Nanotecnologia13 de Julho de 2012

Prof. Alfredo GoldmanGuilherme Otranto

Conteúdo

Introdução........................................................................................................................................2Definição..........................................................................................................................................2Materiais e Estruturas Nanométricas...............................................................................................3Fabricação de Nanotecnologias.......................................................................................................5

Abordagem Top-Down................................................................................................................5Abordagem Química...................................................................................................................6Construtor Molecular..................................................................................................................8

Nanotecnologia na Computação Móvel...........................................................................................8Nanotecnologia e Energia...........................................................................................................8Nanotecnologia e Hardware........................................................................................................9Nanotecnologia e Interface.......................................................................................................10

Nanotecnologia em Diferentes Áreas............................................................................................11Nanotecnologia e Medicina.......................................................................................................11Nanotecnologia e Meio Ambiente.............................................................................................12

Referências.....................................................................................................................................13Imagens.....................................................................................................................................14

Introdução

A nanotecnologia é o estudo e manipulação de estruturas com características medindo entre

1 e 100 nanometros. Nessa escala átomos e moléculas são manipulados para criação de

nanoestruturas úteis para diversas aplicações. Materiais nessa escala nanométrica adquirem

diferentes propriedades que são exploradas na criação de nanotecnologias.

O estudo desse campo começou na década de 80, após a invenção do microscópio eletrônico

de varredura. Esse microscópio é usado para gerar imagens de superfícies no nível atômico. Hoje o

estudo de nanotecnologias é considerado muito importante para o avanço científico e investimentos

consideráveis são feitos nessa área.

Aplicações existentes de nanotecnologias já são extremamente variadas, afetando diversas

áreas do conhecimento. O uso já abrange a computação, medicina e chega até na industria têxtil.

Futuramente podemos esperar ver nanotecnologia em praticamente todo produto usado no

cotidiano.

Definição

Como mencionado, a nanotecnologia é definida como o estudo e manipulação de estruturas

cujas características chegam a medir entre 1 e 100 nanometros. Com essa definição, é útil

considerarmos o que exatamente é 1 nanometro.

Um nanometro representa um bilionésimo de metro (1 x 10-9m), ou seja, um grão de areia de

1mm está para uma praia de 100Km assim como o nanometro está para o metro. Alguns objetos e

suas medidas em nanometros podem ajudar a visualização:

• Átomos de Hélio têm um diâmetro de 0.1nm. [1]

• Um ribossomo, estrutura celular que cria proteínas a partir de amino ácidos, mede cerca de

20nm.

• A largura de um cabelo humano mede em torno de 80,000nm.

É claro que um ribossomo ou um átomo de hélio não são considerados exemplos de

nanotecnologias. Consideramos nanotecnologias apenas estruturas deliberadamente criadas cujas

menores características tenham tamanho inferior a 100nm. A imagem a seguir mostra a escala de

algumas coisas naturais e outras criadas pelo homem.

Figura [1] – Scale of Things, a escala de diversos objetos naturais e artificiais.

Materiais e Estruturas Nanométricas

Uma das principais motivações para o estudo de nanotecnologias é o desejo de se explorar

diferentes propriedades que os materiais adquirem quando manipulados em escala nanométrica.

Essa mudança nas propriedades dos materiais ocorre apenas nessa escala e é atribuída ao grande

aumento da área de superfície em relação ao volume. Para colocar isso em perspectiva, um Kg de

partículas de 1mm3 tem a mesma área de superfície que 1mg de partículas de 1nm3.

Diversas propriedades diferentes podem ser observadas em nanopartículas, algumas dessas

mudanças são desejáveis e outras não. A nanomecânica é uma área da nanociência dedicada ao

estudo das propriedades mecânicas de sistemas físicos na escala nanométrica.

Por exemplo, nanopartículas de ouro se tornam solúveis pois as interações entre a superfície

da nanopartícula com o solvente são fortes o suficiente para descartar a diferença de densidade. A

solubilidade dessas nanopartículas já é usada na medicina diagnóstica. A absorção de radiação solar

por nanopartículas é muito maior, tornando-as importantes na construção de painéis solares.

