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INTRODUÇÃO À NANOTECNOLOGIA 2007.1. Nano é um prefixo que vem do grego antigo e significa anão 1 nanometro (nm) = 1 bilionésimo do metro, 10 -9 m Objetivo.

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1 INTRODUÇÃO À NANOTECNOLOGIA

2 Nano é um prefixo que vem do grego antigo e significa anão 1 nanometro (nm) = 1 bilionésimo do metro, m Objetivo da Nanotecnologia: Criar, produzir, caracterizar e aplicar estruturas, dispositivos e sistemas, controlando forma e tamanho na escala nanométrica. Crescente capacidade da tecnologia moderna de ver e manipular átomos e moléculas permite o desenvolvimento da nanotecnologia.

3 10 Yotametros (10 25 metros) Pontos de luz representam as galáxias mais brilhantes em aglomerados de galáxias. Viagem pelo Universo

4 1 Yotametro (10 24 metros) Algumas galáxias individuais e vários aglomerados de galáxias. No centro da imagem está o aglomerado de Virgem, onde fica a ainda invisível Via Láctea.

5 100 Zettametros (10 23 metros) Um trecho do aglomerado de Virgem. No centro da imagem pode-se ver a galáxia de Andrômeda que fica a 2 milhões de anos luz da Via Láctea (estimativa).

6 10 Zettametros (10 22 metros) A Via Láctea. As duas pequenas galáxias vizinhas são as Nuvens de Magalhães.

7 1 Zettametro (10 21 metros) Detalhes da Via-Láctea

8 100 Exametros (10 20 metros) O Braço de Órion, localizado entre o braço de Sagitário e de Perseu. Neste braço da espiral está localizado o Sistema Solar.

9 10 Exametros (10 19 metros) Detalhe do Braço de Órion. A maior parte das estrelas visíveis a olho nu estão localizadas nesta área.

10 1 Exametro (10 18 metros) Estamos a 200 anos-luz do Sol. As estrelas mais brilhantes nesta imagem estão localizadas a um raio de 50 anos-luz do Sol.

11 100 Petametros (10 17 metros) Estamos a 20 anos-luz do Sol, o objeto mais brilhante no centro da imagem.

12 10 Petametros (10 16 metros) Esta região é conhecida como Nuvem de Oort. Aqui é o limite da influência gravitacional do Sol.

13 1 Petametro (10 15 metros) Ainda na região da Nuvem de Oort. Esta imagem tem uma largura igual a 6500 vezes a distância da Terra ao Sol.

14 100 Terametros (10 14 metros) O Sol e as órbitas de Plutão, Netuno, Urano e Saturno. Os planetas ainda são totalmente invisíveis dessa distância.

15 10 Terametros (10 13 metros) O Sistema Solar. Apenas 4 artefatos humanos já saíram dessa região (as sondas Pioneer 10 e 11 e as Voyager 1 e 2).

16 1 Terametro (10 12 metros) Dentro da órbita de Júpiter. A terceira órbita a partir do Sol é a do planeta Terra que ainda não pode ser visto desta distância.

17 100 Gigametros (10 11 metros) Apesar das órbitas da Terra, de Vênus e de Marte não serem mais completamente visíveis nessa imagem, os planetas em si são muito pequenos para poderem ser visualizados.

18 10 Gigametros (10 10 metros) A pequena elipse no centro da imagem é a órbita da Lua. Este trecho da órbita da Terra é percorrido em apenas 4 ou 5 dias pelo nosso planeta.

19 1 Gigametros (10 9 metros) A Lua e a Terra. Nesta escala a Lua tem somente um pixel de diâmetro.

20 100 Megametros (10 8 metros) Lar doce lar. Nesta escala a Lua já está fora da imagem.

21 10 Megametros (10 7 metros) A América do Norte e a América Central.

22 1 Megametros (10 6 metros) A costa da Califórnia.

23 100 Quilômetros (10 5 metros) A Baía de São Francisco.

24 10 Quilômetros (10 4 metros) A cidade de São Francisco.

25 1 Quilômetro (10 3 metros) Parque Golden Gate, em São Francisco.

26 100 metros (10 2 metros) Área do Parque Golden Gate, em São Francisco.

27 10 metros Vegetação rasteira sobre um lago.

28 1 metro No centro da imagem pode- se detectar um inseto sobre a flor.

29 10 centímetros (10 -1 metros) Uma abelha sobre uma flor.

30 1 centímetro (10 -2 metros) Detalhe da cabeça da abelha.

