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Nanociência e Nanotecnologia: manipulando a matéria “átomo a átomo”

Física

Nanociência e nanotecnologia, suas aplicações e perspectivas bem como as principais formas de fabricação de nanoestruturas.

(Nanoscience and Nanotechnology: Manipulating matter atom by atom)

 Cada vez mais aumentam as pesquisas em nanotecnologia, ela representa hoje um dos temas de maior interesse no mundo, com os colossais investimentos dos governos, as mudanças estão ocorrendo de forma muito dinâmica nas áreas de medicina, informática, química, materiais e farmácia. Este artigo atenta para importância da nanociência e da nanotecnologia, mostra as suas aplicações e perspectivas bem como as principais formas de fabricação de nanoestruturas.

Palavras-chave: nanociência, nanotecnologia, nanoestruturas.

Increasingly expand the research in nanotechnology, it represents nowadays one of the theme of mayor interest in the world, with the huge investment by governments; changes are occurring in very dynamic areas of medicine, computing, chemistry, materials and pharmaceuticals. This paper focus the importance of nanoscience and nanotechnology, show its applications and perspectives as soon as the most commons ways to manufacturing nanostructures.

Keywords: nanoscience, nanotechnology, nanostructures.

1. Introdução

Desde que o homem se utiliza da razão para resolver seus problemas, ele explora os recursos naturais e os transforma conforme sua necessidade. Primeiramente ele se utilizou de materiais in natura, mas com o tempo necessitou de materiais com propriedades cada vez mais específicas. Essa busca pelo controle da matéria levou ao desenvolvimento da nanociência que se estendeu para nanotecnologia.

Nos últimos anos a nanociência e a nanotecnologia vêm se tornando cada vez mais freqüente nos meios de comunicação, seja em meio eletrônico, digital, em periódicos ou mesmo em revistas e jornais populares, isso porque elas atraem muito interesse nos meios científicos, industriais e financeiros.

Atualmente os investimentos dos governos, principalmente em países desenvolvidos, são colossais, e em diversas áreas do conhecimento como a medicina, a química, a física, a engenharia e a informática.

Mas, o que é nanociência e nanotecnologia?

Existe uma clara distinção entre os termos nanociência e nanotecnologia, porém o termo nanotecnologia parece ser mais usado no cotidiano, e, muitas vezes, de forma equivocada.

A nanociência é de forma simples, o estudo de princípios fundamentais de moléculas e estruturas de dimensão ao menos entre um e cem nanômetros (RARTNER, 2002). Ou, em outras palavras, dimensões inferiores a um mícron.

Entretanto, essa idéia não é tão nova assim, foi Richard Feynman, que durante a conferência “Há muito espaço lá embaixo” em 29 de setembro de 1959, na Califórnia, falou sobre o problema de se manipular e controlar coisas em escalas extremamente pequenas, inaugurando e antecipando essa revolução tecnológica.

Ele concluiu que, se pudéssemos ter algum controle sobre o arranjo das coisas em pequena escala, seria possível gerar uma variedade muito maior de propriedades que as substâncias podem ter (MARQUES, 2005).

A nanotecnologia é um termo recente que se refere ao controle da matéria em escalas extremamente diminutas (nanométricas).

Uma outra forma de se definir a nanotecnologia, de modo mais prático, é como sendo a criação de materiais funcionais, dispositivos e sistemas através do controle da matéria em comprimento de escala de nanômetros e exploração de novos fenômenos e propriedades - físicas, químicas, biológicas, mecânicas e elétricas.

De acordo com Busham (2004) este não é um campo inteiramente novo, na natureza existem muitos objetos e processos que funcionam de micro para nano escala, e o entendimento dessas funções pode guiar-nos imitando e produzindo nanomateriais e nanodispositivos.

2. Manipulando a matéria em escala nano

Qual é a importância de se manipular a matéria “átomo a átomo”? (Neste tópico essa questão será explorada).

As propriedades dos materiais em escala nanométrica são completamente diferentes das dos materiais macroscópicos. Em escala nanométrica se ultrapassa o limite da física clássica onde passa a valer a dualidade da partícula onda e seus efeitos quânticos.

Sensíveis mudanças na estrutura da matéria a nível nanométrico poderão acarretar grandes mudanças nas propriedades químicas, físicas e mecânicas em um material, e o controle dessas mudanças deve levar ao desenvolvimento de novos materiais com propriedades nunca antes alcançadas.

