ÍNDICE ANALÍTICO SUMÁRIO EXECUTIVO... 4 NANOTECNOLOGIA Definição, Conceitos e Histórico... 6 1. O que é Nanotecnologia?... 6 2. A multidisciplinaridade da Nanociência... 7 3. O surgimento e evolução da Nanotecnologia... 8 COMO É POSSÍVEL MANIPULAR ESTRUTURAS NANOMÉTRICAS?... 10 1. Visualização... 10 2. Caracterização... 11 3. Manipulação de Nanoestruturas... 11 4. Métodos de desenvolvimento de Nanoestruturas... 12 AS APLICAÇÕES DA NANOTECNOLOGIA... 14 ANÁLISE DOS AVANÇOS DA NANOTECNOLOGIA: PRÓS E CONTRAS... 20 1. Benefícios / Vantagens... 20 2. Riscos e Efeitos... 21 3. Pontos críticos... 23 COMO ANDA O DESENVOLVIMENTO DA NANOTECNOLOGIA NO BRASIL E NO MUNDO... 25 1. Pesquisa no Mundo... 25 2. Pesquisa no Brasil... 26 A. Ações do Governo... 27 B. Ações Privadas... 31 O MERCADO DE NANOTECNOLOGIA... 32 1. Mercado Internacional... 32 2. Mercado Brasileiro... 34 A. Eletro Eletrônica... 35 B. Setor Químico e Petroquímico... 36 C. Setor Têxtil... 37 D. Biotecnologia e Fármacos... 37 E. Outros setores... 38 CONCLUSÕES... 40 BIBLIOGRAFIA... 42 Instituto Inovação Pág. 2
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 - Escala nanométrica de objetos naturais e artificiais... 6 Figura 2 - Nanociência, Tecnologia de Convergência... 8 Figura 3 - Marcos Históricos da Nanotecnologia... 9 Figura 4 - Logomarca da IBM na escala nanométrica... 10 Figura 5 - Abordagens utilizadas para desenvolvimento de Nanoestruturas... 12 Figura 6 - Oportunidades em Nanotecnologia nos próximos anos... 16 Figura 7 - Semicondutores ligados por nanotubos... 18 Figura 8 - Nanotubo de múltiplas camadas - NMC (A) e Nanotubo de Única Camada - NUC (B)... 19 Figura 9 - Benefícios da Nanotecnologia... 20 Figura 10 - Investimentos globais em Nanotecnologia... 25 Figura 11 - Estimativa de Pessoal para Nanotecnologia... 26 Figura 12 - Patentes relacionadas à Nanotecnologia registradas no Brasil... 27 Figura 13 - Indicadores do Plano Nacional de Nanotecnologia... 28 Figura 14 - Principais segmentos de pesquisa em Nanotecnologia no Brasil... 29 Figura 15 - Projetos de Nanotecnologia por região... 30 Figura 16 - Estimativa do Mercado Mundial de Nanotecnologia... 32 Figura 17 - Estatísticas do Mercado de Nanotecnologia... 33 Instituto Inovação Pág. 3
SUMÁRIO EXECUTIVO A Nanociência pode ser considerada uma Supraciência, pois avança na medida em que disciplinas tais como a Física, Química, Computação e Biologia aplicam seus modelos e técnicas no desenvolvimento desta nova área do conhecimento. A Nanotecnologia é a Nanociência aplicada. O prefixo nano tem origem grega e significa anão e reflete bem o mundo da Nanotecnologia que engloba todo tipo de desenvolvimento tecnológico dentro da escala nanométrica, geralmente entre 0,1 e 100 nanômetros. Um nanômetro equivale a um milionésimo de um milímetro ou a um bilionésimo de um metro. Uma das características peculiares da Nanotecnologia é o comportamento das partículas na escala nanométrica ele se difere sobremaneira do comportamento da matéria na escala em que conhecemos. Este fato torna-se um desafio para os cientistas, mas constitui-se também numa grande oportunidade para o desenvolvimento de novos materiais com propriedades e funcionalidades antes impossíveis de serem atingidas. A Nanotecnologia começou a ser discutida em 1959, pelo físico Richard Feymann, mas só pôde ter avanços significativos em suas aplicações a partir da década de 80 com o desenvolvimento de microscópios especiais. Duas abordagens são utilizadas para o desenvolvimento de nanoestruturas: a top-down, que consiste na