Nanotecnologia - Nanotechnology

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Nanotecnologia , também abreviada para nanotecnologia , é o uso da matéria em escala atômica , molecular e supramolecular para fins industriais. A descrição mais antiga e difundida da nanotecnologia referia-se ao objetivo tecnológico específico de manipular com precisão átomos e moléculas para a fabricação de produtos em macroescala, agora também conhecida como nanotecnologia molecular . Uma descrição mais generalizada da nanotecnologia foi posteriormente estabelecida pela National Nanotechnology Initiative , que definiu a nanotecnologia como a manipulação de matéria com pelo menos uma dimensão de 1 a 100 nanômetros . Esta definição reflete o fato de que os efeitos da mecânica quântica são importantes nesta escala do reino quântico e , portanto, a definição mudou de um objetivo tecnológico específico para uma categoria de pesquisa que inclui todos os tipos de pesquisa e tecnologias que lidam com as propriedades especiais da matéria que ocorrem abaixo do limite de tamanho determinado. Portanto, é comum ver a forma plural "nanotecnologias", bem como "tecnologias em nanoescala", para se referir à ampla gama de pesquisas e aplicações cuja característica comum é o tamanho.

A nanotecnologia, conforme definida pelo tamanho, é naturalmente ampla, incluindo campos da ciência tão diversos como ciência de superfície , química orgânica , biologia molecular , física de semicondutores , armazenamento de energia , engenharia , microfabricação e engenharia molecular . As pesquisas e aplicações associadas são igualmente diversas, variando de extensões da física de dispositivos convencionais a abordagens completamente novas baseadas na automontagem molecular , do desenvolvimento de novos materiais com dimensões na escala nano ao controle direto da matéria na escala atômica .

Os cientistas atualmente debatem as implicações futuras da nanotecnologia . A nanotecnologia pode ser capaz de criar muitos novos materiais e dispositivos com uma vasta gama de aplicações , como em nanomedicina , nanoeletrônica , produção de energia de biomateriais e produtos de consumo. Por outro lado, a nanotecnologia levanta muitas das mesmas questões que qualquer nova tecnologia, incluindo preocupações sobre a toxicidade e o impacto ambiental dos nanomateriais e seus efeitos potenciais na economia global, bem como especulações sobre vários cenários apocalípticos . Essas preocupações levaram a um debate entre grupos de defesa e governos sobre se a regulamentação especial da nanotecnologia é necessária.

Origens

Os conceitos que semearam a nanotecnologia foram discutidos pela primeira vez em 1959 pelo renomado físico Richard Feynman em sua palestra Há muito espaço no fundo , na qual ele descreveu a possibilidade de síntese por meio da manipulação direta de átomos.

Comparação de tamanhos de nanomateriais

O termo "nanotecnologia" foi usado pela primeira vez por Norio Taniguchi em 1974, embora não fosse amplamente conhecido. Inspirado pelos conceitos de Feynman, K. Eric Drexler usou o termo "nanotecnologia" em seu livro de 1986, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology , que propôs a ideia de um "montador" em nanoescala que seria capaz de construir uma cópia de si mesmo e de outros itens de complexidade arbitrária com controle atômico. Também em 1986, Drexler co-fundou o The Foresight Institute (do qual ele não é mais afiliado) para ajudar a aumentar a consciência pública e a compreensão dos conceitos e implicações da nanotecnologia.

O surgimento da nanotecnologia como um campo na década de 1980 ocorreu por meio da convergência do trabalho teórico e público de Drexler, que desenvolveu e popularizou uma estrutura conceitual para a nanotecnologia, e avanços experimentais de alta visibilidade que chamaram atenção adicional em larga escala para as perspectivas do controle atômico de importam. Na década de 1980, dois grandes avanços desencadearam o crescimento da nanotecnologia na era moderna. Primeiro, a invenção do microscópio de tunelamento de varredura em 1981, que forneceu a visualização sem precedentes de átomos e ligações individuais, e foi usado com sucesso para manipular átomos individuais em 1989. Os desenvolvedores do microscópio Gerd Binnig e Heinrich Rohrer no Laboratório de Pesquisa da IBM em Zurique receberam um Prêmio Nobel em Física em 1986. Binnig, Quate e Gerber também inventaram o microscópio de força atômica análogo naquele ano.

Buckminsterfullerene C 60 , também conhecido como buckyball , é um membro representativo das estruturas de carbono conhecidas como fulerenos . Os membros da família do fulereno são um dos principais temas de pesquisa sob a égide da nanotecnologia.

Em segundo lugar, os fulerenos foram descobertos em 1985 por Harry Kroto , Richard Smalley e Robert Curl , que juntos ganharam o Prêmio Nobel de Química em 1996 . C 60 não foi inicialmente descrito como nanotecnologia; o termo foi usado em relação ao trabalho subsequente com nanotubos de carbono relacionados (às vezes chamados de tubos de grafeno ou tubos de Bucky), que sugeriam aplicações potenciais para dispositivos e eletrônicos em nanoescala. A descoberta de nanotubos de carbono é em grande parte atribuída a Sumio Iijima da NEC em 1991, pelo qual Iijima ganhou o primeiro Prêmio Kavli de Nanociência em 2008 .