Para se manipular a matéria em dimensões tão pequenas, é necessário instrumentos que permitam a observação de átomos. Uma das formas de se fazer isso é através de microscopia de sonda de varredura.

A figura 1 mostra uma ponta de tungstênio de dimensões de alguns átomos utilizada nesse equipamento (também existem outros tipos de microscopia de varredura).

 


Figura 1: Ponta de microscópio feita de tungstênio com dimensões atômicas (RATNER, 2002).

Tem-se comprovado que a organização de uma substância em escala nanométrica é a chave do futuro também dos sistemas biológicos, porque permitirá controlar agrupamentos de componentes no interior das células. Desta forma, a combinação das ciências dos materiais com a biotecnologia deverá levar grandes inovações ao século XXI. (BUSHAN, 2004).

Para se ter uma idéia das dimensões de que estamos lidando, a figura abaixo fará um comparativo que partirá dos 10 microns (tamanho de uma célula de glóbulo branco) até o DNA (dimensões de 10 nanômetros).

 

Figura 2: Tamanhos comparativos

(CAPOZZOLLI, 2002)

Nas áreas de química, engenharia de materiais e meio ambiente, nanotecnologias detêm grande promessa para a criação de novos meios de detecção de poluentes, resíduos de limpeza, recuperação de materiais antes de se tornarem resíduos e uma série de aplicações que vão das mais gerais às mais exóticas.

3. Fabricação de nanoestruturas

Como sabemos, os produtos fabricados pelo homem são feitos de átomos, assim como toda a matéria que existe na natureza. As suas propriedades dependem de como os átomos se organizam para formar moléculas, estruturas cristalinas ou amorfas. Reorganizando átomos de grafite, por exemplo, pode-se obter diamante, o reagrupamento de átomos de sílica com adição de alguns elementos, poderá resultar em microchips e assim por diante.

Alguns minerais inorgânicos in natura como zeólitas, óxidos de ferro e manganês possuem micro e mesoporos assim como materiais orgânicos. Polímeros e sistemas biológicos podem também apresentar naturalmente o crescimento de micro e nanoestruturas, como é o caso da celulose e o colágeno.

Contudo, mais importante do que o tamanho de partículas e das estruturas nanométricas é a alteração das propriedades de um material ao atingir essa escala. Essas alterações se devem à combinação de fatores quânticos, os quais são melhores observados em escala nanométricas, e também dependem da razão entre a área superficial e volume de uma amostra.

Conforme se diminui o tamanho das partículas aumenta-se a relação área superficial e volume aumentando o efeito de superfície. Esta razão mostra-se ideal em materiais compostos, reações químicas e armazenamento de energia.

Assim, por exemplo, uma propriedade dos materiais tais como cerâmicos e metais em escala nanométrica, é alta a relação área/volume, o que representa um potencial para a aceleração de reações catalíticas, reações bioquímicas e farmacêuticas, mesmo que dita propriedade possa também ser aplicada para tratamentos anti-corrosivos, anti-deslizantes e super-aderentes (ANAYA et al., 2008).

Os materiais podem ser obtidos através da nanotecnologia por diversas técnicas que são muito distintas das técnicas utilizadas para se obter materiais macroscópicos de acordo com duas perspectivas diferentes, de baixo para cima (botton-up) ou de cima para baixo (top-down), as quais serão discutidas nos tópicos seguintes.

3.1 O caminho de baixo para cima (Botton-up)

A abordagem (bottom-up) consiste basicamente em construir estruturas átomo a átomo ou molécula por molécula.

De acordo com Marques (2005) o primeiro passo é fabricar os tijolos da matéria de forma precisa, controlada e reprodutível, e isto pode significar em alguns casos com precisão atômica. Nesse caso temos que falar de avançados métodos de síntese e, também, de métodos para observar e medir o comportamento (mecânico, elétrico, magnético, entre outros) do que está sendo produzido.

Podemos fabricar nanoestruturas de acordo com essa abordagem através de três alternativas:

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a) Síntese química; utilizada para produzir matérias primas nas quais são utilizadas moléculas ou partículas nano.

b) Auto-organização; neste caso, átomos e moléculas se organizam de forma autônoma por meio de interações químicas ou físicas construindo nanoestruturas ordenadas.

