Aula 1a - Nanotecnologia

Report
INTRODUÇÃO À
NANOTECNOLOGIA
2007.1
Nano é um prefixo que vem do grego antigo e significa
anão
1 nanometro (nm) = 1 bilionésimo do metro, 10-9m
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.
Viagem pelo Universo
10 Yotametros (1025 metros)
Pontos de luz representam
as galáxias mais brilhantes
em aglomerados de
galáxias.
1 Yotametro (1024 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.
100 Zettametros (1023
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).
10 Zettametros (1022 metros)
A Via Láctea. As duas
pequenas galáxias vizinhas
são as Nuvens de
Magalhães.
1 Zettametro (1021 metros)
Detalhes da Via-Láctea
100 Exametros (1020 metros)
O Braço de Órion, localizado
entre o braço de Sagitário e
de Perseu. Neste braço da
espiral está localizado o
Sistema Solar.
10 Exametros (1019 metros)
Detalhe do Braço de Órion. A
maior parte das estrelas
visíveis a olho nu estão
localizadas nesta área.
1 Exametro (1018 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.
100 Petametros (1017
metros)
Estamos a 20 anos-luz do
Sol, o objeto mais brilhante
no centro da imagem.
10 Petametros (1016 metros)
Esta região é conhecida
como Nuvem de Oort. Aqui é
o limite da influência
gravitacional do Sol.
1 Petametro (1015 metros)
Ainda na região da Nuvem
de Oort. Esta imagem tem
uma largura igual a 6500
vezes a distância da Terra ao
Sol.
100 Terametros (1014
metros)
O Sol e as órbitas de Plutão,
Netuno, Urano e Saturno. Os
planetas ainda são
totalmente invisíveis dessa
distância.
10 Terametros (1013 metros)
O Sistema Solar. Apenas 4
artefatos humanos já saíram
dessa região (as sondas
Pioneer 10 e 11 e as
Voyager 1 e 2).
1 Terametro (1012 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.
100 Gigametros (1011
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.
10 Gigametros (1010 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.
1 Gigametros (109 metros)
A Lua e a Terra. Nesta
escala a Lua tem somente
um pixel de diâmetro.
100 Megametros (108
metros)
Lar doce lar.
Nesta escala a Lua já está
fora da imagem.
10 Megametros (107 metros)
A América do Norte e a
América Central.
1 Megametros (106 metros)
A costa da Califórnia.
100 Quilômetros (105
metros)
A Baía de São Francisco.
10 Quilômetros (104 metros)
A cidade de São Francisco.
1 Quilômetro (103 metros)
Parque Golden Gate, em
São Francisco.
100 metros (102 metros)
Área do Parque Golden
Gate, em São Francisco.
10 metros
Vegetação rasteira sobre um
lago.
1 metro
No centro da imagem podese detectar um inseto sobre
a flor.
10 centímetros (10-1 metros)
Uma abelha sobre uma flor.
1 centímetro (10-2 metros)
Detalhe da cabeça da
abelha.
1 milímetro (10-3 metros)
Detalhe do olho da abelha.
Os pequenos pontos
amarelos são grãos de
pólen.
100 micrometros (10-4
metros)
Detalhe do grão de pólen.
10 micrometros (10-5 metros)
Bactérias sobre o grão de
pólen.
1 micrometros (10-6 metros)
Vírus nas bactérias.
100 nanometros (10-7
metros)
Detalhe do vírus.
10 nanometros (10-8 metros)
Estrutura helicoidal do DNA
do vírus.
1 nanometro (10-9 metros)
Molécula de DNA.
1 angstrom (10-10 metros)
Área externa de um átomo
de carbono.
10 picometros (10-11 metros)
Parte interna da nuvem
eletrônica do átomo de
carbono.
1 picometro (10-12 metros)
Dentro da nuvem eletrônica
do átomo de carbono. O
pequeno ponto no centro da
imagem é o núcleo do átomo
de carbono.
100 femtometros (10-13
metros)
O núcleo do átomo de
carbono com 6 prótons e 6
nêutrons.
10 femtometros (10-14
metros)
Detalhe do núcleo do átomo
de carbono.
1 femtometro (10-15 metros)
Dentro de um próton.
100 atometros (10-16 metros)
Visão estilizada dos quarks.
Nanotecnologia é fundamentalmente
multidisciplinar
Informática
Engenharias
Medicina
Nanotecnologia
Química
Física
Biologia
Histórico da nanotecnologia
• 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
• 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.
• 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.
• 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.
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”.
Trecho da Palestra de Feynman
Trecho da palestra de Richard Feynman reproduzida por Chad Mirkin,
da Northwestern University, usando técnica de nanolitografia.
• 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.
• 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 1986.
