Adeus silício, bem-vindo carbono (parte 1)
Fonte: http://blogs.forumpcs.com.br/cat/2010/04/19/adeus-silicio-bem-vindo-carbono/
Postado as
05:25 - 19/04/2010 - Por
Carlos Alberto Teixeira.
Categorias:
Computadores, Processadores, Servidores.
Aqui
está ele, o silício, fundamento da indústria eletrônica digital tal
como a conhecemos hoje. Sua hegemonia nesse setor, porém, parece estar
com seus dias contados.
Quase toda essa fascinante tecnologia eletrônica e computacional que
nos cerca baseia-se num elemento químico tão abundante na Natureza que
mal nos damos conta de sua importância — o silício. Foi descoberto em
1787 por Lavoisier como componente da pedra sílex, aquela que o homem
das cavernas usava para produzir fogo, esfregando uma na outra e
produzindo fagulhas que incendiavam galhos e capim secos.
Silício é do que é feita a areia, e é usado também para fabricar
vidro. Este elemento, aliás, tem sido o grande vilão da aviação
comercial na Europa nos últimos dias, pois é o principal constituinte da
poeira expelida pelo vulcão islandês Eyjafjallajökull (nome medonho
que, segundo um amigo meu islandês, pronuncia-se “êia-fiátla-iêkutl”),
cujo silício pode entrar nas turbinas de uma aeronave, derreter e
destruir os mecanismos, depositando no metal uma fina camada parecida
com vidro.
No caso da eletrônica, a principal aplicação do silício é na fabricação de
semicondutor
es, materiais que têm um comportamento entre o condutor e o isolante.
Para produzi-los, pega-se o silício puro e introduz-se nele átomos de
impurezas, num processo conhecido como ”
dopagem “. Esses átomos intrusos podem ser de elementos como arsênio, boro, fósforo e gálio, entre outros.
Esse controle sobre a condutividade do silício dopado é necessário
para produzir componentes de suma importância na indústria eletrônica,
tais como transistores, circuitos integrados, células solares,
microprocessadores e outras peças de alta tecnologia. Um ramo
tecnológico chamado “fotônica de silício”, por exemplo, dedica-se a
produzir guias de onda capazes de conduzir luz coerente ao longo de
circuitos — um processo denominado ”
laser Raman
“. Outra aplicação do silício é em sua forma hidrogenada amorfa (sem
forma), na produção de aplicações eletrônicas de baixo custo e grande
área, como telas LCD e células solares de filme fino.
Estrutura do silício hidrogenado amorfo.
O que vemos, então, na atualidade, é que o silício é o
rei da cocada preta
, quando o assunto é eletrônica digital. Contudo, correndo por fora,
vem despontando um outro elemento químico que é uma grande promessa como
substituto do silício nesse campo — o carbono. Mas, espera aí. Para quê
precisamos de um substituto? Resposta: estamos chegando perto do limite
físico do silício, que cada vez mais estamos forçando com a
miniaturização dos circuitos, o afinamento das trilhas condutoras dentro
dos chips e a demanda por menor consumo elétrico. Em suma, nossa
ganância tecnológica está aos poucos aposentando o bom e velho silício.
E este é o carbono, apresentado aqui em uma de suas estruturas mais comumente encontradas na Natureza — o grafite.
Segundo artigo de R. Colin Johnson, da “EETimes”, o carbono — base de
todos os compostos químicos orgânicos — parece destinado a suplantar o
silício como material escolhido para fabricar semicondutores no futuro.
Esse elemento, que fica logo acima do silício na tabela periódica dos
elementos, será a base de várias estruturas que podem o silício em
termos de desempenho térmico, alcance de frequências e talvez até em
supercondutividade. As perspectivas que se abrem com o uso do carbono na
indústria eletrônica são formidáveis e, aliás, há cerca de dois anos,
já
escrevi um pouco sobre o tema aqui no Fórum PCs.
