Moussa Salem Simhon Engenheiro Industrial Mecânico FEI -PUC 1967

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1 EDIÇÃO

2 Ética Profissional Como todas as profissões, a engenharia exige procedimento ético, conforme previsto no Código de Ética Profissional do Engenheiro, do Arquiteto e do Engenheiro Agrônomo. Estes procedimentos são deveres dos profissionais da Engenharia, da Arquitetura e da Agronomia, registrados no CREA, no desempenho de serviços de engenharia. Considerar a profissão como alto título honorífico, utilizando ciência e consciência, o que significa que o profissional tem que ter conhecimento técnico adequado, cujo primeiro dever ético é dominar as regras para desempenho de sua atividade, estando obrigado a desenvolver um processo de educação continuada para se por a par do estado e adotar elevado padrão ético e moral no desempenho dessas funções sócias. Engenheiro Moussa Salem Simhon Moussa Salem Simhon Engenheiro Industrial Mecânico FEI -PUC 1967 SP anos de Experiência em chão de fábrica Mestre em Engenharia Industrial Foi Professor associado FATEC FAAP - MAUA 25 anos onde ministrou mais de 100 cursos lato Census. Foi Consultor de manufatura da câmara Brasil Alemanha sete anos até 1992 onde ministrou mais de 100 cursos lato Census. Atuou em processos de fabricação 20 anos Atuou no ramo ferroviário 20 anos 2

3 Trecho da Palestra de Feynman The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the Encyclopaedia Brittanica. Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of an inch---that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in the Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter---32 atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000 atoms. So, each dot can easily be adjusted in size as required by the photoengraving, and there is no question that there is enough room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Brittanica * Em 1959 Richard Feynman profere a famosa palestra "There's Plenty of Room at the Bottom", sobre as perspectivas da miniaturização: a enciclopédia Britânica poderia ser escrita na cabeça de um alfinete. 3

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5 Prefacio Capítulo I Introdução I Introdução à nanotecnologia e suas aplicações Capitulo II NanoCiência I. Introdução a nanoeletrônica quântica II Introdução a Química Supramolecular Capitulo III O Mundo Nano I. Nano partículas 1. Definição 2. Eletrônica Molecular 3. Nano escalas 4. Nanociência x Nanotecnologia (N&N) 5. Alguns Aspectos Importantes e Influência dos Efeitos de Redução de Tamanho nas Propriedades de Materiais Nano estruturados. 6. Glossário Nano 7. Tipos II. Nano estruturas 1. Definição 2. Manipulando a matéria em escala nano 3. Fabricação de nanoestruturas 4. O caminho de baixo para cima (Botton-up) 5. O caminho de cima para baixo (Top-down) 5

6 6. Nano partículas em camadas 7. Cálculo do número de átomos que formam uma nano partícula III Nano materiais 1. Nano materiais Magnéticos Funcionalizados para aplicação biomédica e biotecnológica 2. Química de Materiais Nano materiais: síntese, caracterização e Aplicações de materiais em escala nano métrica 3. Química de Colóides e Interfaces Preparação e caracterização de nano materiais híbridos 4. Nanotecnologia de gravação Nano materiais Magnéticos autoorganizados e nano estruturados para aplicação em sistemas de gravação magnética de ultra-alta densidade (Tbits/inch square) 5. Química de Materiais estudos estruturais em nano partículas metálicas e recobertas com óxidos em estruturas do tipo casca-caroço (core-shell) 6. Técnicas Empregadas 7. Existem quatro classes principais em que são em geral clasificados os nanomateriais 8. Fulereno 9. Nanotubos de carbono 10. Nanofios 11. Ponto Quântico 12. Filmes Nano estruturados de Carbono 13. Nano compósitos 14.Nano Cargas e Nano Partículas 15 Óxidos Nano particulados Capitulo IV Instrumentação e Técnica usadas I Instrumentação A. Instrumentos que utilizam feixe de elétrons 1. Microscópio Eletrônico de Transmissão 2. Microscópio Eletrônico de Varredura B. Instrumentos que utilizam pontas de prova 1. Microscópio de Efeito Túnel (STM). 2. Microscópio de Força Atômica (AFM) 3. Microscopia de força Magnética 6