31 1 milímetro (10 -3 metros) Detalhe do olho da abelha. Os pequenos pontos amarelos são grãos de pólen.

32 100 micrometros (10 -4 metros) Detalhe do grão de pólen.

33 10 micrometros (10 -5 metros) Bactérias sobre o grão de pólen.

34 1 micrometros (10 -6 metros) Vírus nas bactérias.

35 100 nanometros (10 -7 metros) Detalhe do vírus.

36 10 nanometros (10 -8 metros) Estrutura helicoidal do DNA do vírus.

37 1 nanometro (10 -9 metros) Molécula de DNA.

38 1 angstrom ( metros) Área externa de um átomo de carbono.

39 10 picometros ( metros) Parte interna da nuvem eletrônica do átomo de carbono.

40 1 picometro ( metros) Dentro da nuvem eletrônica do átomo de carbono. O pequeno ponto no centro da imagem é o núcleo do átomo de carbono.

41 100 femtometros ( metros) O núcleo do átomo de carbono com 6 prótons e 6 nêutrons.

42 10 femtometros ( metros) Detalhe do núcleo do átomo de carbono.

43 1 femtometro ( metros) Dentro de um próton.

44 100 atometros ( metros) Visão estilizada dos quarks.

45 Nanotecnologia QuímicaFísica InformáticaMedicinaEngenharias Biologia Nanotecnologia é fundamentalmente multidisciplinar

46 •3.5 bilhões de anos atrás - as primeiras células vivas aparecem. Células possuem biomáquinas nanométricas que têm funções como manipulação de material genético e suprimento de energia. Diagrama de uma célula humana Histórico da nanotecnologia

47 •Século 4 a.c. – Cálice de Lycurgus. Feito de vidro e impregnado com nanopartículas de ouro. Verde quando reflete a luz (como a luz do sol). Vermelho quando transmite a luz (fonte dentro do cálice). • 400 A.C. Democritus utiliza a palavra átomo, que significa “indivisível" em grego antigo.

48 •1905 Albert Einstein publica um artigo onde estima que o diâmetro de uma molécula de açúcar é de cerca de um nanômetro. • 1931 foi desenvolvido o microscópio eletrônico.

49 •1959 Richard Feynman profere a famosa palestra "There's Plenty of Room at the Bottom", sobre as perspectivas da miniaturização: a enciclopédia Britânica poderia ser escrita na cabeça de um alfinete.

50 Trecho da Palestra de Feynman “The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the Encyclopaedia Brittanica. Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of an inch---that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in the Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter---32 atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000 atoms. So, each dot can easily be adjusted in size as required by the photoengraving, and there is no question that there is enough room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Brittanica”.

51 Trecho da palestra de Richard Feynman reproduzida por Chad Mirkin, da Northwestern University, usando técnica de nanolitografia.

52 •1968 Alfred Y. Cho and John Arthur do Laboratórios Bell e seus colegas desenvolvem uma técnica que permite depositar camadas atômicas em uma superfície: a epitaxia por feixe molecular – “molecular beam epitaxy (MBE)” •1974 N. Taniguchi cria a palavra "nanotecnologia" significando máquinas com tolerância de menos de um mícron. ’Nano-technology' mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule.

53 •1981 G. Binnig e H. Rohrer criam o microscópio de tunelamento “Scanning Tunneling Microscope" (STM), que pode mostrar a imagem de átomos individuais, e recebem o Prêmio Nobel de Física em Elétron vence gap de energia e tunela da ponta fina à amostra (condutora), revelando informação estrutural e eletrônica a nível atômico.

54 •1985 Robert F. Curl, Jr., Harold W. Kroto and Richard E. Smalley descobrem os fulerenos (C60) conhecidos como "buckyballs", que medem um nanômetro de diâmetro e recebem o Prêmio Nobel de Química em 1996.

55 •1986 K. Eric Drexler publica "Engines of Creation", um livro futuristico que populariza a nanotecnologia. • 1987 Jean-Marie Lehn publica "Supramolecular Chemistry - Scope and Perspectives, Molecules - Supermolecules - Molecular Devices"

56 •1989 Donald M. Eigler da IBM escreve as letras da companhia utilizando átomos de xenônio. •1991 Sumio Iijima da NEC em Tsukuba, Japão, descobre os nanotubos de carbono.