redução das dimensões de dispositivos, ou miniaturização (abordagem física); e bottom-up que é a montagem de estruturas a partir de átomos e moléculas (abordagem química). De uma maneira geral, os principais benefícios do avanço da Nanotecnologia são: 1. Controle das características desejáveis; 2. Otimização do uso de recursos; 3. Menor impacto ambiental; 4. Desenvolvimento de fármacos com menores efeitos colaterais; 5. Aumento da capacidade de processamento de sistemas computacionais. Por outro lado, existem grupos que apontam para seus riscos: 1. Sobre direitos de propriedade intelectual; 2. Políticos, em relação ao impacto no desenvolvimento econômico de países e regiões; 3. De privacidade, quando sensores em miniatura se tornarem imperceptíveis; 4. Ambientais, com o lançamento de nanopartículas no ecossistema; 5. Quanto à segurança dos trabalhadores e dos consumidores em contato com nanopartículas. Os países desenvolvidos têm demonstrado bastante interesse nas pesquisas da Nanociência, pois reconhecem a importância do domínio desta tecnologia frente ao mercado internacional. Os investimentos globais em Nanotecnologia já chegam a US$ 6 bilhões, com destaque para o Japão e os Estados Unidos líderes no ranking dos investimentos. Apesar de várias pesquisas em Nanotecnologia se apresentarem ainda em estágio de desenvolvimento, diversos produtos inovadores baseados na Nanotecnologia já são comercializados no mercado mundial. Dentre as aplicações inovadoras que já incorporam essa tecnologia, podem-se citar como exemplos: vidros para automóveis e óculos de sol, tecidos, equipamentos esportivos, protetores solar e cosmético, televisores, chips e memórias para computadores e minilabs. São 3 as grandes áreas que representarão grandes oportunidades de negócio no mundo nos próximos anos: biotecnologia, semicondutores e novos materiais, com destaque para a família de produtos criada a partir de nanotubos de carbono. O governo brasileiro tem implementado ações importantes para a promoção do desenvolvimento da Nanotecnologia no país. No entanto, é importante que a política de investimentos do governo mantenha a continuidade do programa, a fim de se evitar erros cometidos no passado, como aconteceu no Programa Nuclear, com a descontinuidade do mesmo.
O que se percebe é que as aplicações da Nanotecnologia no mercado nacional não acompanham o ritmo de crescimento das publicações científicas sobre o tema. O nível de investimentos do governo brasileiro em Nanotecnologia ainda é muito tímido diante dos volumosos investimentos dos países desenvolvidos e poucas são as empresas que estão desenvolvendo pesquisas em Nanotecnologia no país. Nos Estados Unidos, por exemplo, já são mais de 500 as empresas que comercializam produtos relacionados à Nanotecnologia. Com o estudo realizado, concluímos que há muitas iniciativas de pesquisa, mas são poucas as experiências brasileiras em Nanotecnologia que já estão sendo comercializadas. O Brasil já dispõe de algumas pesquisas de ponta, tanto básicas quanto aplicadas, mas carece de empresas que invistam na transformação desses conhecimentos em produtos. O elevado grau de inovação conferido pelas mudanças em produtos e processos industriais gerados pelo avanço da Nanotecnologia deverá causar a obsolescência de diversos produtos e processos atualmente em uso. Para evitar que esse processo comprometa a competitividade da indústria brasileira, é necessário investir em ações que contribuam para a convergência da Nanotecnologia na geração de produtos, processos, serviços e patentes.
