada anteriormente) Os nanocarros permaneceram parados at aproximadamente 170 C Nanocarros mantiveram-se estveis e estcionrios cobre uma superfcie de ouro em temperatura ambiente Estabilidade = grande fora de adeso entre o fulereno e o ouro (essa adeso entre os dois materiais j vem sendo observada e estudada anteriormente) Os nanocarros permaneceram parados at aproximadamente 170 C Fonte: Artigo Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars

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STM-I MAGES M OTION O E XPERIMENTO, P ARTE II Imagens (b) a (k): Tratamento trmico em ~200C, corrente de tunelamento de 200pA. A orientao do nanocarro determinada pela separao das rodas (fulerenos). Imagens (h) a (k): Tratamento trmico em ~225C, corrente de tunelamento de 200pA. Mostra o movimento de giro. 9 Fonte: Artigo Synthesis of Single-Molecule Nanocars

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STM-I MAGES M OTION O E XPERIMENTO, P ARTE II Vdeo da Rice University Prof James Tour Group ( http://www.jmtour.com/about/photos_graphics/nanocars/ ) http://www.jmtour.com/about/photos_graphics/nanocars/ 10

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11 STM um nico nanocarro a.O nanocarro puxado pela ponta do STM na direo perpendicular ao seu eixo quando a ponta do STM colocada na frente do nanocarro na direo do movimento (imagem ab) b.Quando a ponta foi colocada ao lado, a 90 do primeiro movimento, a estrutura no se moveu c.Sendo utilizada a mesma tcnica de a. o nanocarro se move STM um nico nanocarro a.O nanocarro puxado pela ponta do STM na direo perpendicular ao seu eixo quando a ponta do STM colocada na frente do nanocarro na direo do movimento (imagem ab) b.Quando a ponta foi colocada ao lado, a 90 do primeiro movimento, a estrutura no se moveu c.Sendo utilizada a mesma tcnica de a. o nanocarro se move STM-I MAGES M OTION O E XPERIMENTO, P ARTE III Fonte: Artigo Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars

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12 STM-I MAGES M OTION Empurrar o nanocarro com a ponta do STM no causa o movimento da molcula Atpico na manipulao molecular por STM, onde praticamente em todos os casos uma molcula orgnica empurrada pela ponta do STM Essa sequncia de manipulaes ilustra a forte preferncia direcional da molcula, movimentos perpendiculares aos eixos Resultado esperado para o fulereno Resultado: possvel controlar a direo de movimento em tamanho molecular de nanoestruturas dirigindo o rolamento, utilizando rodas de fulereno C-60 com eixos com base em alcinos (hidrocarbonetos acclicos)

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13 P RXIMOS P ASSOS.... Nanomotores similar ao nanocarro mas contendo uma estrutura que gera energia para o nanocarro se movimentar, por exemplo, energia a partir da luz, campo eltrico induzido entre outras Nanotrens vrios nanocarros acoplados Nanodragster movimento com maior velocidade Nanocarro frio por fluorescncia, permite o movimento em superfcies no condutoras de eletricidade e em temperatura ambiente (no utiliza STM)

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S CI F INDER V IDEO - N ANOCAR SciFinder: http://www.youtube.com/watch?v=lASdcW-BtiUhttp://www.youtube.com/watch?v=lASdcW-BtiU 14

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A GRADECIMENTO E R EFERNCIAS 1.G. Vives e J. M. Tour, Synthesis of Single-Molecule Nanocars, Accounts of Chemical Research, 473-487, 2009 2.Y. Shirai, A. J. Osgood, Y. Zhao, K. F. Kelly e J. M. Tour, Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars, Nano Letters, Vol. 5, No. 11, 2330-2334, 2005 3.A. V. Akimov, A. V. Nemukhin, A. A. Moskovsky, A. B. Kolomeisky e J. M. Tour, Molecular Dynamics of Surface-Moving Thermally Driven Nanocars, J. Chem. Theory Comput., 4, 652- 656, 2008 4.S. B. Legoas, R. Giro e D. S. Galvo, Molecular dynamics simulations of C60 nanobearings, Chemical Physics Letters, 384, 2004 5.G. Brunetto, F. Sato, X. Bouju e D. Galvo, The First Molecular Wheel: A Theoretical Investigation, MRS Fall Meeting, 2010 15 Agradecimento ao Prof Douglas Soares Galvo, professor titular do Departamento de Fsica Aplicada do IFGW da UNICAMP, que muito generosamente indicou algumas referncias utilizadas para a elaborao deste seminrio.

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R EFERNCIAS 1.R. Otero, F. Hmmelink, F. Sato, S. B. Legoas, P. Thostrup, E. Laegsgaard, I. Stensgaard, D. S. Galvo e F. Besenbacher, Lock-and-key effect in the surface diffusion of large organic molecules probed by STM, Nature Publishing Group, Vol. 3, 2004 2.Site: http://www.jmtour.com/about/photos_graphics/nanocars/ (14/mai/11) http://www.jmtour.com/about/photos_graphics/nanocars/ 3.Site: http://www.rice.edu/media/nanocar.html (14/mai/11) http://www.rice.edu/media/nanocar.html 4.Site: http://cnx.org/content/m14511/latest/ (14/mai/11) http://cnx.org/content/m14511/latest/ 5.Site: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=nanocarro-molecular-roda- livre&id=010165090209 (14/mai/11) http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=nanocarro-molecular-roda- livre&id=010165090209 16 MUITO OBRIGADA!

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17 ANEXOS

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18 A NEXO Fonte: Artigo Synthesis of Single-Molecule Nanocars

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19 A NEXO Fonte: Artigo Synthesis of Single-Molecule Nanocars

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20 A NEXO Prof Douglas Galvo et al: Molecular-Dynamics Simulations of Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators Molecular dynamics simulations of C60 nanobearings The First Molecular Wheel: A Theoretical Investigation