Algumas mudanças não são desejáveis, por exemplo, alguns materiais ferromagnéticos

podem mudar a direção de sua magnetização[2], tornando-se inúteis para uso em memórias de

computador.

Existem diversos tipos de estruturas nanométricas sendo usadas atualmente. Algumas das

estruturas mais usadas vem da manipulação do grafeno. O grafeno é uma malha de átomos de

carbono conectados, com espessura de um único átomo. O tamanho de uma ligação entre dois

átomos de carbono nessa estrutura é de 0.142 nanometros[3], e essa malha pode ser estendida

indefinidamente.

O grafeno pode ser enrolado para formar tubos ou esferas. O nanotubo de carbono é uma

estrutura interessante tanto pela sua força física como pela suas propriedades elétricas. Essa

estrutura é um cilindro adquirido quando se enrola o grafeno em uma dimensão. Esses tubos podem

ser muito compridos, com o comprimento sendo até 100 milhões de vezes maior que o seu

diâmetro[4].

O grafeno também pode ser enrolado para formar a nanopartícula C60, uma esfera de

carbono medindo apenas 1.1nm[5].

Figura [2] – As 3 nanoestruturas de carbono mencionadas

Fabricação de Nanotecnologias

Existem diversas abordagens para a criação de nanotecnologias. Abordagens top-down

começam com elementos em escala macro e usam técnicas para esculpir detalhes nanométricos no

material. Essa forma de construção é usada atualmente na construção de chips de computadores

com transistores que medem menos de 100nm.

Outra abordagem é a que constrói nanoestruturas a partir de elementos mais simples usando

processos químicos. A técnica de depósito de camada atômica (atomic layer deposition) é uma

forma de se criar folhas de espessura molecular incrementalmente.

Uma terceira forma discutida é o montador molecular. A abordagem aqui seria construir

estruturas através da manipulação direta de moléculas. Uma possível aplicação dessa técnica seria a

construção de nanorobôs programáveis capazes de construir qualquer estrutura molecular possível,

usando moléculas e átomos como blocos de criação.

Abordagem Top-Down

A abordagem top-down para criação de nanotecnologias faz o uso de técnicas de erosão para

esculpir características nanométricas em materiais de escala macro. A fabricação de chips de

computadores usa essa abordagem.

A criação de chips de computadores usa como base uma chapa (ou wafer) de silício, nessa

base são depositados materiais que em seguida são erodidos de forma controlada formando as

características desejadas.

O processo pode ser descrito em 5 passos de forma pouco detalhada:

1. Usando como base um wafer de silício, deposita-se nele camadas de dióxido de silício e por

cima uma camada de material protetor.

2. Luz projetada sobre uma máscara é direcionada para o wafer através de uma lente, formando

o padrão da máscara repetidas vezes com o translado do wafer.

3. A luz remove a camada de material protetora expondo o material abaixo nos lugares onde a

máscara permitiu sua passagem.

4. Gases são usados para erodir as camadas inferiores onde o material protetor foi removido.

5. Os passos são repetidos até que finalmente se use um ciclo semelhante para adicionar

conexões metálicas entre os transistores.

Figura [3] – Detalhamento do processo de criação de chips

Esse é um processo muito delicado devido à escala em que se

trabalha. Durante a fabricação desses chips, qualquer micropartícula de

sujeira pode comprometer todo o processo. É por isso que atualmente a

fabricação de tais chips é feita em quartos protegidos com o ar filtrado e todo

pessoal usa roupas protetoras para impedir contaminação até pelas menores

partículas.

Esse método de fabricação de chips consegue gerar transistores de

tamanho inferior a 100 nanometros desde 2002. Hoje em dia os transistores

já são fabricados com tamanho inferior a 25 nanometros. Uma extrapolação

pode ser feita para contemplar o tamanho que esses transistores vão ter no

futuro, chegando em 4 nanometros por volta de 2022.

Devido ao tamanho dos átomos envolvidos no processo, não se

acredita que tamanhos inferiores à esses serão alcançados algum dia.