NANOTECNOLOGIA Definição, Conceitos e Histórico 1. O que é Nanotecnologia? A Nanotecnologia engloba todo tipo de desenvolvimento tecnológico dentro da escala nanométrica A Nanotecnologia, por ser ainda um tema relativamente recente, ainda não apresenta uma definição formal no meio científico, inclusive gerando um grande debate a esse respeito. O termo é utilizado com freqüência para descrever a Nanotecnologia Molecular (MNT), que é uma avançada forma de Nanotecnologia que se acredita dominar em um futuro não muito distante. Já a Nanociência é o termo utilizado para descrever o campo interdisciplinar da ciência voltado para o avanço da Nanotecnologia. Dentre as macro disciplinas envolvidas, podemos citar a biologia, a física, a química e a ciência da computação. A Nanotecnologia engloba todo tipo de desenvolvimento tecnológico dentro da escala nanométrica, geralmente entre 0,1 e 100 nanômetros. Um nanômetro equivale a um milionésimo de um milímetro ou a um bilionésimo de um metro. O prefixo nano tem origem grega e significa anão. Figura 1 - Escala nanométrica de objetos naturais e artificiais O comportamento dos materiais na escala nanométrica se difere da escala em que estamos familiarizados Fonte: Elaboração Instituto Inovação (imagens do site http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/powersof10/) Outros pesquisadores definem Nanotecnologia como sendo uma ciência relacionada à manipulação da matéria ao nível molecular, visando à criação de novos materiais, substâncias e produtos, com uma precisão de átomo a átomo. [...] (Waite Group Press, tradução livre de Oswaldo Luiz Alves). A escala nanométrica é utilizada na medição de átomos e moléculas, entretanto até mesmo essa escala pode ser considerada grande para isso, uma vez que o tamanho característico de um átomo é da ordem de um décimo de nanômetro. A importância da ciência nessa dimensão reside no fato de que, à medida que a escala do objeto que se manipula aproxima-se do intervalo de 0,1 a 100 nanômetros, leis da física existentes no mundo na escala em que estamos familiarizados, como a gravidade, passam a ter menor importância. Nessa escala, um material passa a se comportar com base na física quântica, que difere em vários pontos da física clássica. Propriedades térmicas, ópticas, magnéticas e elétricas, por exemplo, podem ser atingidas quando certos materiais são submetidos à miniaturização em nanopartículas, mantendo-se a mesma composição química. Reações químicas também podem ocorrer entre diferentes elementos químicos em proporções muito menores, dado que partículas nanométricas apresentam uma área de contato muito maior.
O UNIVERSO DA NANOTECNOLOGIA DO TAMANHO DE UM ÁTOMO Para entendermos o universo no qual pesquisadores e cientistas da Nanociência atuam, é necessário entender conceitos básicos sobre a menor unidade que constitui toda a matéria no universo: o átomo. Os átomos são os componentes básicos das moléculas e da matéria comum existentes na Terra. São compostos por partículas subatômicas, sendo que as mais conhecidas são os prótons, os nêutrons e os elétrons. Apenas 90 elementos, dos 112 hoje conhecidos, foram identificados como existentes em estado natural no planeta. O restante foi desenvolvido em laboratório, sendo que outros foram identificados apenas fora da órbita terrestre. Os diferentes elementos que constituem a tabela periódica são diferenciados pelo número de prótons existentes em seu núcleo. Todo átomo neutro tem um número igual de prótons e de elétrons. Caso um átomo se encontre em desequilíbrio no número dessas partículas subatômicas, o mesmo gera uma carga elétrica e é chamado de íon. Os átomos têm a capacidade de se agrupar e criarem moléculas. Por exemplo, uma molécula de água cuja composição química é representada pela fórmula H2O - é constituída de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. A existência dos átomos foi inicialmente proposta a mais de quatro séculos antes de Cristo pelo filósofo grego Demócrito, que afirmou que todos os corpos da natureza eram compostos de minúsculas partículas indivisíveis chamadas de átomos. Discussões e modelos surgiram durante muitas décadas a respeito da composição estrutural do átomo. John Dalton (1766-1844), Joseph J. Thomson (1856-1940), Rutherford, Niels Bohr (1885-1962), e James Chadwick foram os principais agentes da descoberta da composição atômica. Hoje se sabe que os átomos são formados por prótons, nêutrons e elétrons. Sabe-se também da existência de partículas ainda menores: o pósitron, o neutrino e o méson. As pesquisas apontam para a existência de dezenas de outras partículas. Elas são classificadas em duas famílias: os quarks que formam os nêutrons, prótons e mésons e os léptons que formam partículas mais leves, como o elétron e o neutrino. Modelo ilustrativo de um átomo e elementos subatômicos Fonte: Adaptado de HowStuffWorks 2. A multidisciplinaridade da Nanociência A Nanociência envolve vários campos das ciências naturais e exatas Uma característica peculiar da Nanociência é que esta é constituída de um agregado interdisciplinar de vários campos das ciências naturais e exatas, sendo cada uma altamente especializada em sua aplicação. Segundo o professor emérito da Unicamp, o Físico Cylon Gonçalves da Silva, a Nanotecnologia se tornou uma Supraciência.
