Curiosidades na nanotecnologia
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O objetivo dessa seção é mostrar algumas aplicações realizadas ou idealizadas com o auxílio da nanotecnologia. Algum materiais e características da nanotecnologia também serão descritos aqui.
Características
» Componentes nanométricos são aqueles que possuem pelo menos uma abaixo de 100nm. Como exemplo podemos citar:
• 1 dimensão: Filmes finos;
• 2 dimensões: Nanotubos;
• 3 dimensões: Pontos Quânticos.
» Dois fatores causam significantes diferenças nos nanomaterias se comparados com as demais estruturas:
• Aumento da área de superfície;
– Quanto menor o material o material maior a proporção de átomos na superfíce, o que pode criar materias muito mais reativos que aqueles comuns. Vejamos a comparação entre o tamanho do material e a quantidade de átomos na superfície:
# 30nm – 5%;
# 10nm – 20%;
# 3nm – 50%.
• Efeitos quânticos.
Este dois fatores são responsáveis pelas alterações no comportamento óptico, elétrico e magnético dos materiais.
Materiais
» Filmes Finos:
• São materias com uma dimensão nanométrica. São desenvolvidas e usadas há décadas em aplicações de eltrônica, de química e de engenharia.
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» Nanotubos de Carbono:
• São estruturas de carbono formada por uma ou mais folhas de carbono. Foram primeiramente observados por Sumio Lijima da NEC em Tsukuba, Japão.
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Nanotubos têm assumido uma importante posição no contesto dos semicondutores por causa de suas características químicas e físicas. Eles são muito fortes mecanicamente, além de serem flexíveis. Eles também podem conduzir eletricidade muito bem. Todas essas características possíbilitam uma grande variedade de aplicações para esses novos materiais.
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» Nanotubos Inorgânicos:
• Foram descobertos logo após os nanotubos de carbono e são possuem ótima característica lubrificante, resistência à choques e grande capacidade de armazenamento de hidrogênio e lítio. Possuem uma grande possibilidades de aplicações.
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» NanoFios
• São fios ultrafinos ou um array linear de pontos. Eles podem ser criados por uma grande variedade de materiais. Nanofios semicondutores têm mostrado grandes característica ópticas, elétricas e magnéticas. Esses elementos possuem potenciais aplicações em grande armazenamento de data, também como leitor magnético e como dispositivo óptico e eletrônico.
Nanofio, enrolado em um fio de cabelo, transmitindo luz.
(Credit: Limin Tong/Harvard University)
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» Biopolímeros:
• A grande variedade de biopolímeros, tais como as moléculas de DNA, oferecem uma grande variedade de nanoestruturas auto-organizáveis. Eles também oferecem a oportunidade de ligação entre a nano e biotecnologia em, por exemplo, criar sensores biocompatíveis e simples e pequenos motores.
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» Fulerenos (Carbono 60):
• Essa nova classe de carbono foi descoberta na década de 80 e chamado de Carbono 60 (C60). São moléculas esféricas de aproximadamente 1nm de diâmetro, contendo 60 carbonos arranjados em 20 hexágonos e 12 pentágonos. Podem ser utilizados para várias aplicações, tais como, a lubrificação de superfícies, veículo de drug-delivery e em circuitos eletrônicos.
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» Dendrímeros:
• São moléculas poliméricas esféricas, formadas por processo de auto-organização hierárquica. Eles são usados em aplicações convencionáis de recobrimento e pintura. Futuramente podem ser usados em drug-delivery e até mesmo no auxílio de purificação de água através do aprisionamento de íons metálicos.
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» Pontos Quânticos
• São nanopartículas em semicondutores que foram criados no início dos anos 80. São muito utilizados em aplicações de opto-eletrônica, tais como, lasers, LEDs e células solares. Essas partículas possibilitam um confinamento de cargas elétricas, fincionando como uma átomo artificial.
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Aplicações
» Protetores Solares e Cosméticos:
• Nanopartículas de dióxido de titânio e óxido de zinco são usados em alguns protetores solares. Eles refletem os raios ultravioletas (UV) e são transparentes à luz visível, sendo mais atrativos aos consumidores.
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» Tecidos Impermeáveis:
• Uma empresa americana chamada Nano-Tex LLC desenvolve calças com um tecido especial que repele água. O tecido é produzido com milhões de microscópicas substâncias que aderem às fibras de cotton e efetivamente repelem rapidamente o líquido sem deixar nenhum vestígio.
