Nanotecnologia Atómica e Molecular

Transcrição

1 Nanotecnologia Atómica e Molecular E. L. Silva 1 1 Departmento de Fisica, FCTUC, Universidade de Coimbra 19 Dezembro 2008

2 Index Introdução Propriedades Invenções e Descobertas Importantes Microscópio de Efeito de Túnel Microscópio de Força Atómica Diamontóides Buckyballs Nanotubos Nanohorns e Nanocoils Ciclodextrinas e Liposomas Nanolitografia Desenvolvimentos Recentes

3 Introdução Nanotecnologia Criação de dispositivos, materiais e sistemas funcionais Escala 1-10 nm 29/12/1959 Richard Feynman American Physical Society There s Plenty of Room at the Bottom Sugeriram nomiar a escala nanométrica de Feynman (φnman 10 9 ) Fronteira Dispositivos mais pequenos construídos pelo homem Maiores moléculas existentes de sistemas vivos Duas abordagens Bottom-up construção de materiais e dispositivos de componentes moleculares (montam-se quimicamente por reconhecimento molecular) Top-down construção de nano-objectos de entidades maiores

4 Propriedades Propriedades importantes da nanoescala 1 Propriedades da mecânica quântica dos electrões dentro da matéria são influenciados por variações da nanoescala sem alterações das propriedades químicas 2 Organização sistémica da matéria a nanoescala (entidades biológicas) 3 Componentes de nanoescala possuem rácio elevado superfície/volume (ideal para sistemas reactivos, transporte de medicamentos, materiais compósitos, etc) 4 Maior densidade que os materiais de microestrutura e melhores condutores eléctricos 5 Propriedade de Unidades de Construção

5 Microscópio de Efeito de Túnel Scanning Tunneling Microscope (STM) 1985 Gerd. K Binning e Heinrich Rohrer (IBM Zürich Research Lab) Prémio Nobel em 1986 Permite a visualização de superfíces com resolução a escala atómica Opera baseado em corrente de efeito de túnel Variação da corrente entre agulha e superfície (formação da imagem)

6 Microscópio de Força Atómica Atomic Force Microscope (ATM) Combinação do STM com o Stylus Profilometer (estudo de perfis) Permite estudar superfícies não condutoras Medida das Forças de Van der Waals com as pontas atómicas

7 Diamontóides 1/2 Moléculas com a mesma estrutura do Diamante (rede, simetria e sem tensões) - terminadas com ligações C-H Nanoestruturas orgânicas (nanodiamantes) Primeira molécula descoberta e isolada em 1933 Adamantano (do Grego adamantinós) C 10 H 16 Estrutura de jaula Jaulas de Hidrocarbonetos

8 Diamontóides 2/2 Natureza orgânica e potencial de sublimação Características de moldagem e formação de cavidades Unidades de construção para a Nanotecnologia Aplicações Transporte de medicamentos Medicamento antiviral Nanorobôs Sondas moleculares...

9 Buckyballs 1/2 Moléculas Buckminsterfullerene (fulereno/futeboleno) R. Buckminster Fuller Terceira forma mais estável do carbono (novo alótropo do carbono) Descoberto em Setembro de 1985 H. W. Kroto e R. E. Smalley Prémio Nobel da química em 1996 Mais conhecido da família dos fulerenos C 60

10 Buckyballs 2/2 Grupos Funcionais Imagens da autoria de Chris Ewels, Institut Matérieux Nantes

11 Nanotubos Descobertos em 1991 por Iijima Molécula grande constituída por átomos de carbono, enrolado para formar um tubo (hexagonal) Variedade de fabrico de nanotubos com características e funcionalidades moduladas Características de Nanotubos de carbono de parede simples (SWCNT) Comportamento metálico, semi-metálico ou semi-condutor Condutividade térmica bastante elevada Força de tensão muito elevada ( 100 maior que o aço) Quando disperso noutro meio pode alterar e/ou aumentar as propriedades mecânicas e estruturais desse meio

12 Nanotubos Porquê a folha de grafite forma um tubo? Â c Chris Ewels

13 Nanotubos Propriedades eléctricas diferentes  c Chris Ewels

14 Nanotubos Nanotubos para nanoconexões  c Chris Ewels

15 Nanohorns e Nanocoils Nanohorns Descoberto em 1999 por S. Iijima tubos terminados em cones Nanocoil Japan s Institute of Physical and Chemical Research, 2006 Index de refracção negativo (transparência completa) Aplicações: fibra óptica para comunicações, melhoria de telescópios, etc

16 Ciclodextrinas e Liposomas Investigação levada a cabo por Biólogos (nanoestruturas biológicas) Usado principlamente para transporte e alvo de medicação Ciclodextrinas Produzidos a partir do amido por meio de conversão enzimática Oligossacarídeos ciclicos Propiciam a formação de complexos com uma variedade elevada de substratos em soluções aquosas (característica hidrofóbica)

17 Ciclodextrinas e Liposomas Ciclodextrinas α-ciclodextrina: molécula com seis anéis de açucar β-ciclodextrina: molécula com sete anéis de açucar γ-ciclodextrina: molécula com oito anéis de açucar

18 Ciclodextrinas e Liposomas Liposomas Vesícula esférica com dupla-camada (compartimento interno aquoso com camada fosfoĺıpida) Auto-assemblagem (propriedades hidrófilas e hidrófobicas)

19 Nanolitografia 1999 Atomic Force Microscope (AFM) utilizado para a Nanolitografia (Dip Pen Nanolithography - DPN) Fotolitografia Integrados circuitos O λ determina a largura da linha (extremo ultravioleta 13.5 nm)

20 Desenvolvimentos Recentes Semicondutor com gap variável Grafeno (FCUP e Universidade do Minho, Dezembro 2007) Transíster SET de Benzeno (Theoretische Physik, Universität Regensburg, Alemanha, Janeiro 2008) Single Electron Transistor