Abordagem Química

A abordagem química se utiliza de processos químicos conhecidos para montar estruturas a

partir de componentes menores, como átomos e moléculas. O estudo das substâncias em escala

macro pode ajudar a prever as reações que ocorrem entre substâncias na escala nanométrica. Com

isso é possível direcionar a criação de componentes através de reações químicas esperadas.

Nanotecnologia de DNA usa a estrutura de pareamento bem conhecida do DNA para criar

estruturas bem definidas usando cadeias de DNA. Um exemplo de tal estrutura é o tetraedro de

DNA, onde cada aresta do tetraedro consiste de uma hélice de DNA com 20 pares de bases.

Uma abordagem química que vem sendo usada também na construção de chips de

computadores é a técnica de depósito de camada atômica (ALD). Essa técnica é usada para

depositar o material no wafer de silício e é capaz de gerar camadas atômicas.

Durante a ALD uma chapa é exposta em ambiente controlado à um gás que reage com o

material da chapa, acoplando-se nela. Depois dessa exposição o gás restante é removido, ficando

apenas a camada que se acoplou ao material da chapa.

Esse princípio é repetido com outro reagente que se acopla à nova camada gerada e o ciclo

se repete quantas vezes se for necessário. A cada passo uma quantidade constante de material é

adicionado a chapa, pois o gás reage com a camada externa existente mas não com deposito gerado

pela sua reação.

O depósito de material sobre uma chapa base pode ser

descrito em quatro passos:

1. Exposição da chapa ao primeiro gás, uma camada se

forma na superfície da chapa.

2. Expulsão do primeiro gás do ambiente controlado de

reação.

3. Exposição do segundo gás, que reage com a superfície

formando nova camada de depósito.

4. Expulsão do segundo gás do ambiente de reação.

Esses quatro passos podem ser repetidos até que a

camada formada tenha a espessura desejada, visto que o primeiro

gás reage com a camada criada no passo 3.

A figura [4] ao lado mostra de forma esquematizada o processo completo.

Uma desvantagem dessa técnica é o tempo necessário para a criação de cada camada. Como

a cada passo é necessário esperar que a reação ocorra, um processo com muitos passos acaba

ficando demorado. Esse problema fica mais controlado com o avanço da tecnologia pois a espessura

desejada das camadas (e portanto o número de ciclos necessários) fica cada vez menor.

Construtor Molecular

Essa é uma área mais especulativa da nanotecnologia, onde se discute os potenciais avanços

e quais impactos eles teriam no mundo. Em particular o foco não está em estudar formas de se

chegar nas invenções discutidas, mas sim em quais seriam os impactos de tais invenções.

O santo-graal da nanotecnologia seria a capacidade de manipular átomos e moléculas e criar

a partir deles qualquer estrutura possível. É claro que existem diversos problemas, como por

exemplo a dificuldade de se manipular moléculas usando outras moléculas de tamanho semelhante.

Imagina-se também a criação de nanorobôs capazes de manipular átomos e moléculas para

criar outras estruturas. Em um cenário mais apocalíptico esses robôs seriam capazes de se

autoduplicarem e isso geraria uma reação em cadeia que acabaria com toda matéria do planeta.

Nanotecnologia na Computação Móvel

A computação móvel é um campo que se beneficia muito dos avanços feitos em

nanotecnologias. O processamento e memória de dispositivos móveis vem aumentando devido ao

uso de técnicas da nanotecnologia durante a criação de chips eletrônicos. O consumo de energia

diminui com o uso de nanomateriais e a capacidade das baterias aumenta. A resistência física dos

aparelhos aumenta e até mesmo a interface com o usuário ganha novas possibilidades.

A seguir serão explorados alguns dos avanços da nanotecnologia e como eles impactam a

computação móvel.

Nanotecnologia e Energia

Existem dois principais impactos da nanotecnologia quando pensamos em energia: redução

do consumo e aumento da capacidade de geração/armazenamento.

Existem diversos estudos com avanços promissores nesses dois aspectos. A seguir veremos

apenas alguns exemplos de avanços feitos nessa área.