De acordo com Marques (2005), nos seres vivos existem inúmeros processos de organização espontânea de moléculas e sistemas nanométricos. Esses processos estão baseados no reconhecimento molecular, onde cada tijolo tem um código e ele somente adere no local onde existe o código complementar ao próprio. Ocorrem principalmente em soluções ou líquidos e podem ser surpreendentemente eficientes e precisos; um claro exemplo é o nosso sistema de defesa imunológica.

c) Organização determinada; Moléculas são manipuladas e colocadas em determinada ordem, um por um.

Atualmente, o crescimento de nanoestruturas pode ser feito via fase vapor ou a partir de moldes, sendo que o método fase vapor é um dos métodos mais empregados na construção de nanoestruturas.

O processo é efetuado em uma câmara de evaporação onde o material de interesse é condensado na superfície de um substrato com temperatura mais baixa em presença de certos catalisadores.

Um ou diversos tipos de gases são deixados de tal forma que a pressão do gás é formada entre pressões muito baixas e normais. O fluxo de gás atinge o biscoito com uma incidência normal aos olhos. Uma dissociação (no caso de um tipo de gás), ou uma reação entre duas espécies tem lugar. Em ambos os casos, uma molécula recém formada adere na superfície do biscoito e participa da formação da nova camada. (FAHRNER, 2005).

O biscoito é colocado em um transportador e aquecido a uma temperatura entre 350 e 800 ºC. Pode ser usada uma ou várias espécies de gases.

A síntese dos nanotubos, por exemplo, pode ser obtida por métodos de deposição química de vapor (CVD) os quais envolvem decomposição catalítica de um carbono fonte contendo pequenas partículas metálicas ou agrupamentos delas (BUSHAN, 2004).

A figura abaixo mostra nanotubos de carbono crescidos por deposição química de vapor.

 

Figura 3: Nanotubos de carbono alinhados verticalmente, crescimento utilizando plasma e deposição química de vapor intercalado com cobre para criar um compósito com boas propriedades térmicas (NASA, 2008).

A (CVD) pode ser ajudada por um RF plasma, a maior diferença em relação a convencional (CVD) é a adição de Argônio (Ar) e de H2 para a ignição do plasma. O grau de silane (SiH4) contido no H2 determinará se o silicone depositado é amorfo ou cristalino.

3.2 O caminho de cima para baixo (Top-down)

De acordo com a perspectiva Top-Down parte-se de um bloco sólido para se obter as nanoestruturas, do “macro para o nano”.

A moagem, por exemplo, é um método tipicamente top-down que proporciona a obtenção de nanopartículas. Porém, o grande problema reside na imperfeição da superfície da estrutura obtida através desse processo.

Uma outra rota de fabricação consiste em submeter um corpo sólido à ação de corrosão seletiva através de técnicas de litografia ou engenharia de precisão, é o caso do processo de fabricação de semicondutores.

O termo processo litográfico ou litografia quer dizer a transferência de estruturas elétricas ou imagem de um molde dentro de uma capa sensível a radiação, a foto-resistência, através de ondas eletromagnéticas ou partículas ondas (FAHRNER, 2005).

Dentre os processos litográficos destacam-se os métodos por feixe de elétrons (e-beam), nanolitografia de caneta profunda (DPN), feixe de íons focalizado (FIB) e litografia por raios-X. Embora o desenvolvimento destes métodos tenha avançado muito ao longo das últimas décadas, os processos que envolvem síntese química revelaram-se uma alternativa que permite obter uma gama maior de materiais com maior produtividade.

Certamente, um dos métodos mais comuns para se construir chips usam óptica ou litografia de Raios – X, em que uma máscara mestre é feita usando métodos químicos e luz que passa através da mascara para produzir a estrutura dos chips atuais. Este trabalho é como uma tela de seda para uma camiseta (RATNER, 2002).

Para se obter nanoestruturas é usada uma caneta nanométrica que faz linhas em nanoescala. Na caneta profunda nanolitográfica (DPN) um reservatório de “tinta” (átomos ou moléculas) é estocado no topo da ponta de um examinador, que é manipulado através da superfície deixando linhas em um molde (RATNER, 2002).

A miniaturização de dispositivos pela técnica Top-down é uma das alternativas na evolução dos materiais, porém ela apresenta dificuldades cada vez maiores para o sucesso da nanofabricação devido aos limites de precisão que aparentemente foram esgotados.