Um nanocamada-base de junção de metal-semicondutor (M-S junção) transístor foi inicialmente proposto por A. Rose, em 1960, e fabricada por L. Geppert, Mohamed Atalla e Dawon Kahng em 1962. décadas mais tarde, os avanços em multi-porta tecnologia permitiu o dimensionamento de dispositivos de transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal (MOSFET) para níveis de escala nano menores que 20 nm de comprimento de porta, começando com o FinFET (transistor de efeito de campo fin), um tridimensional, não planar, MOSFET de porta dupla. Na UC Berkeley , uma equipe de pesquisadores incluindo Digh Hisamoto, Chenming Hu , Tsu-Jae King Liu , Jeffrey Bokor e outros fabricaram dispositivos FinFET com um processo de 17  nm em 1998, depois 15  nm em 2001 e 10  nm em 2002.

No início dos anos 2000, o campo atraiu maior atenção científica, política e comercial que gerou polêmica e progresso. Surgiram controvérsias a respeito das definições e implicações potenciais das nanotecnologias, exemplificadas pelo relatório da Royal Society sobre nanotecnologia. Desafios foram levantados em relação à viabilidade das aplicações previstas pelos defensores da nanotecnologia molecular, que culminou em um debate público entre Drexler e Smalley em 2001 e 2003.

Enquanto isso, a comercialização de produtos com base em avanços em tecnologias em nanoescala começou a surgir. Esses produtos são limitados a aplicações em massa de nanomateriais e não envolvem o controle atômico da matéria. Alguns exemplos incluem a plataforma Silver Nano para usar nanopartículas de prata como um agente antibacteriano, filtros solares transparentes à base de nanopartículas , reforço de fibra de carbono usando nanopartículas de sílica e nanotubos de carbono para têxteis resistentes a manchas.

Os governos passaram a promover e financiar pesquisas em nanotecnologia, como nos Estados Unidos com a National Nanotechnology Initiative , que formalizou uma definição de nanotecnologia baseada em tamanho e estabeleceu financiamento para pesquisas em nanoescala, e na Europa por meio dos Programas Estruturais Europeus para Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico .

Em meados da década de 2000, uma nova e séria atenção científica começou a florescer. Surgiram projetos para produzir roteiros de nanotecnologia que se concentram na manipulação atomicamente precisa da matéria e discutem os recursos, objetivos e aplicações existentes e projetados.

Em 2006, uma equipe de pesquisadores coreanos do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) e do National Nano Fab Center desenvolveu um MOSFET de 3 nm , o menor dispositivo nanoeletrônico do mundo . Foi baseado na tecnologia FinFET gate-all-around (GAA).

Mais de sessenta países criaram programas governamentais de pesquisa e desenvolvimento (P&D) em nanotecnologia entre 2001 e 2004. O financiamento do governo foi excedido pelos gastos corporativos em P&D em nanotecnologia, com a maior parte do financiamento vindo de empresas com sede nos Estados Unidos, Japão e Alemanha. As cinco principais organizações que apresentaram o maior número de patentes intelectuais em P&D em nanotecnologia entre 1970 e 2011 foram Samsung Electronics (2.578 primeiras patentes), Nippon Steel (1.490 primeiras patentes), IBM (1.360 primeiras patentes), Toshiba (1.298 primeiras patentes) e Canon ( 1.162 primeiras patentes). As cinco principais organizações que publicaram a maioria dos artigos científicos sobre pesquisa em nanotecnologia entre 1970 e 2012 foram a Academia Chinesa de Ciências , a Academia Russa de Ciências , o Centre national de la recherche scientifique , a Universidade de Tóquio e a Universidade de Osaka .

Conceitos fundamentais

Nanotecnologia é a engenharia de sistemas funcionais em escala molecular. Isso cobre tanto o trabalho atual quanto os conceitos mais avançados. Em seu sentido original, nanotecnologia se refere à capacidade projetada de construir itens de baixo para cima, usando técnicas e ferramentas que estão sendo desenvolvidas hoje para fazer produtos completos e de alto desempenho.

Um nanômetro (nm) é um bilionésimo, ou 10 -9 , de um metro. Em comparação, os comprimentos típicos das ligações carbono-carbono , ou o espaçamento entre esses átomos em uma molécula , estão na faixa de 0,12–0,15 nm , e uma dupla hélice de DNA tem um diâmetro de cerca de 2 nm. Por outro lado, as menores formas de vida celular , as bactérias do gênero Mycoplasma , têm cerca de 200 nm de comprimento. Por convenção, a nanotecnologia é considerada no intervalo de escala de 1 a 100 nm, seguindo a definição usada pela National Nanotechnology Initiative nos EUA. O limite inferior é definido pelo tamanho dos átomos (o hidrogênio tem os menores átomos, que têm aproximadamente um quarto de um nm de diâmetro cinético ), uma vez que a nanotecnologia deve construir seus dispositivos a partir de átomos e moléculas. O limite superior é mais ou menos arbitrário, mas está em torno do tamanho abaixo do qual os fenômenos não observados em estruturas maiores começam a se tornar aparentes e podem ser utilizados no nano dispositivo. Esses novos fenômenos tornam a nanotecnologia distinta de dispositivos que são meramente versões miniaturizadas de um dispositivo macroscópico equivalente ; tais dispositivos estão em uma escala maior e estão sob a descrição de microtecnologia .

Para colocar essa escala em outro contexto, o tamanho comparativo de um nanômetro para um metro é o mesmo que o de uma bola de gude para o tamanho da Terra. Ou outra forma de dizer: um nanômetro é a quantidade de barba de um homem comum durante o tempo que leva para levar a navalha ao rosto.