Pesquisadores da Universidade de Illinois conseguiram diminuir o custo energético de trocar

a fase de um PCM (Phase-Change Material) fazendo o controle do bit usando nanotubos de

carbono. Essa configuração consegue troca de bits duas ordens de magnitude melhor que o atual

estado da arte[6].

Na universidade de Ryce pesquisadores conseguiram criar um fio que oferece baixa

resistência, diminuindo a perda de energia durante o transporte. Esse fio contém nanotubos de

carbono, responsáveis pela diminuição da resistência[7].

Uma bateria que consegue armazenas até 10 vezes mais energia no mesmo volume foi

desenvolvida em Stanford utilizando nanofios de silício. Os nanofios absorvem o lítio mas não se

rompem, diferente das paredes de silício macroscópicas das baterias convencionais que podem se

romper e degradam a bateria[8].

Uma bateria com tempo de recarga reduzido foi construída revestindo os eletrodos com uma

nanoestrutura de titânio revestido de silício, aumentando a condutividade e portanto diminuindo o

tempo de recarga. Esse estudo foi feito na universidade de Boston e o tempo de recarga resultante

era entre 5 e 10 vezes menor do que baterias convencionais[9].

Existem também estudos interessantes na área de geração de energia. Uma malha de

nanotubos que coleta a energia térmica[10], roupa de nanofibras que coletam energia motora do

usuário[11], e diversas técnicas para diminuir o custo e aumentar o rendimento de painéis solares.

Nanotecnologia e Hardware

Processadores cada vez mais rápidos e memórias cada vez mais densas são os dois maiores

impactos da nanotecnologia no hardware de dispositívos móveis. Outras inovações como aparelhos

mais resistentes e materiais que não sujam com facilidade também estão começando a aparecer no

mercado de dispositivos móveis.

O tamanho que se consegue fazer transistores hoje já chegou numa escala nanométrica, com

transistores tão pequenos quanto 22nm sendo produzidos e disponibilizados no mercado. Com a

redução do tamanho do transistor os processadores ganham cada vez mais velocidade.

O uso de nanomateriais na criação de memórias aumenta cada vez mais a densidade de

memória disponível, as velocidades de leitura e escrita também são impactadas.

Materiais superhidrofóbicos – que repelem a água – têm

sido feitos criando-se rugosidades de escala nanométrica na

superfície de objetos. Tratamentos feitos na tela de dispositivos

móveis tornam sua superfície superhidrofóbica e portanto muito

fácil de manter limpa. A figura [5] ao lado mostra um tênis que foi

tratado com uma película superhidrofóbica repelindo a calda de

chocolate que normalmente grudaria na superfície dele.

Figura [6] – Superfície superhidrofóbica

Nanotecnologia e Interface

Um aspecto muito importante de qualquer dispositivo móvel é a interface com o usuário.

Algumas grandes inovações vem ocorrendo nessa área devido à avanços da nanotecnologia.

O maior impacto da nanotecnologia na interface com o usuário vem na forma de mudanças

no display dos dispositivos. Em particular, o desenvolvimento do OLED (organic light-emmiting

diode) permite criação de displays flexíveis e transparentes.O OLED consiste em uma camada de

composto orgânico que emite luz em resposta a uma corrente elétrica.

Diferente do LED, o OLED não necessita de uma fonte de luz (backlight) alinhada para

gerar luz, isso permite que sejam criados displays flexíveis usando OLEDs. Em particular o

processo de montagem pode ser feito em temperaturas mais baixas, permitindo que o display seja

feito em materiais que derreteriam em temperaturas mais elevadas, como plástico.

A estrutura do OLED é transparente e ele fica invisível quando está desligado. Devido à essa

propriedade displays transparentes podem ser criados usando OLEDs.

O uso de OLEDs permitirá diversos avanços muito interessantes na computação móvel,

como por exemplo o vidro inteligente do carro, óculos de realidade aumentada, dispositivos com

tela grande que se enrola em um pequeno tubo e diversos outros.

