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A nanotecnologia pode ser definida como
a criação de dispositivos e materiais funcionais, utilizando-se
o controle da matéria na escala de nanômetros. De modo que os sistemas
resultantes apresentem novos fenômenos e propriedades, que são
dependentes do tamanho das partículas que constituem os mesmos. Estes
novos materiais, em geral são produzidos artificialmente, embora existam
vários na natureza. A nanotecnologia está relacionada à
capacidade de criar objetos a partir do controle em nível atômico,
utilizando-se as técnicas e ferramentas que estão disponíveis
atualmente e que ainda estão sendo desenvolvidas, com a finalidade de
colocar cada átomo e cada molécula no lugar desejado.
Histórico
A nanotecnologia se refere a qualquer material, dispositivo
ou processo para o qual a sua propriedade de maior importância derive
da nanoescala. O termo nano é um prefixo grego que significa anão.
A nanoescala é atribuída a tudo que apresente como tamanho característico
de 0,1 a 100 nanômetros (nm). Sendo este limite, referente à escala
atômica e molecular.
Com isso, pode-se atribuir à nanotecnologia a manipulação
de átomos em escala nanométrica, ou seja, em uma escala 1 bilhão
de vezes menor que o metro ou 1 milhão de vezes menor que o milímetro,
um espaço, que é suficiente para no máximo 10 átomos.
Como um exemplo comparativo, a fim de ilustrar quão pequena é
a nanoescala, tem-se que um fio de cabelo possui um diâmetro que varia
de 30.000 a 100.000 nm.
O ano de 1959 é considerado o marco inicial da nanotecnologia,
sendo que no dia 29 de dezembro deste ano, o conceituado físico e Nobel
norte-americano Richard Feynman proferiu na reunião anual da American
Physical Society, realizada no Instituto de Tecnologia da Califórnia
(Caltech), a palestra intitulada “There’s plenty of room at the
bottom” (“Há mais espaços lá embaixo”).
Feynman discutiu as possibilidades, vantagens e mudanças com a obtenção
de materiais em nanoescala. Um exemplo foi a idéia de ser possível
condensar na cabeça de um alfinete, os 24 volumes da Enciclopédia
Britânica, sugerindo desta maneira, que muitas descobertas seriam realizadas
com a obtenção de materiais em escala atômica e molecular.
Feynman também se referiu a diferentes objetos e áreas científicas,
que poderiam ser otimizadas com o desenvolvimento da tecnologia em nanoescala,
tais como computadores mais rápidos e avanços nas ciências
biológicas [1].
Mas por que era tão difícil imaginar o desenvolvimento
da nanotecnologia?
A resposta a essa pergunta, também foi fornecida por
Feynman durante a sua palestra, quando fez a seguinte afirmação:
“Os princípios da física, pelo que eu posso perceber, não
falam contra a possibilidade de manipular as coisas átomo por átomo.
Não seria uma violação da lei. É algo que teoricamente
pode ser feito, mas que na prática, nunca foi levado a cabo porque somos
grandes de mais”.
A palavra nanotecnologia foi popularizada na década
de 1980, quando Eric Drexler, do Foresight Institute, se referiu à construção
de máquinas em escala molecular, de apenas uns nanômetros de tamanho
como braços de robô, motores e computadores, muito menores que
uma célula. Drexler passou os seguintes dez anos a descrever e analisar
esses incríveis aparelhos e a dar resposta às acusações
de ficção científica. No entanto, a tecnologia convencional
estava a desenvolver a capacidade de criar estruturas simples à escala
reduzida. Conforme a nanotecnologia se converteu num conceito aceito, o significado
da palavra mudou para abranger os tipos mais simples de tecnologia à
escala nanométrica [1].
Embora a palavra nanotecnologia ser relativamente nova, esta
área da ciência tem sido encontrada ao redor dos séculos,
como por exemplo na utilização de impurezas em nanoescala para
alterar a cor do vidro. Atualmente é bem conhecido que suspensões
com nanoesferas de ouro promovem indicadores de cor para uma variedade de propósitos.
A absorção da luz visível proveniente de nanopartículas
de ouro tem uma dependência de cor baseada no diâmetro das mesmas.
A causa desta dependência de cor é decorrente da condutividade
dos estados vibracionais dos elétrons de superfície. Como por
exemplo, esferas de dióxido de silício (SiO2) com 120 nm de diâmetro,
recobertas por uma camada nanométrica de ouro refletem diferentes cores,
que são baseadas nas diferentes espessuras das camadas de ouro. O ouro
comercial é visto como amarelo brilhante, devido as suas propriedades
de bulk, que são infinitamente maiores que a escala atômica, que
é a responsável por todas as mudanças. Um átomo
individual de ouro apresenta níveis eletrônicos discretos, mas
o bulk tem elétrons livres e se forem adicionados mais e mais átomos
de ouro em um espaço específico, os estados eletrônicos
individuais localizados começam a ser livres, pelo menos no centro do
material, resultando em alta condutividade elétrica [2].