57 •1998 O grupo do pesquisador Cees Dekker da Universidade de Tecnologia Delft na Holanda cria um transistor a partir de um nanotubo de carbono. - transistor de uma molécula: nanotubo de carbono - opera a temperatura ambiente - 2 nanoeletrodos de metal (fonte e dreno) e substrato como porta

58 •1999 James M. Tour da Universidade Rice e Mark A. Reed de Yale demonstram que moléculas individuais podem funcionar como switches moleculares. •2000 A administração Clinton anuncia a "Iniciativa Nacional da Nanotecnologia", que provê financiamento e maior visibilidade à área. eletrodo

59 •2005 A equipe do professor James Tour da Rice University desenvolveu o nanocarro, uma molécula no formato H e com moléculas de fulereno servindo como rodas. O nanocarro foi colocado sobre uma superfície de ouro. O carro se movimenta quando a superfície de ouro atinge 200ºC ou quando é empurrado por um STM.

60 Nano Molécula carbono milhões de vezes menor

61 AQUI ESTAMOS!!!!!

62 •Porque manipular átomos e moléculas ? –Curiosidade científica –Dimensões físicas de dispositivos ultra finos –Novos materiais –Novos dispositivos –Nova eletrônica –Produtos mais eficientes –Benefícios esperados em: •Desenvolvimento de remédios •Tratamento de água •Tecnologias de informação e telecomunicações •Materiais mais resistentes e leves

63 Adesivo usando forças de van der Waals e com observação nanoscópia. Nanoestrutura adesiva capaz de sustentar o peso de uma pessoa –Novos paradigmas: •Efeitos quânticos passam a ser explorados •Efeitos gravitacionais perdem importância •Propriedades ópticas (resposta a estímulo luminoso) podem ser exploradas •Forças atômicas e moleculares (forças de Van der Waals) •Exploração de propriedades nanométricas para obter efeitos macroscópicos. Exemplo: –O que acontece quando se manipula a matéria nessa dimensão ?

64 •Nanomateriais •Nanometrologia •Eletrônica, optoeletrônica e computação •Bionanotecnologia •Novas aplicações são esperadas a curto prazo (5 anos), a médio prazo (5-15) e a longo prazo (>20 anos). •Possivelmente, algumas aplicações potenciais nunca venham a ser alcançadas e outras, impensáveis atualmente, venham a ter maior impacto. Desenvolvimentos atuais em nanotecnologia e possíveis aplicações futuras em 4 grandes categorias:

65 Nanomateriais O que são ? –São materiais estruturados com ao menos 1 dimensão menor que 100nm – filmes finos; nanofios e nanotubos; pontos quânticos. •Propriedades –Área de superfície relativa maior –Maior proporção dos átomos estão na superfície: •30 nm: 5% dos átomos na superfície •10 nm: 20% • 3 nm: 50% –Efeitos quânticos •Importância: a possibilidade de controlar a estrutura dos materiais em escalas cada vez menores. –As propriedades dos materiais, desde tintas a chips de silício, são determinadas pela sua estrutura nas escalas micro e nano. –Criar materiais com novas características, funções e aplicações. •Tipos: Nanomateriais são classificados em 3 categorias: 0D,1D e 2D

66 Nanomateriais 2D •Filmes-finos, camadas e superfícies –Superfícies projetadas para apresentarem características específicas: •grande área de superfície ou •reatividade a um certo elemento –Componentes eletrônicos e optoeletrônicos disponíveis hoje são fabricados majoritariamente com filmes finos. –Têm aplicações como células combustíveis e catalisadores –Superfícies podem ser criadas com base na auto- organização de moléculas

67 TMGa AsH 3 Crescimento epitaxial Substrato de GaAs Nanomateriais 2D

68 •Filmes-finos, camadas e superfícies –Monocamadas – camadas com espessura de um átomo ou molécula Monocamadas auto-organizáveis - Self Assembled Monolayers (SAM) - substrato de ouro em silício - solução de etanol com o tiol desejado - rápida adsorção das moléculas (segs) - organização > 15hs Grafeno

69 Nanomateriais 1D •Apresentam novas propriedades elétricas e mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados –Nanotubos de carbono –Fios quânticos, nanowhiskers –Biopolímeros

70 Nanotubos de carbono •O que são ? –Estrutura de carbono formada por uma ou múltiplas folhas de grafeno (folha de carbono), primeiramente observados em 1991 por Sumio Iijima. •Dimensões: –Diâmetro: poucos nanômetros; –Comprimento: micrometros a centímetros

71 Nanotubos de carbono •Propriedades importantes: –Mecânicas: •Um dos materiais mais “duros” conhecidos (similar a diamantes); •Apresenta resistência mecânica altíssima; •Capaz de suportar peso; •Alta flexibilidade. –Elétricas: •Transportam bem a corrente elétrica; •Podem atuar com característica metálica, semicondutora ou até supercondutora. –Térmicas: •Apresenta altíssima condutividade térmica na direção do eixo do tubo.