Figura 2 - Nanociência, Tecnologia de Convergência FÍSICA Instrumentação Fisica Quântica QUÍMICA Estrutura atômica dos materiais NANOTECNOLOGIA BIOLOGIA Processos Biológicos CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO Nano-sistemas Fonte: Instituto Inovação É tênue a linha que separa as disciplinas que envolvem a Nanotecnologia Na Nanociência, atingiu-se um ponto no qual a linha que separa as disciplinas distintas se torna imprecisa, e é exatamente por esta razão que a Nanotecnologia é também referida como uma tecnologia de convergência. Por exemplo, a Física tem um papel muito importante, sendo que sua maior contribuição se encontra na elaboração de leis que explicam a física quântica que rege o nano universo. Partículas em nano escala podem apresentar comportamentos completamente adversos aos observados no mundo na escala que conhecemos, por exemplo, materiais naturalmente não condutores podem se tornar semicondutores em escala nanométrica. Além disso, os físicos foram os maiores responsáveis pela construção dos microscópios utilizados na investigação dos fenômenos em nano escala. Atingir a estrutura desejada de um material e uma configuração específica de átomos coloca em foco o campo da Química. Nessa área, sistemas vivos estão sendo combinados com materiais não vivos para a criação de novos aparelhos. No campo da Biologia, inúmeros são os estudos que estão sendo desenvolvidos em relação aos processos biológicos para tratamento de patologias, nano transportes de drogas, muitos lançando mão de seres vivos, microorganismos como coadjuvantes nestes processos. Na área da Ciência da Computação, os cálculos e simulações se preocupam em projetar matérias, elaborar modelos e experimentos em computador, envolvendo nano sistemas. 3. O surgimento e evolução da Nanotecnologia A Nanotecnologia começou a ser discutida em 1959, pelo físico Richard Feymann O primeiro registro de menção ao tema, mesmo que sem o uso do termo Nanotecnologia, se deu em uma palestra realizada em 1959 pelo físico Richard Feymann. Em sua apresentação intitulada There is plenty of room at the bottom, ou em português: Há muito espaço lá em baixo, Feymann sugeriu meios para desenvolver a habilidade de manipular átomos e moléculas. Segundo o autor, "Os princípios da física não falam contra a possibilidade de se manipular as coisas átomo por átomo". Feymann afirmou que há tanto lugar nessa pequena escala que, dominada a manipulação dos átomos individualmente, seria possível registrar tudo o que a humanidade escreveu até a presente data em um cubo de um décimo de milímetro de lado: ou seja, em um grão de poeira. O termo Nanotechnology foi criado em 1974, na Universidade de Ciências de Tókio pelo professor Norio Taniguchi para descrever a manufatura precisa de materiais
com tolerâncias nanométricas. Na década de 80, o termo foi reinventado e sua definição expandida pelo professor K. Eric Dexler do Massachusetts Institute of Technology - MIT, mais especificamente em seu livro Engines of Creation The Coming Era of Nanotechnology, de 1986. Sua tese de doutorado Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation, publicado em 1992 reacendeu o interesse pela tecnologia no meio cientifico mundial. O quadro a seguir identifica alguns dos marcos dentro da evolução das técnicas, conceitos e descobertas da Nanociência. Figura 3 - Marcos Históricos da Nanotecnologia Invenção do Microscópio Eletrônico Termo Nanotecnologia é criado por Norio Taniguchi Eric Dexler lança o livro Engines of creation The Coming Era of Nanotechnology Descoberta dos nanotubos 1931 1974 1986 1991 1959 1981 1985 1989 1992 Palestra de Richard Feymann Invenção do Microscópio de Tunelamento Descoberta da molécula de fullereno IBM manipula 35 átomos de xenônio e escreve com eles sua marca numa placa de níquel Descoberta dos nanocones Fonte: Instituto Inovação Em 1959, quando o físico Richard Feynnman falou pela primeira vez sobre Nanotecnologia, apontou para o que seria, a seu ver, a principal barreira para a manipulação na escala nanométrica: a impossibilidade de vê-la. Entretanto, 23 anos após sua famosa palestra, esse grande desafio já havia sido conquistado. No dia 10 de agosto de 1982, um ano após sua invenção, a IBM conseguiu uma patente do Microscópio de Varredura por Tunelamento Eletrônico (Scanning Tunneling Microscope - STM). A partir do STM, pode-se chegar ao desenvolvimento do microscópio de microssondas eletrônicas de varredura (scanning probe microscopes - SPM), que além da visualização nanométrica de uma superfície, permite também manipular átomos e moléculas. O fato de que a ciência tenha elaborado os primeiros modelos atômicos há apenas algumas décadas atrás, e hoje já consiga desenvolver meios para a manipulação em escala atômica é no mínimo surpreendente. A evolução da Nanociência é um bom exemplo de como a pesquisa básica pode fundamentar a pesquisa aplicada, num curto espaço de tempo. Além disso, a evolução da Nanociência nos permite entender porque os Estados Unidos, hoje, representam a maior potência em Nanotecnologia do mundo, uma vez que apoiaram e investiram na pesquisa desde os seus primórdios.
COMO É POSSÍVEL MANIPULAR ESTRUTURAS NANOMÉTRICAS? Uma das questões mais intrigantes quando se trata de Nanociência é como tornar possível a manipulação de estruturas tão pequenas. O desenvolvimento da Nanotecnologia ao longo do tempo ocorreu paralelamente ao desenvolvimento de ferramentas mais potentes e eficientes, necessárias à manipulação de estruturas nanométricas. Para isso, foram desenvolvidos equipamentos para visualização, caracterização, manipulação e desenvolvimento de nanoestruturas, conforme a divulgação, em 1993, do relatório da National Science Foundation (NSF) [56]. 1. Visualização Os microscópios baseados em varredura por sonda é que permitem a observação de fenômenos na escala nanométrica O desenvolvimento da família de microscópios baseados na varredura por sonda mecânica (Scanning Probe Microscopy) foi um passo crucial na evolução da nanociência. O microscópio de tunelamento (STM) e o microscópio de força atômica (AFM), que foram desenvolvidos no laboratório da IBM em Zurique na década de 80, são bons exemplos de microscópios dessa família. Estes instrumentos foram extremamente importantes para que se atingisse o atual nível de desenvolvimento da Nanotecnologia, pois permitiram a observação de fenômenos físicos, químicos e biológicos. O elemento central de cada um destes microscópios é uma agulha extremamente fina que é movida muito próxima à superfície do material analisado. Medindo várias forças que operam sobre o objeto em análise, o STM e o AFM criam uma imagem da superfície (topografia) à medida que a ponta da agulha move sobre o objeto. Apesar dos primeiros microscópios de varredura por sonda mecânica terem sido limitados a monitorar a topografia, uma geração mais avançada de sondas mecânicas tem dado aos pesquisadores a habilidade de mover átomos e examinar outras propriedades do objeto, incluindo: estrutura eletrônica; propriedades ópticas; temperatura; constantes dielétricas e magnetismo. Foi com esta nova geração de sondas mecânicas que a equipe de pesquisadores da IBM foi capaz de escrever a logomarca da empresa posicionando individualmente 35 átomos de xenônio sobre uma placa de zinco. Figura 4 - Logomarca da IBM na escala nanométrica Fonte: Website IBM
2. Caracterização Novas técnicas de caracterização deverão ser desenvolvidas Para caracterização de nano partículas, as técnicas convencionais como difração de raios X, fornecem informações sobre o volume das nano partículas, porém os efeitos das nano estruturas são provocados quase que totalmente na superfície das nano partículas. Conforme citado anteriormente, técnicas de visualização como a microscopia de força atômica, permitem estudar, a nível atômico, as estruturas e superfícies. A microscopia eletrônica permite estudos mais localizados, na escala nanométrica. Contudo, ainda há necessidade de se desenvolver ou aperfeiçoar técnicas que permitam estudos mais detalhados das propriedades destas nanoestruturas, como por exemplo, técnicas para medidas em tempo real das propriedades, medidas com resolução temporal de fenômenos na escala de femtosegundo (10-15 s). 