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N ANOCARROS Instituto de Física Universidade de São Paulo Introdução à Nanociência e Nanotecnologia Professora Helena Maria Petrilli 19 de maio de 2011.

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1 N ANOCARROS Instituto de Física Universidade de São Paulo Introdução à Nanociência e Nanotecnologia Professora Helena Maria Petrilli 19 de maio de 2011 Aline Yuri Nakamura – nº USP 5643841 1

2 Í NDICE 1.Aplicações 2.Definição 3.Como funciona 4.Experimento 5.Conclusão 6.Bibliografia 2

3 P OR QUE N ANOCARROS ? Criar sistema molecular artificial que imita algumas propriedades de motores biológicos Diagnóstico no corpo humano Remoção de tumores Construção de circuitos eletrônicos ultraminiaturizados Nanorrobôs Máquinas miniaturizadas Construir máquinas a partir de moléculas de modo muito parecido com o que a natureza faz, tornando-as capazes de desempenhar tarefas específicas nos organismos vivos 3

4 Duas abordagens: i.Top-Down: reduz o tamanho de objetos macroscópicos (fotolitografia e técnicas relacionadas) ii.Bottom-up: constrói funcionais macro ou nanoscópicos a partir de blocos moleculares, utiliza-se da propriedade química de moléculas para organizar ou montar uma estrutura N ANOMÁQUINAS NANOCARROS 4 Dispositivos que permitem i.Movimento mecânico controlado ii.Transporte de nanocargas

5 O QUE SÃO N ANOCARROS ? 2005: Rice University – Professores James M. Tour e Kevin Kelly Problema: movimentar fulerenos sobre superfícies metálicas Terceira forma mais estável do carbono Nanomoléculas aromáticas Altamente simétricas Mais conhecido: C 60 – diâmetro de 1nm C 60 – Buckminsterfullereno: 12 pentágonos e 20 hexágonos Também conhecido como futeboleno 5

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

7 R OLAMENTO DAS R ODAS Estrutura com movimento direcional controlado em uma superfície devido ao rolamento das rodas – transporta carga de um ponto A a um ponto B Não há o comportamento stick-slip Rolamento das rodas: acontece através de estímulo externo (como campo elétrico) e devido à ligação do fulereno com o restante da estrutura o nanocarro tem a habilidade de rolar na superfície além de ter flexibilidade ortogonal ao plano da superfície Para controlar o movimento do nanocarro é utilizado o STM (microscópio eletrônico de tunelamento) 7

8 8 STM-I MAGES M OTION – O E XPERIMENTO, P ARTE I Nanocarros mantiveram-se estáveis e estácionários cobre uma superfície de ouro em temperatura ambiente Estabilidade = grande força de adesão entre o fulereno e o ouro (essa adesão entre os dois materiais já vem sendo observada e estudada anteriormente) Os nanocarros permaneceram parados até aproximadamente 170º C Nanocarros mantiveram-se estáveis e estácionários cobre uma superfície de ouro em temperatura ambiente Estabilidade = grande força de adesão entre o fulereno e o ouro (essa adesão entre os dois materiais já vem sendo observada e estudada anteriormente) Os nanocarros permaneceram parados até aproximadamente 170º C Fonte: Artigo Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars

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

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

11 11 STM – um único nanocarro a.O nanocarro é puxado pela ponta do STM na direção perpendicular ao seu eixo quando a ponta do STM é colocada na frente do nanocarro na direção do movimento (imagem ab) b.Quando a ponta foi colocada ao lado, a 90º do primeiro movimento, a estrutura não se moveu c.Sendo utilizada a mesma técnica de a. o nanocarro se move STM – um único nanocarro a.O nanocarro é puxado pela ponta do STM na direção perpendicular ao seu eixo quando a ponta do STM é colocada na frente do nanocarro na direção do movimento (imagem ab) b.Quando a ponta foi colocada ao lado, a 90º do primeiro movimento, a estrutura não se moveu c.Sendo utilizada a mesma técnica 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

12 12 STM-I MAGES M OTION Empurrar o nanocarro com a ponta do STM não causa o movimento da molécula Atípico na manipulação molecular por STM, onde praticamente em todos os casos uma molécula orgânica é empurrada pela ponta do STM Essa sequência de manipulações ilustra a forte preferência direcional da molécula, movimentos perpendiculares aos eixos Resultado esperado para o fulereno Resultado: é possível controlar a direção de movimento em tamanho molecular de nanoestruturas dirigindo o rolamento, utilizando rodas de fulereno C-60 com eixos com base em alcinos (hidrocarbonetos acíclicos)

13 13 P RÓXIMOS 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 elétrico induzido entre outras Nanotrens – vários nanocarros acoplados Nanodragster – movimento com maior velocidade Nanocarro frio – por fluorescência, permite o movimento em superfícies não condutoras de eletricidade e em temperatura ambiente (não utiliza STM)

14 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

15 A GRADECIMENTO E R EFERÊNCIAS 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. Galvão, Molecular dynamics simulations of C60 nanobearings, Chemical Physics Letters, 384, 2004 5.G. Brunetto, F. Sato, X. Bouju e D. Galvão, The First Molecular Wheel: A Theoretical Investigation, MRS Fall Meeting, 2010 15 Agradecimento ao Profº Douglas Soares Galvão, professor titular do Departamento de Física Aplicada do IFGW da UNICAMP, que muito generosamente indicou algumas referências utilizadas para a elaboração deste seminário.

16 R EFERÊNCIAS 1.R. Otero, F. Hümmelink, F. Sato, S. B. Legoas, P. Thostrup, E. Laegsgaard, I. Stensgaard, D. S. Galvão 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!

17 17 ANEXOS

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

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

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


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