72 Nanotubos de carbono •Algumas Aplicações –Fibras e películas (resistência e condutividade); –Antenas (ganho de recepção); –Sondas e implantes cerebrais para estudo e tratamento de desordens e danos neurológicos (portáteis e longa vida útil); –Dispositivos emissores de raios-X; –Dispositivos eletrônicos (transistores, diodos, etc );

73 Nanowhiskers – 1D Partículas de ouro O crescimento de material é perturbado pela partícula Crescimentos de fios quânticos Heteroestruturas Pontos quânticos

74 Nanomateriais 1D •Apresentam novas propriedades elétricas e mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados –Nanotubos de Carbono –Biopolímeros –Nanotubos inorgânicos –Nanofios Descoberta recente (2004) Controle sobre o crescimento dos nanofios: - Nanofio de nitrito de gálio em substrato de óxido de magnésio apresenta forma hexagonal

75 Nanomateriais 0D •Nanopartículas •Fulerenos – C60 •Dendrímeros: –Formados por auto- organização hierárquica –Moléculas aplicadas em drug delivery, portando outras moléculas –Limpeza de ambiente através do aprisionamento de íons metálicos •Pontos Quânticos

76 Ponto Quântico •Poço de potencial energético capaz de confinar elétrons •Quantização da energia nas 3 dimensões •Elétrons confinados têm níveis de energia discretos, semelhante ao átomo –Também chamado de “átomo artificial” •Dimensões dependem das condições de crescimento ( nm) •Aplicações –Detectores, diodos laser, etc –Computação Quântica – candidato promissor

77 Pontos Quânticos Micrografia de quantum dots em forma de pirâmide, de indio, galio e arsênio. Cada ponto mede cerca 20 nanos de largura e 8 de altura.

78 Métodos de deposição

79 Variação com o tempo de deposição InAs/InGaAs/InP

80 Deposição de pontos quânticos com controle espacial Substrato com padrão impresso por AFM Formação de pontos quânticos em locais pré-selecionados Pontos quânticos depositados longe da região com padrão Fonseca Filho et al 2005

81 •Aplicações atuais –Cosméticos e protetores solares •Dióxido de Titânio, transparente e reflete UV –Compostos utilizando nanopartículas e nanotubos –Plásticos e cerâmicas •Carro: amortecedores, faróis, circuitos, tinta –Ferramentas mais resistentes e afiadas Aplicações de Nanomateriais

82 •Aplicações atuais –Superfícies •Janela auto-limpante Aplicações de Nanomateriais

83 1.Vidro recebe cobertura que é ativada pela luz UV 2.Cobertura quebra as moléculas orgânicas e reduz a aderência da sujeira inorgânica 3.As partículas de sujeira são carregadas pela chuva Aplicações de Nanomateriais

84 •Aplicações atuais –Compostos utilizando nanopartículas e nanotubos Bolas utilizadas na copa Davis possuem nanomateriais que permitem uma durabilidade 2x maior

85 Aplicações de Nanomateriais •Aplicações atuais –Catalisadores •O craqueamento catalítico é o processo químico tecnológico mais usado no mundo. •40% da gasolina dos EUA e 60% da gasolina da Europa é feita desta maneira. Moléculas sendo craquedas em uma Y-Zeolita

86 Aplicações de Nanomateriais •Aplicações atuais –Tecnologia Brasileira

87 Aplicações de Nanomateriais •Aplicações atuais

88 Nanometrologia •Definição: ciência responsável pela medição em escala nanométrica –Medidas de comprimento ou tamanho; força, massa e propriedades elétricas •O avanço das técnicas de medição possibilita o desenvolvimento de novos materiais, processos industriais e produtos

89 Nanometrologia •Instrumentos –que utilizam feixe de elétrons •TEM – Transmission electron microscopy •SEM - Scanning electron microscopy –que utilizam “pontas de prova” •SPM - Scanning probe microscopy •STM - Scanning tunneling microscopy •AFM – atomic force microscopy –que utilizam feixe de laser •Optical tweezers

90 Eletrônica, optoeletrônica e computação Cenário •Mercado atual de tecnologia (IT) – 1 trilhão de dolares –Expectativa – 3 trilhões em 2020 •Número de transistores nos chips de computador –1971 •Intel 4004: 2300 transistores / 0.8 milhões de ciclos por segundo –2003 •Intel Xeon: 108 milhões de transistores / 3000 milhões de ciclos por segundo •ITRS 2003 (International Technology Roadmap for Semiconductors) –Documento de consenso mundial faz previsões sobre a indústria de semicondutores para os próximos 15 anos.