Duas abordagens principais são usadas em nanotecnologia. Na abordagem "de baixo para cima", os materiais e dispositivos são construídos a partir de componentes moleculares que se montam quimicamente por princípios de reconhecimento molecular . Na abordagem "de cima para baixo", os nanoobjetos são construídos a partir de entidades maiores sem controle em nível atômico.

Áreas da física, como a nanoelectrónica , nanomecânica , nanophotonics e nanoionics evoluíram durante as últimas décadas para fornecer uma base científica básica da nanotecnologia.

Do maior para o menor: uma perspectiva dos materiais

Imagem de reconstrução em uma superfície limpa de ouro ( 100 ), conforme visualizada por meio de microscopia de varredura por tunelamento . As posições dos átomos individuais que compõem a superfície são visíveis.

Vários fenômenos tornam-se pronunciados conforme o tamanho do sistema diminui. Isso inclui efeitos mecânicos estatísticos , bem como efeitos mecânicos quânticos , por exemplo, o " efeito do tamanho quântico ", em que as propriedades eletrônicas dos sólidos são alteradas com grandes reduções no tamanho das partículas. Este efeito não surge passando das dimensões macro para as microdimensões. No entanto, os efeitos quânticos podem se tornar significativos quando a faixa de tamanho dos nanômetros é atingida, normalmente a distâncias de 100 nanômetros ou menos, o chamado reino quântico . Além disso, várias propriedades físicas (mecânicas, elétricas, ópticas, etc.) mudam quando comparadas aos sistemas macroscópicos. Um exemplo é o aumento da área de superfície em relação ao volume, alterando as propriedades mecânicas, térmicas e catalíticas dos materiais. Difusão e reações em nanoescala, materiais nanoestruturados e nanodispositivos com transporte rápido de íons são geralmente chamados de nanoiônicos. As propriedades mecânicas dos nanossistemas são de interesse na pesquisa em nanomecânica. A atividade catalítica dos nanomateriais também abre riscos potenciais em sua interação com os biomateriais .

Os materiais reduzidos à nanoescala podem apresentar propriedades diferentes em comparação com o que exibem em uma macroescala, permitindo aplicações únicas. Por exemplo, substâncias opacas podem se tornar transparentes (cobre); materiais estáveis ​​podem se tornar combustíveis (alumínio); materiais insolúveis podem se tornar solúveis (ouro). Um material como o ouro, que é quimicamente inerte em escalas normais, pode servir como um potente catalisador químico em nanoescalas. Muito do fascínio pela nanotecnologia deriva desses fenômenos quânticos e de superfície que a matéria exibe em nanoescala.

Do simples ao complexo: uma perspectiva molecular

A química sintética moderna atingiu o ponto em que é possível preparar pequenas moléculas para quase qualquer estrutura. Esses métodos são usados ​​hoje para fabricar uma ampla variedade de produtos químicos úteis, como produtos farmacêuticos ou polímeros comerciais . Essa capacidade levanta a questão de estender esse tipo de controle para o próximo nível maior, buscando métodos para montar essas moléculas individuais em conjuntos supramoleculares consistindo em muitas moléculas organizadas de uma maneira bem definida.

Essas abordagens utilizam os conceitos de automontagem molecular e / ou química supramolecular para se organizarem automaticamente em alguma conformação útil por meio de uma abordagem de baixo para cima . O conceito de reconhecimento molecular é especialmente importante: as moléculas podem ser projetadas de modo que uma configuração ou arranjo específico seja favorecido devido a forças intermoleculares não covalentes . As regras de comparação de base de Watson-Crick são um resultado direto disso, assim como a especificidade de uma enzima ser direcionada a um único substrato ou o dobramento específico da própria proteína . Assim, dois ou mais componentes podem ser projetados para serem complementares e mutuamente atrativos, de modo que formem um todo mais complexo e útil.

Essas abordagens de baixo para cima devem ser capazes de produzir dispositivos em paralelo e ser muito mais baratas do que os métodos de cima para baixo, mas podem ser sobrecarregadas à medida que o tamanho e a complexidade do conjunto desejado aumentam. A maioria das estruturas úteis requer arranjos de átomos complexos e termodinamicamente improváveis. No entanto, existem muitos exemplos de automontagem com base no reconhecimento molecular em biologia , mais notavelmente o pareamento de base de Watson-Crick e as interações enzima-substrato. O desafio para a nanotecnologia é se esses princípios podem ser usados ​​para projetar novos construtos além dos naturais.

Nanotecnologia molecular: uma visão de longo prazo

Nanotecnologia molecular, às vezes chamada de manufatura molecular, descreve nanosistemas projetados (máquinas em nanoescala) operando em escala molecular. A nanotecnologia molecular está especialmente associada ao montador molecular , uma máquina que pode produzir uma estrutura desejada ou dispositivo átomo por átomo usando os princípios da mecanossíntese . A fabricação no contexto de nanosistemas produtivos não está relacionada e deve ser claramente diferenciada das tecnologias convencionais usadas para fabricar nanomateriais, como nanotubos de carbono e nanopartículas.

Quando o termo "nanotecnologia" foi cunhado de forma independente e popularizado por Eric Drexler (que na época não sabia de um uso anterior por Norio Taniguchi), ele se referia a uma futura tecnologia de fabricação baseada em sistemas de máquinas moleculares . A premissa era que analogias biológicas em escala molecular de componentes de máquinas tradicionais demonstraram que as máquinas moleculares eram possíveis: pelos inúmeros exemplos encontrados na biologia, sabe-se que máquinas biológicas sofisticadas e estocasticamente otimizadas podem ser produzidas.