Dentre as tecnologias do carbono, as do diamante são provavelmente as
mais próximas de entrar no mercado no presente momento, considerando
que os trabalhos científicos e experimentais com diamantes nessa área já
estão acontecendo há mais de 15 anos. Para quem não se lembra, o
diamante é feito de átomos carbono arranjados em uma estrutura cúbica
muito sólida, que lhe confere o título de material mais duro da
Natureza. As outras estruturas atômicas envolvendo carbono ainda estão
muito atrás do diamante em termos de proximidade de comercialização em
aplicações tecnológicas. Mas, que outras estruturas são essas?
Este
é um corte circular realizado em uma camada de diamante produzida por
CVD (Chemical Vapor Deposition = deposição química a vapor) com 500
micra de espessura.
Eis aqui uma única placa de CVD de diamante, produzida nos laboratórios da Universidade de Uppsala, na Suécia.
Vamos pensar matematicamente em termos de dimensões. Dimensão “zero”
equivale a um ponto; dimensão “um” é uma linha; dimensão “dois”
corresponde a uma superfície, uma área; e dimensão “três” representa um
volume. Portanto, na família das estruturas carbônicas, temos o carbono
tridimensional simbolizado pelo diamante, uma estrutura com volume e que
oferece dez vezes mais dissipação de calor do que o silício.
Fornecedores experimentais atualmente conseguem produzir finas camadas
(chamadas “filmes”) de 40 nanômetros a 15 micra de diamante por sobre
waffers de silício.
Ilustração da estrutura de um diamante, uma rede volumétrica compacta, duríssima e bem amarrada.
Essa
estrutura é a do grafite, composta dos mesmos átomos que o diamante,
mas disposta em camadas que escorregam umas sobre as outras, daí o pó de
grafite ser usado às vezes como lubrificante.
Descendo uma dimensão, temos as superfícies bidimensionais em
monocamada com espessura de 3 angstrom chamadas grafeno, capazes de
permitir que os elétrons se movimentem nela dez vezes mais rápido do que
no silício, ultrapassando a barreira do velho material e permitindo
desempenhos da ordem de Terahertz.
Uma
sonda do NIST (National Institute of Standards and Technology) escaneia
e mapeia os contornos atômicos do grafeno por meio da aplicação de um
campo magnético que faz com que seus elétrons se organizem em órbitas de
ciclotron, ou seja, quase circulares. (Fonte “EETimes”)
Baixando mais uma dimensão, temos os nanotubos de carbono, com 1
nanômetro de diâmetro, capazes de suplantar as barreiras de velocidade
impostas pelo silício. Esses nanotubos aparecerão primeiramente no
mercado como “tintas” imprimíveis, que permitirão velocidades dez vezes
superiores às dos transistores orgânicos cujos protótipos já estão em
operação.
Geometria de nanotubos
Imagem colorida de nanotubos
Nanotubos carbônicos logo após sua geração
E, caindo para a dimensão zero — o ponto — temos as esferas
carbônicas com 60 átomos desse elemento, e que são chamadas fulerenos.
Elas podem significar a resposta à incapacidade do silício em atingir
supercondutividade em altas temperaturas. Apenas lembrando,
supercondutividade é quando um elemento apresenta resistência zero à
passagem de corrente elétrica. Amostras compactadas de fulerenos
intercalados com átomos de metais alcalinos apresentam
supercondutividade a 38º Kelvin, o que equivale a-235,15º C.
Nesse ponto, o leitor achará estranho considerar 38º Kelvin uma alta
temperatura. Acontece que esse conceito é muito relativo, quando se
trata de supercondutividade. Qualquer coisa mais quente do que 30º K já é
tida como alta temperatura sob essa ótica, especialmente se tal medida
se aproximar dos 77º K, que é temperatura do ponto de ebulição do
nitrogênio líquido, material relativamente barato de se obter.
