viagem da nanotecnologia

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 [email protected]

Centro de Electrónica, Optoelectrónica e TelecomunicaçõesDepartamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia

Universidade do Algarve(http://w3.ualg.pt/~jlongras/palestras.html)


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Deus criou o mundo …

… a Nanotecnologia promete aperfeiçoá-lo.


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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


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Produtos que não existiam há 30 anos


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Ábaco (875 d. C.)

Primeiros computadores


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Régua de cálculo (1600 d.C.)



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Calculadora multi-funcional – Babbage (1822)



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ENIAC - U.S. Army (1946)



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O transístor e o circuito integrado

Válvula de vácuo

1947

Primeiro transístor

Esquema do transístor

Circuito integrado

Antes do transístor

Dopar

semicondutores


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Quão pequeno é aquilo de que estamos nós a falar?

Nano+tecnologia


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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?


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Fonte: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm

1 metro 10 centímetros

Do metro ao centímetro …


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1 centímetro 1 milímetro

Do centímetro ao milímetro …


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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.


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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.


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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.


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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.


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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.


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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.


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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.


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A escala das coisas nano….

Nano+tecnologia


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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 …


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1 nanómetro (alguns átomos)

O nanómetro …


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Luz (fís.) designação que compreende não só as radiações visíveis mas também as radiações electromagnéticas invisíveis; (do lat. luce-, «id.»).


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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)


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Nanotecnologia …

como “começou”?


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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 …


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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 …


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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


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49 de 92 elementos naturais foram descobertos no século XIX!

Os elementos


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“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”, )


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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


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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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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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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


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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,



Os instrumentos

Para “ver” o nanomundo, precisamos de instrumentos que estendem nossos sentidos para além da percepção.


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Microscópios de efeito de túnel - 1985


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• 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


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Microprocessores Intel: 1971 e 2000

Microprocessores


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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


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Computadores + rápidos: nanotransístor


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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


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Novos materiais: os fullerenes – 1985

Robert F. Curl Jr. Richard E. Smalley

Sir Harold W. Kroto


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Foto: F. Fraenkel, MITGrupo de M. Bawendi, MIT

Novos “medicamentos”: nanopartículas


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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


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Novas máquinas: nanorobôs



A Natureza é a grande nanotecnóloga

Nanomotores biológicos


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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


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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.



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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




Ufa!

Finalmente!

(… pensam vocês …)

Fim!

viagem da nanotecnologia

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