Espera-se que o desenvolvimento da nanotecnologia possibilite sua construção por outros meios, talvez usando princípios biomiméticos . No entanto, Drexler e outros pesquisadores propuseram que a nanotecnologia avançada, embora talvez inicialmente implementada por meios biomiméticos, em última análise, poderia ser baseada em princípios de engenharia mecânica, ou seja, uma tecnologia de fabricação baseada na funcionalidade mecânica desses componentes (como engrenagens, rolamentos, motores e membros estruturais) que permitiriam a montagem posicional programável para a especificação atômica. O desempenho da física e da engenharia de projetos de exemplares foi analisado no livro Nanosystems de Drexler .

Em geral, é muito difícil montar dispositivos na escala atômica, pois é preciso posicionar átomos em outros átomos de tamanho e viscosidade comparáveis. Outra visão, apresentada por Carlo Montemagno , é que os nanossistemas futuros serão híbridos de tecnologia de silício e máquinas moleculares biológicas. Richard Smalley argumentou que a mecanossíntese é impossível devido às dificuldades em manipular mecanicamente moléculas individuais.

Isso levou a uma troca de cartas na publicação da ACS Chemical & Engineering News em 2003. Embora a biologia demonstre claramente que os sistemas de máquinas moleculares são possíveis, as máquinas moleculares não biológicas estão hoje apenas em sua infância. Os líderes na pesquisa de máquinas moleculares não biológicas são o Dr. Alex Zettl e seus colegas do Lawrence Berkeley Laboratories e da UC Berkeley. [1] Eles construíram pelo menos três dispositivos moleculares distintos cujo movimento é controlado a partir da área de trabalho com a mudança de voltagem: um nanotubo nanomotor , um atuador molecular e um oscilador de relaxamento nanoeletromecânico. Veja nanotubo nanomotor para mais exemplos.

Um experimento indicando que a montagem molecular posicional é possível foi realizado por Ho e Lee na Cornell University em 1999. Eles usaram um microscópio de tunelamento para mover uma molécula individual de monóxido de carbono (CO) para um átomo de ferro individual (Fe) sentado em uma prata plana cristal, e quimicamente ligou o CO ao Fe aplicando uma voltagem.

Pesquisa atual

Representação gráfica de um rotaxano , útil como interruptor molecular .
Este tetraedro de DNA é uma nanoestrutura projetada artificialmente do tipo feito no campo da nanotecnologia de DNA . Cada borda do tetraedro é uma dupla hélice de DNA de 20 pares de bases e cada vértice é uma junção de três braços.
Visão rotativa do C 60 , um tipo de fulereno.
Este dispositivo transfere energia de camadas nano-finas de poços quânticos para nanocristais acima deles, fazendo com que os nanocristais emitam luz visível.

Nanomateriais

O campo dos nanomateriais inclui subcampos que desenvolvem ou estudam materiais com propriedades únicas decorrentes de suas dimensões em nanoescala.

  • A ciência de interface e colóide deu origem a muitos materiais que podem ser úteis em nanotecnologia, como nanotubos de carbono e outros fulerenos, e várias nanopartículas e nanobastões . Nanomateriais com transporte rápido de íons também estão relacionados à nanoiônica e à nanoeletrônica.
  • Materiais em nanoescala também podem ser usados ​​para aplicações em massa; a maioria das aplicações comerciais atuais da nanotecnologia tem esse sabor.
  • Houve progresso no uso desses materiais para aplicações médicas; veja Nanomedicina .
  • Materiais em nanoescala, como nanopilares, às vezes são usados ​​em células solares, o que combate o custo das células solares de silício tradicionais .
  • Desenvolvimento de aplicações incorporando nanopartículas semicondutoras para serem utilizadas na próxima geração de produtos, como tecnologia de display, iluminação, células solares e imagens biológicas; veja pontos quânticos .
  • A aplicação recente de nanomateriais inclui uma gama de aplicações biomédicas , como engenharia de tecidos , administração de drogas , antibacterianos e biossensores .

Abordagens de baixo para cima

Eles procuram organizar componentes menores em montagens mais complexas.

  • A nanotecnologia de DNA utiliza a especificidade do pareamento de base Watson-Crick para construir estruturas bem definidas de DNA e outros ácidos nucléicos .
  • As abordagens no campo da síntese química "clássica" (síntese inorgânica e orgânica ) também visam projetar moléculas com formas bem definidas (por exemplo, bis-peptídeos ).
  • De forma mais geral, a automontagem molecular busca usar conceitos de química supramolecular, e reconhecimento molecular em particular, para fazer com que componentes de uma única molécula se organizem automaticamente em alguma conformação útil.
  • As pontas do microscópio de força atômica podem ser usadas como uma "cabeça de gravação" em nanoescala para depositar um produto químico sobre uma superfície em um padrão desejado em um processo chamado nanolitografia com caneta de mergulho . Esta técnica se encaixa no subcampo maior da nanolitografia .
  • O Molecular Beam Epitaxy permite montagens ascendentes de materiais, principalmente materiais semicondutores comumente usados ​​em chips e aplicativos de computação, pilhas, portas e lasers de nanofio .

Abordagens de cima para baixo

Eles procuram criar dispositivos menores usando outros maiores para direcionar sua montagem.

Abordagens funcionais

Eles procuram desenvolver componentes de uma funcionalidade desejada sem levar em conta como eles podem ser montados.