Fibra
de alto desempenho de nanotubos de carbono com dupla-parede após
auto-colapso, em experimento realizado pelo departamento de ciência dos
materiais e metalurgia da Universidade de Cambridge, na Inglaterra.
Mas independentemente de frio ou quente, o que nós presenciaremos nos
próximos anos será que as tecnologias de processamento de carbono se
tornarão mais economicamente viáveis e substituirão quase todos os
materiais empregados na fabricação de circuitos hoje em dia — condutores
para interligar dispositivos; semicondutores; e isolantes. Só não se
pode precisar em quanto tempo exatamente chegaremos a esse ponto,
especialmente numa economia mundial sujeita (como sempre será) às
flutuações causadas por catástrofes financeiras que vêm pipocando aqui e
ali.
Empresas de tecnologia de ponta estão unindo esforços nessa área. Foi o que aconteceu em 2008 com a
Nantero e a
SVTC , que
firmaram parceria
para oferecer o primeiro serviço de forja para desenvolvimento de
filmes finos de nanotubos de carbono.Quem está gostando muito disso são
os fabricantes de chips, que pretendem integrar filmes de nanotubos em
interconexões de alto desempenho em circuitos CMOS comerciais. As
aplicações incluem células solares, LEDs, sensores, MEMS e outros
dispositivos baseados em semicondutores. O problema é que o consórcio de
empresas ainda está tendo dificuldades em encontrar clientes que
queiram comercializar os dispositivos fabricados com essa técnica.
Para termos uma referência, tendo em vista a integração de
dispositivos dentro de chips CMOS abaixo de 22 nanômetros, por exemplo,
ainda faltam cerca de cinco anos antes que os pioneiros do mercado
consigam comercializar nanotubos de carbono à altura. Se bem que esse
material já está sendo produzido em massa por empresas especializadas
como a DuPont, e já apareceram no mercado como camadas depositadas em
substratos de plástico flexível por gigantes de indústria, como a NEC.
Diamantes
podem ser duros, mas agregados amorfos de fulereno são ainda mais. Uma
medida chamada “módulo de compressibilidade isotérmica” tem o valor de
442 GPa (Gigapascals) para o diamante, e de 491 Gpa para o fulereno
amorfo. O problema é que fulerenos não são encontrados originalmente na
Natureza e produzi-los ainda é caro. No entanto, depois da “Idade do
Diamante” na eletrônica, certamente veremos surgir a “Idade dos
Fulerenos”, quando estes dominarão a ciência dos materiais. Mas isso
será coisa para nossos filhos ou talvez netos verem, não nós.
Outras empresas vêm adotando estratégicas de produção diferentes, como é o caso da
Nanocomp
, que está aplicando nanotubos em folhas de carbono que podem ser
usadas para detectar rachaduras e outras falhas estruturais em materiais
críticos. A empresa também desenvolve fios e cabos de nanotubos que são
comparáveis aos feitos de cobre em termos de condutividade elétrica,
com a vantagem de serem 80% mais leves.
Na semana que vem continuarei no tema, apresentando os novos e
promissores horizontes que se abrem com essa formidável tecnologia que
decerto revolucionará o desempenho dos dispositivos eletrônicos em
breve.
Bioeletrônica: É
a tecnologia de bio-nano-sensores (sensores contruídos com
nanotecnologia, usando materias biológicos) e na engenharia neural. São
dispositivos de interface com tecidos neurais.
Imageamento óptico:
As tecnologias baseadas em imagens ópticas serão cada vez mais
utilizadas para o diagnóstico e para o acompanhamento do câncer, das
doenças cardiovasculares e outras doenças fibróticas.
Bio-robôs: “As
aplicações clínicas, terapêuticas e cirúrgicas dos robôs médicos com
instrumentação avançada, sensores, atuadores e sistemas de tempo real
podem ter um impacto revolucionário na medicina e no cuidado da saúde”,
afirmou Dhawan.