Figura [7] – OLED

Algumas outras vantagens do OLED:

• Pixels inativos em um display não consomem energia nenhuma

• Maior flexibilidade do material do display pode diminuir o custo em materiais

• Displays em plástico tem um peso reduzido

• Tempo de resposta mais elevado

Algumas desvantagens do OLED:

• Vida útil reduzida. Atualmente a vida útil de um display OLED é metade do esperado para

um display tradicional de LCD

• O consumo de energia é imprevisível, mas numa tela predominantemente branca o gasto

chega a ser 3 vezes maior

• O custo de produção atualmente é maior que o de displays tradicionais.

Nanotecnologia em Diferentes Áreas

Os impactos da nanotecnologia não estão restritos em uma única área. Na realidade

podemos ver avanços nanotecnológicos impactando incontáveis áreas do conhecimento.

Apesar do foco em computação móvel desse texto, alguns estudos em outras áreas merecem

ser mencionados. Os princípios envolvidos em breve serão usados na computação móvel e

dispositivos móveis inovadores, como um sequenciador de DNA portátil, podem ser frutos desses

estudos.

Nanotecnologia e Medicina

A medicina é uma área que se beneficia enormemente da nanotecnologia. Existem estudos

com resultados excelentes abrangendo desde a medicina diagnóstica até a terapêutica. Alguns

estudos representativos serão citados a seguir, mas vale mencionar que um número interminável de

estudos será omitido por questão de viabilidade de espaço.

Avanços no sequenciamento de DNA usando nanoporos fazem com que o mapeamento do

DNA fique mais barato e rápido. Uma única cadeia de DNA é puxada magneticamente por um

nanoporo e enquanto ele passa é possível usar o campo magnético para descobrir qual base está

passando. Por não ser um processo químico essa técnica tem potencial de ficar cada vez mais rápida

e barata[12].

Figura [8] – Sequenciamento de DNA utilizando nanoporos

Nanopartículas de ouro podem diagnosticar gripe em minutos usando técnica desenvolvida

por pesquisadores da universidade da Georgia. As nanopartículas se acoplam ao vírus, então a

presença do vírus pode ser detectada medindo-se a quantidade de luz refletida de uma amostra, que

é maior quando existe vírus pois as nanopartículas ficam aglomeradas[13].

Os radicais livres gerados durante uma reação alérgica podem ser capturados por

nanoesferas de carbono, reduzindo a inflamação decorrente de reação alérgica[14].

Algumas nanopartículas que se acoplam a células cancerígenas podem ser ativadas por

raios-X e gerar elétrons que destroem a célula. A intenção é usar esse tratamento no lugar de

radiação, diminuindo o dano causado ao tecido[15].

Nanotecnologia e Meio Ambiente

Diversas aplicações da nanotecnologia ajudam na conservação do meio ambiente. Algumas

aplicações reduzem a quantidade de poluição gerada e recursos consumidos, já outras são usadas

para limpar áreas poluídas ou gerar mais energia.

Os exemplos a seguir tentam passar uma ideia da diversidade de estudos e projetos que

utilizam a nanotecnologia para cuidar do meio ambiente.

O uso de nanofilamentos de silício em painéis solares diminuem o seu custo de fabricação e

aumentam consideravelmente a eficiência deles[16]. Esse é apenas um de diversos projetos cujo

resultado foi melhorar o desempenho e custo de painéis solares.

O uso de tubos de nanocarbono nas hélices de moinhos de vento melhoram o seu

desempenho por diminuir o peso e aumentar a resistência[17].

Existe uma membrana com nanoporos que pode ser colocada nas chaminés de fábricas para

filtrar o CO2 emitido[18].

Nanopartículas de ferro se acoplam a solventes orgânicos na água, levando-os para o fundo e

efetivamente limpando a água. A vantagem dessa técnica é que não é necessário fazer a coleta da

água para limpá-la, tornando o processo mais barato[19].