  • Montagem magnética para a síntese de materiais superparamagnéticos anisotrópicos, como as nanocadeias magnéticas apresentadas recentemente .
  • A eletrônica em escala molecular busca desenvolver moléculas com propriedades eletrônicas úteis. Estes poderiam então ser usados ​​como componentes de uma única molécula em um dispositivo nanoeletrônico. Para ver um exemplo, consulte o rotaxano.
  • Métodos químicos sintéticos também podem ser usados ​​para criar motores moleculares sintéticos , como em um nanocarro .

Abordagens biomiméticas

  • Biônica ou biomimética busca aplicar métodos e sistemas biológicos encontrados na natureza, para o estudo e projeto de sistemas de engenharia e tecnologia moderna. A biomineralização é um exemplo dos sistemas estudados.
  • Bionanotecnologia é o uso de biomoléculas para aplicações em nanotecnologia, incluindo o uso de vírus e conjuntos de lipídios. A nanocelulose é uma aplicação potencial em grande escala.

Especulativo

Esses subcampos buscam antecipar quais invenções a nanotecnologia pode produzir, ou tentam propor uma agenda ao longo da qual a investigação possa progredir. Freqüentemente, eles apresentam uma visão mais ampla da nanotecnologia, com mais ênfase em suas implicações sociais do que nos detalhes de como tais invenções poderiam realmente ser criadas.

  • Nanotecnologia molecular é uma abordagem proposta que envolve a manipulação de moléculas individuais de maneiras determinísticas e finamente controladas. Isso é mais teórico do que os outros subcampos, e muitas de suas técnicas propostas estão além das capacidades atuais.
  • A nanorrobótica centra-se em máquinas autossuficientes com algumas funcionalidades operando em nanoescala. Há esperanças de aplicação de nanorrobôs na medicina. No entanto, avanços em materiais e metodologias inovadores têm sido demonstrados com algumas patentes concedidas sobre novos dispositivos de nanofabricação para futuras aplicações comerciais, o que também ajuda progressivamente no desenvolvimento de nanorrobôs com o uso de conceitos de nanobioeletrônica incorporados.
  • Nanossistemas produtivos são "sistemas de nanossistemas" que serão nanossistemas complexos que produzem peças atomicamente precisas para outros nanossistemas, não necessariamente usando novas propriedades emergentes em nanoescala, mas fundamentos de fabricação bem conhecidos. Devido à natureza discreta (isto é, atômica) da matéria e à possibilidade de crescimento exponencial, esse estágio é visto como a base de outra revolução industrial. Mihail Roco , um dos arquitetos da Iniciativa Nacional de Nanotecnologia dos EUA, propôs quatro estados de nanotecnologia que parecem paralelos ao progresso técnico da Revolução Industrial, progredindo de nanoestruturas passivas a nanodispositivos ativos a nanomáquinas complexas e, finalmente, a nanossistemas produtivos.
  • A matéria programável visa projetar materiais cujas propriedades possam ser controladas de forma fácil, reversível e externa por meio de uma fusão de ciência da informação e ciência dos materiais .
  • Devido à popularidade e exposição do termo nanotecnologia na mídia , as palavras picotecnologia e femtotecnologia foram cunhadas em analogia a ele, embora sejam usadas apenas raramente e informalmente.

Dimensionalidade em nanomateriais

Nanomateriais podem ser classificados em 0D, 1D, 2D e 3D nanomateriais . A dimensionalidade desempenha um papel importante na determinação das características dos nanomateriais, incluindo características físicas , químicas e biológicas . Com a diminuição da dimensionalidade, um aumento na relação superfície-volume é observado. Isso indica que nanomateriais dimensionais menores têm área de superfície maior em comparação com nanomateriais 3D. Recentemente, nanomateriais bidimensionais (2D) são extensivamente investigados para aplicações eletrônicas , biomédicas , de entrega de drogas e biossensores .

Ferramentas e técnicas

Configuração típica de AFM . Um cantilever microfabricado com uma ponta afiada é desviado por recursos em uma superfície de amostra, muito parecido com um fonógrafo, mas em uma escala muito menor. Um feixe de laser reflete na parte traseira do cantilever em um conjunto de fotodetectores , permitindo que a deflexão seja medida e montada em uma imagem da superfície.

Existem vários desenvolvimentos modernos importantes. O microscópio de força atômica (AFM) e o microscópio de varredura de túnel (STM) são duas versões anteriores de sondas de varredura que lançaram a nanotecnologia. Existem outros tipos de microscopia de sonda de varredura . Embora conceitualmente semelhante ao microscópio confocal de varredura desenvolvido por Marvin Minsky em 1961 e ao microscópio acústico de varredura (SAM) desenvolvido por Calvin Quate e colegas de trabalho na década de 1970, os microscópios de sonda de varredura mais recentes têm resolução muito maior, uma vez que não são limitados pelo comprimento de onda de som ou luz.

A ponta de uma sonda de varredura também pode ser usada para manipular nanoestruturas (um processo chamado montagem posicional). A metodologia de varredura orientada a recursos pode ser uma maneira promissora de implementar essas nanomanipulações no modo automático. No entanto, este ainda é um processo lento devido à baixa velocidade de varredura do microscópio.

Várias técnicas de nanolitografia, como litografia óptica , litografia de raios-X , nanolitografia dip pen, litografia de feixe de elétrons ou litografia de nanoimpressão também foram desenvolvidas. A litografia é uma técnica de fabricação de cima para baixo em que um material a granel é reduzido em tamanho para um padrão em nanoescala.