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As partículas são criadas manipulando alguns átomos de carbono até chegar a forma desejada, que tem aproximadamente 10nm de de comprimento. Agregado à celulose da fibra, o material de torna hidrofóbico. Como as partículas são muito pequenas, elas não alteram a aparência do material.
» Nanopartículas de Argila
• Nanopartículas de argila ocorrem naturalmente e tem sido muito importante em materiais de construção. Partículas de argila modificadas, contendo plásticos e nanoflocos de argila estão sendo aplicados na construção de armotecedores de carros mais resistentes.
» Janelas Auto-limpantes
• Um material que recobre o vidro foi desenvolvido pela empresa activglass e tem a função de auto-limpar a janela. O material que recobre o vidro é ativado pelos raios ultra-violeta e quebram as moléculas orgânicas e diminuem a aderência da sujeira inorgânica. Com isso a sujeira é carregada pela chuva.
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» Tintas:
• O uso de nanopartículas em tintas pode trazer enormes benefícios, entre eles: tintas mais brilhantes, masi leves, com menos solventes, ecologicamente mais seguras e, até mesmo, ante arranhões.
» Displays:
• O grande mercado da área de displays tem se beneficiado enormemente com a nanotecnologia. Painéis mais brilhantes, com tela plana tem sido desenvolvidos com nanomateriais. Recentemente os nanotubos de carbono tem sido investigados para o uso em telas devido à uma grande variedades de vantagens: telas com menor voltagem de emissão de campo, condutividade, brilho e outras característivas.
Outro material utilizado recentemente na construção de displays são os OLEDs, LED desenvolvidos com materias orgânicos (veja em física).
» Baterias:
• Com o grande aumento no número de equipamentos portáteis (telefones celulares, GPS, computadores, sensores remotos) há um aumento na necessidade do desenvolvimento de baterias mais leves e com mais capacidade de energia. Materiais nanocristalinos sintetizados por técnicas sol-gel são os candidatos mais promissores, podendo armazenar bem mais energia do que as baterias convensionais.
» Chips de computador
• A capacidade computacional atual foi obtida, principalmente, com ajuda dos processos de minitaturização dos transistores. Como comparação, o chip Intel 4004, de 1971, possuia 2300 transistores usando uma tecnologia de 10000nm; já o Intel Xeon, de 2003, possui 108 milhões de transistores funcionando com uma frequência muito maior e possuindo tecnologia de 130nm. Os grandes desafios para o futuro, como em todos os materiais nanométricos, são os problemas originados com a miniaturização se aproximando cada vez mais aos limites atômicos. A grande expectativa é que os processadores de 2007 e 2013 utilizem tecnologias de 65nm e 32nm respectivamente. Em laboratórios já é possível atingir escalas ainda menores com a utilização de nanotubos de carbono no desenvolvimento de transistores. Recentemente, em novembro de 2004, um grupo de pesquisadores alemães anunciaram a criação do menor transistor obtido até hoje. Esse transistor possui 18nm de tamanho de canal. Veja a figura abaixo:
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Além da miniaturização dos dispositivos atuais, uma outra tendência ganha força no desenvolvimento da computação e da eletrônica, a Eletrônica Molecular que, diferentemente da eletrônica convencional, utiliza moléculas ao invés de semicondutores. Outros paradigmas para o desenvolvimento da computação vem surgindo junto com o desenvolvimento da nanotecnologia, entre eles podmos destacar o Quantum-Dots Cellular Automata (QCA), veja mais em em Engenharia Elétrica.
» Armazenamento de Informação:
• Memórias de computador é um dos elementos mais importantes na intustria da tecnologia de informação. O uso de nanotecnologia pode ajudar muito no desenvolvimento de memórias menores e com mais capacidade. Recentemente pesquisadores alemães anunciaram a criação de uma nova célula de memória de 20nm, aproximadamente 5000 vezes mais fino que um fio de cabelo. A espectativa dos pesquisadore é que essa nova célula possa ser usada na criação de memórias não-voláteis com capacidade de até 32Gb.
» Optoeletrônica:
• A industria da Optoeletrônica tem uma importância muito grande nas tecnologias de informação e telecomunicações e o auxílio de componentes nanométricos, tais como, pontos quânticos e poços quânticos aumentam significativamente a eficiciência dos novos produtos.