7 4. Outros II Técnicas 1. Difratometria de Raios X DRX 2. Espectroscopia 1. Espectroscopia de Energia Dispersiva de Elétrons EDS 2. Espectroscopia de Auger 3. Espectroscopia Vibracional na Região do Infravermelho - IV 4. Espectroscopia Raman 5. Espectroscopia Mössbauer 6. Absorção Atômica e de Plasma ICP Apêndice I Conceitos quânticos II Noções de mecânica quântica 7

8 Prefacio Gulliver no pais dos lilliput Não é fácil entrar no universo do definitivamente pequeno, ou até mesmo falar sobre isso, pois requer um conhecimento muito profundo das leis da natureza que governam o mundo que nós não possuímos. As forças encontradas para determinar a maneira pela qual pequenas partículas se movem e também dar lhes propriedades através de mecanismos nem sempre vêm da comprovação de fatos naturais. Procurar refúgio no jargão matemático que poucas pessoas "normais" podem entender, e ainda, para realmente apreciar a força da lógica das leis da física, não se pode evitar a matemática, pois, é a única linguagem que pode explicar o que não se pode dizer com palavras. Fazer uma viagem ao mundo do muito pequeno não é de todo compreensível para os nossos sentidos, acostumados com o "pequeno" todos os dias, quando entrarmos no infinitesimal, lá, as coisas se comportam de forma muito diferente do habitual no nosso mundo real. O escritor Jonathan Swift nos deixou aquelas histórias fantásticas de Gulliver, o aventureiro que veio para a terra de Lilliput, onde as pessoas pequenas vivem. Tudo ali era muito pequeno: natureza, plantas e animais, tudo foi feito em pequenas escalas. Ele estava lá como um "homem da montanha" gigante. Diante do mundo fantástico da mecânica quântica. E, finalmente, os físicos perguntaram: Qual é o tamanho dos átomos nesses lugares, e que tipo de reações químicas poderiam ocorrer com os átomos do corpo de Gulliver? Com estas perguntas a história começa a falhar. A verdadeira razão para que as Viagens de Gulliver não podem existir é que as leis da natureza não permanecem exatamente o mesmo quando a escala mudar. 8

9 Às vezes, isso é evidente em filmes de desastres, onde costuma-se construir um modelo em escala pequena para simular uma grande onda ou um incêndio ou um arranha-céu. Os melhores resultados são obtidos quando o fator de escala é escolhido para o tempo igual à raiz quadrada da escala espacial. Então, se o arranhacéu é construído à escala 1:9, nós temos que fazer o filme de um terço de sua velocidade real. Mas, mesmo assim, o olho treinado vai notar diferenças entre o que acontece no filme e o que aconteceria no mundo real. A verdade é que as leis que regem o mundo físico têm duas características importantes: muitas leis da natureza permanecem os mesmos quando você muda de escala, mas existem outros fenômenos que não mudam da mesma maneira. A implicação final é que o mundo dos objetos muito pequenos será completamente diferente do mundo ordinário. Especialmente no mundo dos seres vivos cria se diferenças de escala significativa. Em muitos aspectos, a anatomia de um mouse é uma cópia de um elefante, mas ao mesmo tempo um rato pode escalar uma parede de rocha quase vertical, sem muito esforço (e pode ser derrubado de uma altura várias vezes o seu tamanho sem fazer um grande dano), um elefante não seria capaz de realizar tal façanha. De modo geral, podemos dizer que os efeitos da gravidade são menos importantes do menor os objetos que consideramos (vivos ou inanimados). Quando aos seres unicelulares, vemos que entre eles não há distinção entre para cima e para baixo. Para eles, a tensão superficial da água é muito mais importante do que a força da gravidade. Basta observar que a tensão superficial é a força que molda uma gota de água. A tensão superficial é um resultado de todas as moléculas e átomos que se atraem um ao outro com uma força que chamamos de Van der Walls. 9