Outro grupo de técnicas nanotecnológicas inclui aquelas usadas para a fabricação de nanotubos e nanofios , aquelas usadas na fabricação de semicondutores, como litografia ultravioleta profunda, litografia por feixe de elétrons, usinagem por feixe de íons focalizado, litografia por nanoimpressão, deposição de camada atômica e deposição de vapor molecular, e ainda incluindo técnicas de automontagem molecular, como aquelas que empregam copolímeros em di-bloco. Os precursores dessas técnicas precederam a era da nanotecnologia e são mais extensões no desenvolvimento de avanços científicos do que técnicas concebidas com o único propósito de criar nanotecnologia e que foram resultados de pesquisas em nanotecnologia.

A abordagem de cima para baixo prevê os nanodispositivos que devem ser construídos peça por peça em estágios, da mesma forma que os itens manufaturados são feitos. A microscopia de varredura por sonda é uma técnica importante tanto para a caracterização quanto para a síntese de nanomateriais. Microscópios de força atômica e microscópios de tunelamento de varredura podem ser usados ​​para observar superfícies e mover átomos. Ao projetar pontas diferentes para esses microscópios, eles podem ser usados ​​para esculpir estruturas em superfícies e ajudar a orientar as estruturas de automontagem. Usando, por exemplo, a abordagem de varredura orientada a recursos, átomos ou moléculas podem ser movidos em uma superfície com técnicas de microscopia de varredura de sonda. Atualmente, é caro e demorado para produção em massa, mas muito adequado para experimentação em laboratório.

Em contraste, as técnicas de baixo para cima constroem ou aumentam estruturas maiores átomo por átomo ou molécula por molécula. Essas técnicas incluem síntese química, automontagem e montagem posicional. A interferometria de polarização dupla é uma ferramenta adequada para a caracterização de filmes finos automontados. Outra variação da abordagem ascendente é a epitaxia de feixe molecular ou MBE. Pesquisadores da Bell Telephone Laboratories, como John R. Arthur. Alfred Y. Cho e Art C. Gossard desenvolveram e implementaram o MBE como uma ferramenta de pesquisa no final dos anos 1960 e 1970. As amostras feitas pelo MBE foram a chave para a descoberta do efeito Hall quântico fracionário, pelo qual o Prêmio Nobel de Física de 1998 foi concedido. MBE permite aos cientistas estabelecer camadas atomicamente precisas de átomos e, no processo, construir estruturas complexas. Importante para a pesquisa em semicondutores, o MBE também é amplamente usado para fazer amostras e dispositivos para o campo emergente da spintrônica .

No entanto, novos produtos terapêuticos, baseados em nanomateriais responsivos, como as vesículas Transfersome ultradeformáveis ​​e sensíveis ao estresse , estão em desenvolvimento e já foram aprovados para uso humano em alguns países.

Pesquisa e desenvolvimento

Devido à variedade de aplicações potenciais (incluindo industriais e militares), os governos investiram bilhões de dólares em pesquisas em nanotecnologia. Antes de 2012, os EUA investiram US $ 3,7 bilhões usando sua Iniciativa Nacional de Nanotecnologia , a União Europeia investiu US $ 1,2 bilhão e o Japão investiu US $ 750 milhões. Mais de sessenta países criaram programas de pesquisa e desenvolvimento (P&D) em nanotecnologia entre 2001 e 2004. Em 2012, os EUA e a UE investiram cada um US $ 2,1 bilhões em pesquisas em nanotecnologia, seguidos pelo Japão com US $ 1,2 bilhão . O investimento global atingiu US $ 7,9 bilhões em 2012. O financiamento do governo foi superado pelos gastos corporativos com P&D em pesquisas em nanotecnologia, que foram de US $ 10 bilhões em 2012. Os maiores investidores corporativos com P&D foram dos EUA, Japão e Alemanha, que somaram US $ 7,1 bilhões .

Principais organizações de pesquisa em nanotecnologia por patentes (1970–2011)
Classificação Organização País Primeiras patentes
1 Samsung Electronics Coreia do Sul 2.578
2 Nippon Steel e Sumitomo Metal Japão 1.490
3 IBM Estados Unidos 1.360
4 Toshiba Japão 1.298
5 Canon Inc. Japão 1.162
6 Hitachi Japão 1.100
7 Universidade da California, Berkeley Estados Unidos 1.055
8 Panasonic Japão 1.047
9 Hewlett-Packard Estados Unidos 880
10 TDK Japão 839
Principais organizações de pesquisa em nanotecnologia por publicações científicas (1970–2012)
Classificação Organização País Publicações científicas
1 Academia Chinesa de Ciências China 29.591
2 Academia Russa de Ciências Rússia 12.543
3 Centre national de la recherche scientifique França 8.105
4 Universidade de Tóquio Japão 6.932
5 Universidade de Osaka Japão 6.613
6 Tohoku University Japão 6.266
7 Universidade da California, Berkeley Estados Unidos 5.936
8 Conselho Nacional de Pesquisa Espanhol Espanha 5.585
9 Universidade de Illinois Estados Unidos 5.580
10 MIT Estados Unidos 5.567

Formulários

Uma das principais aplicações da nanotecnologia é na área de nanoeletrônica, com os MOSFET sendo feitos de pequenos nanofios de ≈10 nm de comprimento. Aqui está uma simulação de tal nanofio.
Nanoestruturas fornecer esta superfície com superhydrophobicity , que permite que as gotas de água rolo para baixo do plano inclinado .
Lasers nanofios para transmissão ultrarrápida de informações em pulsos de luz

Em 21 de agosto de 2008, o Projeto de Nanotecnologias Emergentes estima que mais de 800 produtos nanotecnológicos identificados pelo fabricante estão disponíveis publicamente, com novos chegando ao mercado a um ritmo de 3-4 por semana. O projeto lista todos os produtos em um banco de dados online acessível ao público. A maioria das aplicações é limitada ao uso de nanomateriais passivos de "primeira geração", que incluem dióxido de titânio em protetores solares, cosméticos, revestimentos de superfície e alguns produtos alimentícios; Alótropos de carbono usados ​​para produzir fita gecko ; prata em embalagens de alimentos, roupas, desinfetantes e eletrodomésticos; óxido de zinco em filtros solares e cosméticos, revestimentos de superfícies, tintas e vernizes para móveis de exterior; e óxido de cério como catalisador de combustível.

