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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

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 ( ) 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: 14

15 A GRADECIMENTO E R EFERÊNCIAS 1.G. Vives e J. M. Tour, Synthesis of Single-Molecule Nanocars, Accounts of Chemical Research, , 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, , 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, , S. B. Legoas, R. Giro e D. S. Galvão, Molecular dynamics simulations of C60 nanobearings, Chemical Physics Letters, 384, G. Brunetto, F. Sato, X. Bouju e D. Galvão, The First Molecular Wheel: A Theoretical Investigation, MRS Fall Meeting, 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, Site: (14/mai/11) 3.Site: (14/mai/11) 4.Site: (14/mai/11) 5.Site: livre&id= (14/mai/11) livre&id= 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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