Nanotecnologia - Curiosidades e Aplicações

Fonte: http://nanotech.ica.ele.puc-rio.br/

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.

» 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.

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.

» 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.

» 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)

» 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.

» 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.

» 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.

» 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.

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.

» 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.

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.

» 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:

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.