Nanociência: como ela pode mudar a tecnologia - IT Web
| 10 de outubro de 2011
Nanociência: como ela pode mudar a tecnologia
João Antonio Zuffo*
O prefixo nano, quando referente a unidades, indica bilionésimo (10-9), da mesma forma que o mili indica milésimo (10-3), o micro, milionésimo (10 –6), o pico, trilionésimo (10-12) e o femto, quadrilionésimo (10-15). Dessa forma, um nanômetro indica um bilionésimo de metro e um nanossegundo, um bilionésimo de segundo. Quando aplicado diante de coisas, objetos, dispositivos, ações e nomes de modo geral, indica coisas, objetos e dispositivos com dimensões nessa unidade ou ações e tecnologias que trabalham, estudam, ou atuam sobre coisas, objetos e dispositivos nessas dimensões. Portanto, a nanociência estuda o comportamento físico-químico de partículas e corpos dessas dimensões e nanotecnologias desenvolvem aplicações e usos desses elementos.
Colocando em termos mais precisos, normalmente se considera no âmbito das nanociências e nanotecnologias elementos, objetos, dispositivos e instrumentos que operam com dimensões entre 100 nm e 1 nm. Para que se tenha idéia das dimensões de que estamos nos referindo, destacamos que o comprimento de ligações carbono-carbono, ou seja, o espaço desses átomos numa molécula varia entre 0,12 e 0,15 nm. A hélice dupla do ADN (DNA) tem um diâmetro de cerca de 2 nm, enquanto que menores formas de vida celular, a bactéria do gênero Micoplasma (Mycoplasma), por exemplo. Podemos ainda destacar que o cabelo humano tem em média um diâmetro de 80.000 nm, ou que os fios de barba crescem cerca de 1nm enquanto se passa o aparelho de barbear na face (1).
Existem dois tipos de abordagens nas aplicações de nanotecnologias: Topo-ao-fundo (top-down), Fundo-ao-topo (Bottom-up). A abordagem Topo-ao-fundo é classicamente utilizada na microeletrônica – na verdade hoje deveria ser chamada de nanoeletrônica – através de técnicas de redução fotográfica e da nanolitografia, enquanto que a abordagem Fundo-ao-topo é largamente utilizada pela natureza no crescimento de materiais cristalinos e em todos os processos de desenvolvimento biológico.
A nanoeletrônica já desenvolve em linha de produção dispositivos que possuem dimensões lineares de 22nm, devendo atingir 14nm em 2013 e cerca de 5nm em 2025. Em termos de espessura de óxidos, estes dispositivos já possuem camadas de óxidos com espessura de 10nm. O modelamento de um nanotransistor ou de nanodispositivos exige métodos especiais de análise e simulação, pois estão sujeitos a efeitos atomísticos e quânticos (3).
Estas mesmas tecnologias de nanoeletrônica permitem o desenvolvimento dos MEMS e NEMS (MicroElectroMechanical Systems e NanoElectro Mechanical Systems) envolvendo nanossensores e nanoatuadores, nanoengrenagens, nanomotores e etc.
Uma segunda abordagem do tipo Fundo-ao-topo utilizada classicamente na área de semicondutores é um tipo de crescimento cristalino denominado de Epitaxia por Feixe Molecular, EFM ( Molecular Beam Epitaxy – MBE). Basicamente utiliza-se nessa tecnologia uma câmara, onde são colocados dezenas de dispositivos, tipos especiais de fornos dotados de obturador, que permitem que materiais metálicos e semicondutores sejam diretamente sublimados. Dentro da câmara é feito altíssimo vácuo, de tal forma que os materiais sublimados sejam depositados camada atômica por camada atômica sobre um substrato. Através de nanolitografia, esta do tipo Topo-ao-fundo, é possível selecionar as regiões onde se deseja que estas camadas sejam depositadas.
Embora a abordagem Fundo-ao-topo ainda não tenha decolado em larga escala industrial, a não ser na área de biologia, as possibilidades a ela ligadas são imensas: na biologia trata-se da manipulação de células ADN (DNA) e de genes. Na indústria, o desenvolvimento de moléculas de qualquer estrutura, o que pode revolucionar os fármacos e os polímeros. Existem estudos sobre automontagem molecular, mas não só em nível nano, como em nível macro (4). Finalmente, devemos também o desenvolvimento de supermoléculas que tem possibilitado a construção de nanoestruturas bastante interessantes.
Atualmente, estamos assistindo a convergência das abordagens Topo-ao-fundo e Fundo-ao-topo. O desenvolvimento de poderosos instrumentos nas duas últimas possibilitam este encontro. Microscópio Eletrônico de Varredura MEV (Scanning Electronic Microscopy – SEM), Microscópio de Tunelamento, MET (Tunneling Electronic Microscopy – TEM), e o Microscópio de Força Atômica, MFA (Atomic Force Microscopy – AFM), tem tornado possível esta revolução (8 e 9) (Figura 1).
Nessa linha, vamos destacar dois desenvolvimentos interessantes: o primeiro denominado de Nanomanipulador Mestre, baseado nas técnicas semelhantes às utilizadas no microscópio de força atômica, permite o corte e segmentação ou manipulação de nanoelementos. É realizado como exemplo, em (5) o corte de molécula de ADN (DNA), que potencialmente pode ser utilizado em aplicações não biológicas como computação quântica e dispositivos nanoeletrônicos. Em outro caso, são construídos nanoletras e siglas apenas visíveis através de microscópios eletrônicos. (Figura 2)
Num segundo exemplo é desenvolvido um nanolaboratório no interior de um microscópio eletrônico que permite a construção de objetos tridimensionais. Tais desenvolvimentos permitem que se realizem conexões em nanofios e a construção de nanotubos de carbono concêntricos, formando nanoestruturas nanotelescópicas.