Elétron vence gap de energia e tunela
da ponta fina à amostra (condutora),
revelando informação estrutural e
eletrônica a nível atômico.
• 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.
• 1986 K. Eric Drexler publica "Engines of
Creation", um livro futuristico que populariza a
nanotecnologia. http://www.foresight.org/EOC/index.html
• 1987 Jean-Marie Lehn
publica "Supramolecular
Chemistry - Scope and
Perspectives, Molecules Supermolecules Molecular Devices"
• 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.
• 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
• 1999 James M. Tour da Universidade Rice e Mark A. Reed
de Yale demonstram que moléculas individuais podem
funcionar como switches moleculares.
eletrodo
eletrodo
• 2000 A administração Clinton anuncia a "Iniciativa
Nacional da Nanotecnologia", que provê financiamento e
maior visibilidade à área.
• 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.
Molécula
carbono 60
100 milhões de vezes menor
Nano
AQUI ESTAMOS!!!!!
• 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
– O que acontece quando se manipula a matéria
nessa dimensão ?
– 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:
Adesivo usando forças de
van der Waals e com
observação nanoscópia.
Nanoestrutura adesiva capaz
de sustentar o peso de uma
pessoa
Desenvolvimentos atuais em nanotecnologia e
possíveis aplicações futuras em 4 grandes categorias:
•
•
•
•
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.
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
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 www.ifm.liu.se/Applphys/ftir/sams.html
– Superfícies podem ser criadas com base na autoorganização de moléculas
Nanomateriais 2D
Crescimento epitaxial
TMGa
AsH3
Substrato de GaAs
Nanomateriais 2D
• 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
http://www.ifm.liu.se/Applphys/ftir/sams.html
Grafeno
Nanomateriais 1D
• Apresentam novas propriedades elétricas e
mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados
– Nanotubos de carbono
– Fios quânticos, nanowhiskers
– Biopolímeros
http://www.weizmann.ac.il/materials/msg/, http://www.apnano.com/,
http://nanotechweb.org/articles/news/3/8/2/1/MgO2REVISED
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
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.
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 );
Nanowhiskers – 1D
Partículas de ouro
O crescimento de material
é perturbado pela partícula
Crescimentos de fios quânticos
Heteroestruturas
Pontos quânticos
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
Nanomateriais 0D
• Nanopartículas
• Fulerenos – C60
• Dendrímeros:
– Formados por autoorganização hierárquica
– Moléculas aplicadas em drug
delivery, portando outras
moléculas
– Limpeza de ambiente através
do aprisionamento de íons
metálicos
• Pontos Quânticos
http://www.wag.caltech.edu/gallery/gallery_dendrimer.html#gallery
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 (4 - 20 nm)
• Aplicações
– Detectores, diodos laser, etc
– Computação Quântica – candidato promissor
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.
Métodos de deposição
Variação com o tempo de deposição
1.0µm
1.0µm
1.0µm
InAs/InGaAs/InP
Deposição de pontos quânticos com
controle espacial
Pontos quânticos depositados
longe da região com padrão
Formação de pontos
quânticos em locais
pré-selecionados
Substrato com padrão
impresso por AFM
1.5µm
Fonseca Filho et al 2005
400nm
14µm
Aplicações de Nanomateriais
• 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
http://www.plastics-car.com/applications/exterior.html#bumpers,
http://www.activglass.com/Pages/howframe.html
Aplicações de Nanomateriais
• Aplicações atuais
– Superfícies
• Janela auto-limpante
Aplicações de Nanomateriais
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
• Aplicações atuais
– Compostos utilizando nanopartículas e nanotubos
Bolas utilizadas na copa Davis
possuem nanomateriais que
permitem uma durabilidade 2x
maior
http://www.wilson.com/
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
Aplicações de Nanomateriais
• Aplicações atuais
– Tecnologia Brasileira
http://www.nanox.com.br/index.php
Aplicações de Nanomateriais
• Aplicações atuais
http://www.forbes.com/technology/2005/01/12/cz_jw_0112soapbox.html
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
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
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.
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
Nanoeletrônica
• 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
• 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
Primeiro chip
5 transistores
Pentium 4
42 milhões
de transistores
Single electron transistor
GaAs/AlGaAs
H.W. Schumacher
(1999)
Hannover,Germany
100 x 200 nm2
SET: Transistor mono-elétron:
é o mais sensível equipamento
de medida de carga elétrica
Dispositivos de ponto quântico único
Fontes de fótons únicos para criptografia
Guimaraes 2005
Nanoeletrônica - Eletrônica Molecular
Ex: transistor molecular
Nanoeletrônica - Eletrônica Molecular
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.
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)
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
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
Nanobots
Nanoengrenagens
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:
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 bioterrorismo e às armas químicas.
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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