A nanotecnologia já estava presente na Idade Média, em que a cor
dos vidros eram dependentes da resposta ao efeito do espalhamento da luz, sobre
as nanopartículas de diferentes tamanhos dos aditivos metálicos
adicionados ao vidro. Em geral, sais de ouro e prata eram utilizados em tempos
medievais para colorir vidros utilizados em janelas de igrejas. As partículas
de prata eram utilizadas para fornecer ao vidro coloração amarela,
enquanto partículas de ouro eram empregadas para fornecer ao vidro coloração
vermelha.
Da mesma maneira, a indústria Romana do século IV a.C. utilizou-se
desses sofisticados aditivos para a produção de um vidro multicolor,
que foi empregado na obtenção do famoso vaso de Licurgo. Com a
junção de pó de ouro e prata ao vidro, o mesmo assumiu
uma coloração diversa de acordo com a reflexão da luz em
contato com a superfície do vaso. As cores observadas em sua maioria
eram laranja, vermelho, metálico, lilás e roxo, sendo dependentes
do tamanho das nanopartículas de ouro.
Por que apesar de existirem, não era possível explicar o comportamento
proveniente de materiais nanométricos?
A resposta é simples, pois a resolução do microscópio
óptico é muito grosseira para a escala nanométrica, não
sendo possível observá-la.
Entretanto, nos anos 80 a nanotecnologia começou a
encontrar condições tecnológicas para fazer parte realidade,
com os avanços das técnicas relacionadas à microscopia
eletrônica. Na caracterização de um objeto utilizando-se
um microscópio eletrônico, a amostra precisa ser o mais delgada
possível, sendo colocada sob vácuo, onde um feixe de elétrons
atua para formar a imagem. Além disso, para conseguir atravessar o objeto
e registrar a imagem em um filme ou em uma tela de computador, os elétrons
precisam estar acelerados, ou seja, estarem com maior energia [3].
Na microscopia de força atômica pode-se observar
detalhes topográficos de superfícies. Na microscopia de tunelamento
é possível movimentar átomos e observar a densidade eletrônica
dos mesmos, com vários modos diferentes de obtenção de
imagem.
O microscópio de varredura por tunelamento eletrônico (scanning
tunneling microscope - STM) foi desenvolvido em 1981, por Gerd Binning e Heinrich
Roher, no laboratório da IBM em Zurique. A concepção do
STM é bastante simples, uma agulha extremamente fina, cuja ponta é
constituída de alguns poucos átomos ou até mesmo de um
único átomo, “tateia” uma superfície sem tocar
na mesma, permanecendo afastada em menos de um nanômetro. Durante a varredura
da agulha, elétrons tunelam da agulha para a superfície e com
base nessa corrente de tunelamento um computador gera uma imagem extremamente
ampliada da superfície, na qual ficam visíveis os seus átomos.
Dessa forma, pela primeira vez o relevo atômico da superfície de
um corpo pôde ser visto e investigado [1].
O STM deu origem a uma família de instrumentos de visualização
e manipulação em escala atômica, coletivamente denominados
microssondas eletrônicas de varredura (scanning probe microscopes - SPM).
Além da visualização nanométrica de uma superfície,
os SPM permitem manipular átomos e moléculas, que podem ser arrastados
de um ponto e depositados em outro ponto previamente selecionado [1].
Com isso, microscópios de transmissão, tunelamento
e de força atômica permitiram avanços relativos à
manufatura molecular e atômica a ponto de que em 1989, a IBM, manipulando
35 átomos de elemento químico xenônio, conseguiu escrever
com estes a sua marca em uma placa de níquel.
Dessa maneira, pode-se verificar que a nanotecnologia finalmente
está encontrando o caminho do seu desenvolvimento, utilizando-se dessas
novas ferramentas anteriormente não disponíveis, que permitem
visualizar as estruturas nanométricas e até movimentar átomos.
Referências Bibliográficas
1. http://www.comciencia.br/reportagens/nanotecnologia/nano10.htm
2. http://nanopedia.cwru.edu
3. Pesquisa FAPESP. N° 84, fevereiro, 2003.
Atualidades
Os links abaixo abordam alguns assuntos
interessantes na área de Nanotecnologia:
http://www.comciencia.br/reportagens/nanotecnologia/nano10.htm
http://www.mct.gov.br/Temas/Nano/programanano.htm
http://www.mct.gov.br/Temas/Nano/introducao_nano.htm
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