91 Eletrônica, optoeletrônica e computação •Aplicações futuras –Aplicações que seguem as tendências atuais •Optoeletrônica •Computação quântica e criptografia quântica •Computação reversível •Sensores –Aplicações que exploram tecnologias e materiais alternativos •Eletrônica baseada em plásticos •Utilização de moléculas como elementos funcionais em circuitos •Sensores moleculares

92 •Por quê? Para quê? –Lei de Moore : Moore observou um crescimento exponencial no número de transistores por circuito integrado e previu a continuação desta tendência Nanoeletrônica

93 •Por quê? Para quê? –a atual tecnologia CMOS baseada em silício deverá conseguir atender as necessidades de miniaturização da eletrônica pelos próximos 10 ou 15 anos –Nova tecnologia: nanoeletrônica •Demanda novo enfoque para materiais e arquitetura. •Deverá lidar eficazmente, e de forma economicamente viável, com a integridade dos sinais e com os problemas de aquecimento criados por transistores construídos em tão alta densidade Pentium 4 42 milhões de transistores Primeiro chip 5 transistores

94 Single electron transistor GaAs/AlGaAs H.W. Schumacher (1999) Hannover,Germany 100 x 200 nm 2 SET: Transistor mono-elétron: é o mais sensível equipamento de medida de carga elétrica

95 Dispositivos de ponto quântico único Fontes de fótons únicos para criptografia Guimaraes 2005

96 Ex: transistor molecular Nanoeletrônica - Eletrônica Molecular

97 Ex: LED Orgânico (OLED) Um OLED é um dispositivo fabricado posicionando uma série de filmes finos orgânicos entre dois eletrodos. Quando aplicamos uma corrente elétrica, temos a emissão de uma luz brilhante. Aplicado em iluminação pública e equipamentos portáteis. Nanoeletrônica - Eletrônica Molecular

98 Bionanotecnologia e Nanomedicina •As máquinas nanométricas mais completas e funcionais que conhecemos são as máquinas moleculares que regulam e controlam os sistemas biológicos. •Bionanotecnologia se refere às propriedades em escala molecular e às aplicações de nanoestruturas biológicas –Engenharia de tecidos –Motores moleculares –Biomoléculas para sensores –Drug delivery –Descoberta de novos medicamentos –Resolução de imagem celular e sub-celular, com resolução maior que MRI (magnetic resonance imaging)

99 Bionanotecnologia e Nanomedicina •Aplicações atuais e futuras –Lab-on-a-chip technologies –Eletrônica, computação e comunicações –Self-assembly –Drug delivery –Novos medicamentos –Imagem –Tratamento do câncer –Implantes e próteses –Nanobots

100 Nanobots •Princípio introduzido por Eric Drexler •Robôs em nanoescala capazes de construir robôs semelhantes •Auto-replicação •“Utility fog” – conjunto de nanorobôs capazes de mudar sua forma macroscópica formando objetos de interesse: caneta, chave, etc •Elemento mais ficcional da nanotecnologia

101 Nanoengrenagens Nanobots

102 Impactos Sociais •O desenvolvimento de produtos com tecnologia nano pode criar mudanças significativas nos planos social e econômico. •Haverá criação de empregos em novas áreas, mas outros irão desaparecer. •O avanço da nanotecnologia pode possibilitar que países em desenvolvimento entrem em compasso com países desenvolvidos, mas pode também aumentar as diferenças entres estes:

103 Impactos Sociais •Pode haver um aumento significativo e incontrolável da aquisição de informações, podendo gerar problemas incalculáveis. •O uso em equipamentos militares podem desenvolver muito o poderio militar de algumas nações. •O uso das características maléficas da nanotecnologia (se comprovadas) poderia gerar uma onda de nanoterrorismos comparada ao bio- terrorismo e às armas químicas.

104 Nanotecnologia no Brasil •Há produção científica significativa no Brasil; –manipulação de nano-objetos, nanoeletrônica, nanomagnetismo, nanoquímica e nanobiotecnologia, incluindo os nanofármacos, a nanocatálise e as estruturas nanopoliméricas. •Projetos executados por empresas, isoladamente, ou em cooperação com universidades ou institutos de pesquisa.


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