Tais estruturas têm um interesse imenso em energia, pois permitem a construção de ultrasupercapacitores que podem numa primeira fase suplementar as baterias, permitindo sua redução, e numa segunda fase substituí-las completamente. No Lawrence Berkeley Laboratories e na UC Berkeley, a equipe do Dr. Alex Zetl construiu dispositivos moleculares, cujo movimento é controlado por um computador portátil: um nanomotor com nanotubos, um atuador molecular e um oscilador de relaxação nanoeletromecânico. Sem dúvida a possibilidade de se armazenar grandes quantidades de energia apenas eletrostaticamente, sem nenhum processo eletroquímico é um avanço do ponto de vista ecológico e técnico maravilhoso.
As implicações das nanotecnologias nos pontos de vista médico, ético, legal e ambiental, causam sérias preocupações, tendo sido criadas comissões de supervisão em diferentes países (2, 6 e 7). Em termos de saúde, como as nanopartículas podem ter as mesmas dimensões de moléculas biológicas e como sua reatividade e difusidade aumentam a medida que diminuem de tamanho, podem facilmente mover-se dentro do corpo e atingirem o sangue e órgãos vitais como o fígado, o coração e o cérebro. Podem também passar pelas membranas celulares e reagirem com o ADN. Entre as maiores preocupações ambientais estão efeitos incontroláveis que podem ser provocados sistemas nanoautomontáveis que eventualmente podem se desenvolver indefinidamente. Aplicações militares, através de guerra biológica e implantes em soldados também são motivo para muitas preocupações.
Nos próximos dez anos, incluindo-se a nanoeletrônica prevê-se que mercado de nanotecnologias atinja o montante de U$ 1 trilhão, e que exija a formação de 2 milhões de pessoas especializadas.
Em termos de exemplos da presença de nanotecnologia no dia a dia, publiquei um livro "Flagrantes da vida no futuro", onde coloco a presença de nanorrobôs de diferentes formas e tipos, interagindo naturalmente com as pessoas. Neste livro coloquei um intervalo de 30 anos para sua presença, porém, dado os desenvolvimentos realizados é possível que tal realidade se materialize até antes.
Dentro das tecnologias Topo-ao-fundo de nanoeletrônica já é possível a construção da circuitaria (hardware) de um microrrobô. Imaginem um microcubro com 8000 nm de lado (um décimo de fio de cabelo humano). Dentro desse microcubo é possível, mesmo hoje, colocar uma enorme quantidade de dispositivos eletrônicos. Imaginem também que em todos os lados de nosso cubinho existam nanopinos e nanofendas, de forma que cada cubo consiga se conectar e se encaixar de forma especificada com o seu vizinho. Utilizando bilhões desses cubos é possível pensar em comandá-los de maneira que formem uma macroestrutura qualquer, ou mesmo operem com um macrorrobô do tipo mostrado no filme "O Exterminador do Futuro2".
O que realmente será difícil de desenvolver será a logicionaria (software) de comando dessa multidão de nanorrobôs. Entretanto, conhecemos exemplos de desenvolvimentos em controles de tentáculos articulados compostos de dezenas de segmentos e cubos desse tipo, capazes de se mover em quaisquer direções. (Figura 3).
Assustador? Sem dúvida, desde o domínio do fogo e da invenção da roda, todos os desenvolvimentos tecnológicos o são. Cabe a nós agirmos de maneira a afastar as ameaças e ver cumpridas as promessas.
Sistema de Manipulação Nanorrobótica
1) The Royal Society 2004 – ISBN 0854036040. Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties.
2) N.Taneguchi. "On the Basic Concept of Nanotechnology". Proc.Intl.Conf.Prod. London, Part II, British Society of Precision Engineering, 1974.
3) Anantram M.P., Lundstron, M.S.; Nikonov, D.E. "Modeling of Nanoscale Devices". Proceedings of the IEEE, vol.96, no.9, September, 2008 – page – 1511-1550.
4) Gruβ R. and Dorizo M. "Self-Assembly et Macroscopic Scale". Proceedings of the IEEE, vol.96, no.9, September, 2008 – page 1490-1508.
5) ZhangI.et al."Atomic Force Fields a Master Manipulador". IEEE Nanotechnology Magazine. Vol. 2, no.2, June 2008 – page 12-17.
6) United State National Institute for occupational Safety and Information Exchange with Health. 2008-04-13 "Approaches to Safe Nanotechnology: An Information Exchange with NIOSH.
7) Wikipedia – Implications of Nanotechnology.
*João Antônio Zuffo é engenheiro, membro do IEEE – Institute of Electric and Electronic Engineers, associação técnica profissional - professor e pesquisador titular da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, onde coordena o Laboratório de Sistemas Integráveis – LSI o qual produz importantes contribuições para o desenvolvimento tecnológico. Zuffo tem ampla formação também nas disciplinas sociais, históricas, culturais e econômicas. Tem 14 livros e mais de 160 trabalhos publicados, além de 32 teses orientadas. Participou em várias entidades e instituições como: professor associado da Faculdade de Engenharia Industrial (1970/1974); professor titular da Universidade Federal de São Carlos (1975/1980); membro da Comissão de Especialistas do Ensino de Engenharia do MEC (1978/1982) e presidente da Sociedade Brasileira de Microeletrônica (1992/1994). Atualmente participa de 16 sociedades científicas e profissionais, sendo sócio fundador em várias delas.