10 Essa força tem uma gama muito curta. Para ser mais preciso, podemos dizer que a intensidade dessa força a uma distância r é aproximadamente proporcional a 1 / r exp 7. Quando os átomos e as moléculas são muito próximos uns dos outros são muito fortemente ligados por esta força. Johannes van der Diderik Walls ( ), no final de sua carreira apresentou uma tese que o faria famoso, "Sobre a continuidade do estado líquido e gasoso. Esse trabalho revolucionou o mundo científico, o famoso físico James Clerk Maxwell, ficou muito impressionado com sua leitura, aconselhou alguns pesquisadores começaram a estudar holandês, a língua de Walls Van der que receberam o Prêmio Nobel em Os tamanhos dos microrganismos unicelulares, plantas e animais, são medidos em mícrons, em que um mícron é 1/1000 de um milímetro, aproximadamente o tamanho da menor detalhe que pode ser vista com um microscópio comum. O químico vê átomos como objetos aproximadamente esférica, com um diâmetro de um a vários angstrom, angstrom é 1/10.000, de um mícron, ou seja, 10 ¹ ⁰ m (um décimo de bilionésimo de metro). Praticamente toda a massa de um átomo está em um pequeno grão localizado no centro, chamado de núcleo. Estamos em um momento em que há uma convicção de que muito do desenvolvimento tecnológico do futuro dependerá da nossa capacidade de fabricar dispositivos com um tamanho entre os átomos menor de que (<1 mm) e os dispositivos atuais ( 100 nm). Com estas dimensões, o material mostra um comportamento distintivo, em muitos casos, de origem quântica, que não é um simples extrapolação das suas propriedades macroscópicas (mecânica, eletrônica, magnético, óptico ou químico), e, assim, são muitas vezes surpreendentes. 10

11 Estas dimensões correspondem ao limite território entre a química molecular e supramolecular e física do estado sólido. O estudo da matéria em nanoescala e sua utilização para a fabricação de compostos (componentes) e dispositivos com serviços avançados e inovadores são chamados, respectivamente, nanociência e nanotecnologia. Simhon Moussa 19/09/

12 CAPITULO I INTRODUÇÃO I Introdução à nanotecnologia e suas Aplicações A nanotecnologia se fundamenta no desenvolvimento de técnicas e de ferramentas adequadas para posicionar átomos e moléculas em locais previamente estabelecidos, de maneira a obter estruturas e materiais de interesse. Para tanto, estão sendo constantemente desenvolvidos instrumentos adequados para trabalhar nessa escala microscópica. As partículas nano embora sendo do mesmo elemento químico se comportam de forma distinta em relação às partículas maiores - em termos de cores, propriedades termodinâmicas, condutividade elétrica, etc. Portanto, o tamanho da partícula é de suma importância porque muda a natureza das interações das forças entre as moléculas do material e assim, muda os impactos que estes processos ou produtos nano tecnológicos tem junto ao meio ambiente, a saúde humana e a sociedade como um todo. Pesquisas e desenvolvimento em nanotecnologia estão presentes em várias áreas, tais como a Física, a Química, a Biologia, a Engenharia de Materiais, a Eletrônica e a Medicina. Materiais nano-estruturados como o nano-aço poderão ser mais fortes e resistentes, enquanto ainda mais leves que o aço de hoje. Com os novos nano-materiais baseados na revolucionaria aglomeração de nanotubos de carbono. Será possível construir aeronaves, navios, submarinos e veículos terrestres de elevado tamanho e potência, de ultra-alta resistência e extrema leveza, com ampla redução de custos de construção e operação, além de potencial velocidade na construção e reparação. Com os novos nano-materiais baseados na revolucionária aglomeração de nanotubos de carbono, será possível criar baterias elétricas muitíssimo menores nano-baterias, e com muito mais energia. 12