Referências[1] Determination of the size and distribution of size of particle by centrifugal methods

Svedberg, The; Nichols, J. Burton

[2] Sergey P. Gubin (2009). Magnetic nanoparticles. Wiley-VCH

[3] Raji Heyrovska (2008). "Atomic Structures of Graphene, Benzene and Methane with Bond

Lengths as Sums of the Single, Double and Resonance Bond Radii of Carbon"

[4] Wang, X.; Li, Qunqing; Xie, Jing; Jin, Zhong; Wang, Jinyong; Li, Yan; Jiang, Kaili; Fan,

Shoushan (2009). "Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon

Nanotubes on Clean Substrates"

[5] Qiao, Rui; Roberts, Aaron P.; Mount, Andrew S.; Klaine, Stephen J.; Ke, Pu Chun.

"Translocation of C60 and Its Derivatives Across a Lipid Bilayer"

[6] Low-Power Switching of Phase-Change Materials with Carbon Nanotube Electrodes

Feng Xiong, Albert D. Liao, David Estrada and Eric Pop

[7] Advanced Electricity Infrastructure Workshop, Rice University

http://gcep.stanford.edu/pdfs/iq9bO_1Ib0rRuH_ve0A2jA/Pasquali-20071102-GCEP.pdf

[8] Stanford University Press Release; December 18, 2007

http://news.stanford.edu/pr/2007/pr-nanowire-010908.html

[9] Boston University, News Release, February 15, 2010

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl903345f

[10] University of Texas at Dallas; News Release February 26, 2010

http://www.utdallas.edu/news/2010/2/26-1381_Nanotube-Thermocells-Hold-Promise-as-Energy-

Source_article.html

[11] UC Berkely, Press Release February 12, 2010

http://newscenter.berkeley.edu/2010/02/12/electric_nanofibers/

[12] Robert F. Service and Elizabeth Pennisi, DNA Sequencing, Without the Fuss

http://news.sciencemag.org/sciencenow/2012/03/dna-sequencing-without-the-fuss.html

[13] University of Georgia News Release; August 3, 2011

http://news.uga.edu/releases/article/Researchers-use-gold-nanoparticles-to-diagnose-flu-in-minutes/

[14] Virginia Commonwealth University News Release: June 20, 2007

http://www.news.vcu.edu/news/Researchers_Develop_Buckyballs_to_Fight_Allergy

[15] Nanobiotix Press Release; July 2009

http://cbst.ucdavis.edu/research/nanoparticle-enhanced-x-ray-therapy

[16] University of Minnesota; Press Release: June 17, 2010

http://www1.umn.edu/news/news-releases/2010/UR_CONTENT_211711.html

[17] Polyurethane reinforced with carbon nanotubes outperforms currently used materials

http://www.eurekalert.org/pub_releases/2011-08/cwru-rba083011.php

[18] NanoGlowa Article

http://nanoglowa.com/membranes.html

[19] Characterization and Properties of Metallic Iron Nanoparticles:

Spectroscopy, Electrochemistry, and Kinetics - Environ. Sci. Technol., 2005

Imagens[1] Imagem “Scale of Things” criada pelo Office of Basic Energy Sciences (BES), disponível em:

http://science.energy.gov/bes/news-and-resources/scale-of-things-chart/

[2] Imagem das 3 nanoestruturas de carbono, formada por 3 imagens pertencentes ao repositório

wikimedia commons: http://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page

[3] Imagem do ciclo de desenvolvimento de microchips, do post “Introduction of the semiconductor

processing” disponível em: http://blog.associatie.kuleuven.be/danhuayao/2010/02/

[4] Imagem do ciclo de Atomic Layer Deposition, disponível pela Science & Technology em:

https://str.llnl.gov/AprMay09/biener.html

[5] Image do tênis com tratamento superhidrofóbico do vídeo de demostração do NeverWet,

desenvolvido pela Ross Nanotechnology: http://www.neverwet.com/

[6] Imagem de superfície superhidrofóbica, pertencente ao repositório wikimedia commons.

[7] Imagem de um OLED, pertencente ao repositório wikimedia commons.

[8] Imagem do sequenciamento de DNA, disponível em: http://www.nanoporetech.com/