Outras aplicações permitem que as bolas de tênis durem mais, as bolas de golfe voem mais reto e até as bolas de boliche se tornem mais duráveis ​​e tenham uma superfície mais dura. Calças e meias foram infundidas com nanotecnologia para que durem mais e mantenham as pessoas frescas no verão. As bandagens estão sendo infundidas com nanopartículas de prata para curar cortes mais rapidamente. Os consoles de videogame e os computadores pessoais podem se tornar mais baratos, rápidos e conter mais memória graças à nanotecnologia. Além disso, para construir estruturas para computação em chip com luz, por exemplo, processamento de informação quântica óptica em chip e transmissão de informação em picossegundos.

A nanotecnologia pode ter a capacidade de tornar as aplicações médicas existentes mais baratas e mais fáceis de usar em locais como o consultório médico de clínica geral e em casa. Os carros estão sendo fabricados com nanomateriais para que possam precisar de menos metais e menos combustível para operar no futuro.

Os cientistas agora estão se voltando para a nanotecnologia na tentativa de desenvolver motores a diesel com gases de escapamento mais limpos. A platina é usada atualmente como o catalisador do motor diesel nesses motores. O catalisador é o que limpa as partículas da fumaça do escapamento. Primeiro, um catalisador de redução é empregado para retirar átomos de nitrogênio das moléculas de NOx para liberar oxigênio. Em seguida, o catalisador de oxidação oxida os hidrocarbonetos e o monóxido de carbono para formar dióxido de carbono e água. A platina é usada nos catalisadores de redução e oxidação. Usar a platina, porém, é ineficiente por ser caro e insustentável. A empresa dinamarquesa InnovationsFonden investiu DKK 15 milhões em uma busca por novos substitutos de catalisadores usando nanotecnologia. O objetivo do projeto, lançado no outono de 2014, é maximizar a área de superfície e minimizar a quantidade de material necessária. Os objetos tendem a minimizar sua energia superficial; duas gotas de água, por exemplo, se juntam para formar uma gota e diminuir a área de superfície. Se a área de superfície do catalisador que é exposta aos gases de escape for maximizada, a eficiência do catalisador será maximizada. A equipe que trabalha neste projeto tem como objetivo criar nanopartículas que não irão se fundir. Cada vez que a superfície é otimizada, o material é salvo. Assim, a criação dessas nanopartículas aumentará a eficácia do catalisador do motor diesel resultante - por sua vez, levando a gases de escapamento mais limpos - e diminuirá o custo. Se for bem-sucedido, a equipe espera reduzir o uso de platina em 25%.

A nanotecnologia também tem um papel proeminente no campo de rápido desenvolvimento da Engenharia de Tecidos . Ao projetar scaffolds, os pesquisadores tentam imitar as características em nanoescala do microambiente de uma célula para direcionar sua diferenciação para uma linhagem adequada. Por exemplo, ao criar estruturas para apoiar o crescimento ósseo, os pesquisadores podem simular fossos de reabsorção de osteoclastos .

Os pesquisadores usaram com sucesso nanorrobôs baseados em origami de DNA, capazes de realizar funções lógicas para atingir a distribuição de drogas direcionada em baratas. Diz-se que o poder computacional desses nanorrobôs pode ser ampliado até o de um Commodore 64 .

Nanoeletrônica

A fabricação de dispositivos semicondutores nanoeletrônicos comerciais começou na década de 2010. Em 2013, a SK Hynix iniciou a produção em massa comercial de um processo de 16 nm , a TSMC iniciou a produção de um processo FinFET de 16 nm e a Samsung Electronics iniciou a produção de um processo de 10 nm . A TSMC iniciou a produção de um processo de 7 nm em 2017, e a Samsung iniciou a produção de um processo de 5 nm em 2018. Em 2019, a Samsung anunciou planos para a produção comercial de um processo GAAFET de 3 nm até 2021.     

A produção comercial de memória semicondutora nanoeletrônica também começou na década de 2010. Em 2013, a SK Hynix iniciou a produção em massa de memória flash NAND de 16  nm e a Samsung iniciou a produção de memória flash NAND de célula de vários níveis (MLC) de 10 nm . Em 2017, a TSMC iniciou a produção de memória SRAM usando um processo de 7 nm .  

Implicações

Uma área de preocupação é o efeito que a fabricação em escala industrial e o uso de nanomateriais teriam na saúde humana e no meio ambiente, conforme sugerido pela pesquisa em nanotoxicologia . Por essas razões, alguns grupos defendem que a nanotecnologia seja regulamentada pelos governos. Outros contrapõem que o excesso de regulamentação sufocaria a pesquisa científica e o desenvolvimento de inovações benéficas. Agências de pesquisa de saúde pública , como o Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional, estão ativamente conduzindo pesquisas sobre os efeitos potenciais à saúde decorrentes da exposição a nanopartículas.