4. Considerações finais

O que parecia ficção hoje já é realidade, o homem já é capaz de manipular a matéria átomo por átomo na obtenção de estruturas mais complexas.

A grande área superficial das nanopartículas lhes confere excelentes propriedades de adsorção de metais e substâncias orgânicas facilitando a remoção de poluentes.

Além disso, o uso de materiais catalíticos que aumentam a eficiência dos processos industriais resulta em um aproveitamento mais eficiente de matérias primas com menor gasto de energia e menor produção de resíduos.

Por outro lado, o pequeno tamanho de partículas favorece a difusão de nanopartículas na atmosfera, em águas e no solo, ao passo que dificulta sua remoção por técnicas convencionais.

Outras pesquisas recentes mostram também que nanopartículas podem penetrar em órgãos e tecidos, agindo com grande toxicidade.

Na maioria dos países, a regulamentação ainda é vaga com relação ao uso de nanomateriais e procedimentos envolvendo nanotecnologia em laboratórios e locais de trabalho, e a questões de comercialização e uso de produtos químicos, produtos de consumo incorporando nanopartículas livres, produtos para uso na pele e nos cabelos, além de medicamentos e dispositivos médicos, entre outros materiais (TEIXEIRA, 2008).

Para Brum (2002) é necessário sintetizar novos materiais com dimensões nanométricas (formados por centenas ou milhões de átomos), na forma desejada, com precisão nanométrica ou sub-nanométrica e, se for desejada uma aplicação tecnológica viável, é necessário ser capaz de reproduzir o processo com alta tecnologia.

Caberá aos cientistas o desenvolvimento de novas pesquisas em nanociência que possibilitem formas mais atraentes de produção e utilização da nanotecnologia, mas, para isso, deverá haver participação da sociedade em seus diversos âmbitos.

Referências bibliográficas

AJAYAN, P.M. Nanotubes from carbo. Chem. Rev., v.99, n.7, p.1797-1799, 1999.

ANAYA. Demétrio M. Nanotecnologia: a arte de manipular la matéria átomo por átomo. Contacto Nuclear. pp. 38 – 41. Disponível em: http://www.inin.mx/publicaciones/documentospdf/35%20NANOTECNOLOG%C3%8DA.pdf  Acesso em: agosto de 2009.

BRUM, José A. A pesquisa em nanociência e nanotecnologia no laboratório nacional de luz síncotron. Com Ciência, São Paulo, 2002. Disponível em: www.conciencia.com/reportagens/nano18.htm  Acesso em: setembro de 2009.

CAPOZZOLLI, Ulisses. A ciência do pequeno em busca da maioridade. Scientific Americam Brasil, Brasil, ed. nº 1, junho de 2002.

BUSHAN, Bharat. Springer Handbook of Nanotechnology. Ohio: USA: Springer-Verlag, 2004. 1222p.

Com Ciência: Revista Eletrônica de Nanociência e Nanotecnologia: Vantagens e Riscos da Nanotecnologia ao Meio Ambiente. Disponível em: http://www.comciencia.br/reportagens/nanotecnologia/nano04.htm  Acesso em: fevereiro de 2009.

MARQUES. Gil da Costa. Física: tendências e perspectivas. São Paulo. Livraria da física, 2005. 333p.

NASA. Disponível em: http://www.ipt.arc.nasa.gov/nanotechnology.html  Acesso em: janeiro de 2009.

TEIXEIRA, Carlos Alberto. O Globo Tecnologia. Nanomateriais podem causar danos à saúde e ao meio ambiente. 01/12/2008. Disponível em:  http://oglobo.globo.com/tecnologia/mat/2008/12/01/nanomateriais_podem_causar_danos_saude_ao_meio_ambiente-586781977.asp> Acesso em: março de 2009.

QUINA, Frank H. Nanotecnologia e o meio ambiente: perspectivas e riscos. Quím. Nova. 2004, v. 27, n. 6, pp. 1028-1029.

RATNER, Mark; RATNER, Daniel. Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea: Prentice Hall, 2002. 208p.

TIMP, Gregory. Nanotechnology. New York, USA: AIP, 1998. 696p.

Wiliam Jeremias dos Santos wiliamjjj@ibest.com.br

1Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, Araranguá, SC, Brasil.


Publicado por: Wiliam Jeremias dos Santos

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