13 A nanotecnologia representará uma rara e gigantesca oportunidade para os Países que a desenvolverem dar um salto tecnológico e avançarem diretamente para a nova fronteira do conhecimento. Nanotecnologia é a tecnologia à escala do muito pequeno. Ela se refere a uma série de técnicas utilizadas para manipular a matéria na escala de átomos e moléculas. Atualmente existem as três seguintes abordagens distintas para a nanotecnologia: 1. Abordagem Top-down (de cima para baixo) e relacionada com a construção de dispositivos por desgaste de materiais macroscópicos, que é utilizada em microeletrônica, para produção de chips de computadores. 2. Formação espontânea de dispositivos, a partir de seus componentes moleculares, utilizando técnicas tradicionais de Química e de Ciências dos Materiais. 3. Botton-up (de baixo para cima) que possibilita a construção de estruturas átomo por átomo ou molécula por molécula, só disponível com avanços e aperfeiçoamentos tecnológicos uma vez que necessita de controle muito rigoroso e fino da matéria. Um levantamento sumário nas publicações que circulam sobre nanotecnologia aponta para os seguintes produtos e serviços que já estariam no mercado: Tecidos resistentes a manchas e que não amassam; Raquetes e bolas de tênis; Capeamento de vidros e aplicações antierosão a metais; Filtros de proteção solar; Material para proteção ( screening ) contra raios ultravioleta; Tratamento tópico de herpes e fungos; Nano-cola, capaz de unir qualquer material a outro; Pó antibactéria; Diversas aplicações na medicina como cateteres, válvulas cardíacas, marcapasso, implantes ortopédicos; Produtos para limpar materiais tóxicos; Produtos cosméticos; Sistemas de filtração do ar e da água. Microprocessadores e equipamentos eletrônicos em geral; 13

14 Polimento de faces e superfícies com nanotecnologia sem micro-riscos. As aplicações mais simples da nanotectologia talvez sejam as mais promissoras. A criação do material mais escuro do mundo, que absorve mais de 99,9% de toda a luz que recebe pode permitir um novo patamar no aproveitamento da radiação solar para geração de energia elétrica. Outra área de desenvolvimento promissor da nanotecnologia é a geração de eletricidade em termopar (Efeito Seebeck) semicondutor. Semicondutores não são indicados para um termopar de energia elétrica através do calor na escala macroscópica. Sabe-se, contudo, que junções semicondutoras podem gerar energia elétrica através da luz recebida em células fotovoltaicas e nesse sentido estuda-se converter calor diretamente em energia elétrica com semicondutores na escala da nanotecnologia. Na mesma linha estuda-se refrigerar um ambiente através de termopares da nanotecnologia em efeito análogo (Efeito Peltier). Foto luminescência Atualmente materiais luminescentes são aplicados em diversos dispositivos utilizados no dia a dia, tais como: LEDs, displays de relógios, calculadoras, celulares, painéis eletrônicos, além de outros. Os pesquisadores, observaram propriedade fotoluminescente em materias amorfos, obtidos à baixa temperatura. Sinterização por micro onda O processo de sinterização cerâmica se dá durante tratamento térmico dos materiais cerâmicos, após este tratamento o material cerâmico fica mais compacto, e resistente a corrosão e a rupturas. O institutos de pesquisa estudam este processo através de algumas variáveis, entre elas, o tempo e a temperatura de sinterização (queima). Fitas nanométricas de óxido de estanho As nanofitas fazem parte de uma ciência que desenvolve formas de manipular a matéria em uma escala de nanômetros, a bilionésima parte do metro. Essa tecnologia deve estar disponível para o uso do desenvolvimento de vários equipamentos, da área optica e eletrônica, menores, mais eficientes e de baixo custo. 14