Alguns produtos de nanopartículas podem ter consequências indesejadas . Os pesquisadores descobriram que nanopartículas de prata bacteriostáticas usadas em meias para reduzir o odor dos pés estão sendo liberadas na lavagem. Essas partículas são então despejadas no fluxo de águas residuais e podem destruir bactérias que são componentes essenciais dos ecossistemas naturais, fazendas e processos de tratamento de resíduos.

Deliberações públicas sobre percepção de risco nos EUA e no Reino Unido realizadas pelo Center for Nanotechnology in Society descobriram que os participantes foram mais positivos sobre nanotecnologias para aplicações de energia do que para aplicações de saúde, com aplicações de saúde levantando dilemas morais e éticos, como custo e disponibilidade.

Especialistas, incluindo o diretor do Projeto de Nanotecnologias Emergentes do Woodrow Wilson Center, David Rejeski, testemunharam que a comercialização bem-sucedida depende de supervisão adequada, estratégia de pesquisa de risco e engajamento público. Berkeley, Califórnia, é atualmente a única cidade dos Estados Unidos a regulamentar a nanotecnologia; Cambridge, Massachusetts, em 2008, considerou a promulgação de uma lei semelhante, mas acabou rejeitando-a.

Preocupações com a saúde e o meio ambiente

Um vídeo sobre as implicações da nanotecnologia na saúde e segurança

As nanofibras são utilizadas em diversas áreas e em diversos produtos, desde asas de aeronaves até raquetes de tênis. A inalação de nanopartículas e nanofibras transportadas pelo ar pode causar uma série de doenças pulmonares , por exemplo, fibrose . Os pesquisadores descobriram que quando os ratos respiravam nas nanopartículas, as partículas se assentavam no cérebro e nos pulmões, o que levou a aumentos significativos nos biomarcadores para inflamação e resposta ao estresse e que as nanopartículas induzem o envelhecimento da pele por meio do estresse oxidativo em camundongos sem pelos.

Um estudo de dois anos na Escola de Saúde Pública da UCLA descobriu que ratos de laboratório consumindo dióxido de nano-titânio mostraram danos no DNA e cromossomos em um grau "ligado a todos os grandes assassinos do homem, ou seja, câncer, doenças cardíacas, doenças neurológicas e envelhecimento".

Um grande estudo publicado mais recentemente na Nature Nanotechnology sugere que algumas formas de nanotubos de carbono - um poster da "revolução da nanotecnologia" - podem ser tão prejudiciais quanto o amianto se inalados em quantidades suficientes. Anthony Seaton, do Instituto de Medicina Ocupacional de Edimburgo, Escócia, que contribuiu para o artigo sobre nanotubos de carbono, disse: "Sabemos que alguns deles provavelmente têm potencial para causar mesotelioma. Portanto, esses tipos de materiais precisam ser manuseados com muito cuidado." Na ausência de regulamentação específica vinda dos governos, Paull e Lyons (2008) pediram a exclusão de nanopartículas modificadas em alimentos. Um artigo de jornal relata que trabalhadores em uma fábrica de tintas desenvolveram doenças pulmonares graves e nanopartículas foram encontradas em seus pulmões.

Regulamento

Os apelos por uma regulamentação mais rígida da nanotecnologia ocorreram juntamente com um debate crescente relacionado aos riscos para a saúde humana e a segurança da nanotecnologia. Há um debate significativo sobre quem é responsável pela regulamentação da nanotecnologia. Algumas agências regulatórias cobrem atualmente alguns produtos e processos de nanotecnologia (em vários graus) - ao "anexar" a nanotecnologia às regulamentações existentes - existem lacunas claras nesses regimes. Davies (2008) propôs um roteiro regulatório que descreve as etapas para lidar com essas deficiências.

As partes interessadas preocupadas com a falta de uma estrutura regulatória para avaliar e controlar os riscos associados à liberação de nanopartículas e nanotubos traçaram paralelos com a encefalopatia espongiforme bovina (doença da "vaca louca"), talidomida , alimentos geneticamente modificados, energia nuclear, tecnologias reprodutivas, biotecnologia e asbestose . O Dr. Andrew Maynard, consultor científico-chefe do Projeto de Nanotecnologias Emergentes do Woodrow Wilson Center, conclui que não há financiamento suficiente para pesquisas em saúde e segurança humana e, como resultado, atualmente há compreensão limitada dos riscos à saúde humana e à segurança associados à nanotecnologia . Como resultado, alguns acadêmicos pediram uma aplicação mais estrita do princípio da precaução , com adiamento da aprovação de comercialização, rotulagem aprimorada e requisitos adicionais de desenvolvimento de dados de segurança em relação a certas formas de nanotecnologia.

O relatório da Royal Society identificou o risco de nanopartículas ou nanotubos serem liberados durante o descarte, destruição e reciclagem, e recomendou que "os fabricantes de produtos que se enquadram nos regimes de responsabilidade do produtor estendido , como regulamentos de fim de vida, publicem procedimentos descrevendo como esses materiais serão conseguiu minimizar a possível exposição humana e ambiental ”(p. xiii).

O Centro de Nanotecnologia na Sociedade descobriu que as pessoas respondem às nanotecnologias de forma diferente, dependendo da aplicação - com os participantes em deliberações públicas mais positivos sobre nanotecnologias para energia do que aplicações de saúde - sugerindo que qualquer chamada pública por nano regulamentações pode diferir por setor de tecnologia.

Veja também

Referências

links externos