3. Manipulação de Nanoestruturas Já ocorreram importantes avanços na manipulação de nanoestruturas Os cientistas estão num limite fundamental no aperfeiçoamento de materiais e de seu comportamento através do controle da composição e da estrutura [56]. Qualquer tipo de aperfeiçoamento no comportamento de materiais deverá ser feito através da manipulação de estruturas na nanoescala. Felizmente já ocorreram importantes avanços na manipulação em nanoescala: As Pinças ópticas permitem uma nova abordagem em manipular estruturas nanométricas em três dimensões. As pinças funcionam graças à habilidade de feixes focados de laser de atingirem e segurarem partículas dentro de uma margem de nanômetros a mícrons. Esta técnica permite estudar e manipular partículas como átomos e moléculas. Modelagem e Simulação Computadorizadas de fenômenos complexos é uma importante parte da investigação cientifica. De fato, no inicio da década de 70, o desenvolvimento de materiais na indústria de semicondutores e de químicos dependeu sobremaneira de simulações, dado que a observação direta dos fenômenos é muito difícil ou até mesmo impossível e os custos podem ser elevados demais para sua realização. A Nanotecnologia é semelhante neste aspecto, visto que ela envolve a compreensão das propriedades físicas e químicas numa escala nano invisível. Portanto, a modelagem por computador é extremamente importante, porque permite aos pesquisadores prever e observar comportamentos em nanoestruturas que eles ainda não sabem como medir, ou também quando a mensuração requer ferramentas muito caras.
4. Métodos de desenvolvimento de Nanoestruturas Duas abordagens são utilizadas para o desenvolvimento de nanoestruturas De modo geral, existem duas abordagens diferentes para obtenção de nano estruturas: Figura 5 - Abordagens utilizadas para desenvolvimento de Nanoestruturas Fonte: Instituto Inovação Top-down (De cima para baixo): Seria a redução das dimensões de dispositivos, ou miniaturização. É a abordagem física. A dificuldade de se obter nanoestruturas a partir dessa abordagem aumenta à medida que se aproxima de peças menores do que 100 nm. O setor eletrônico vem utilizando esse método por longos anos na obtenção de minúsculos circuitos e semicondutores. Alguns dos métodos de abordagem top down são: Fotolitografia: Técnica muito utilizada na fabricação de microprocessadores. Através dessa, o material a ser trabalhado é recoberto com uma camada de um material fotossensível. Neste material, é utilizada uma máscara com furos nanométricos. Em seguida, aplica-se luz ultravioleta. O material fotossensível sofre alterações químicas nos pontos predeterminados, permitindo trabalhar com o material que foi recoberto. O problema deste processo, é que ele não permite trabalhar com partículas muito menores do que 100 nm. Nanolitografia de raio de elétrons: O método utiliza raios de elétrons para alterar o material. É utilizado para criar linhas de 30 nm de diâmetro, apesar de já terem sido feitas linhas com 7nm de diâmetro. O grande problema é que este método ainda não pode ser usado para a produção em massa, já que é demorado e o maquinário utilizado é de alto custo. Nanolitografia de raio de íons: este método é similar a nanolitografia de raio de elétrons. A principal diferença é que os íons interagem química e fisicamente com o material, o que permite a construção de materiais com novas propriedades. Bottom-up (De baixo para cima): Montar estruturas a partir de átomos e moléculas, seria uma replicação da natureza. É a abordagem química. Este método promete um nível elevado de customização na síntese de materiais e
menor perda de matéria-prima, se comparado ao método top down. Entretanto, o controle do processo não é simples e pode ainda apenas produzir estruturas simples, em processos que consomem tempo e um baixo retorno. Os métodos de desenvolvimento na nanoescala a partir dessa abordagem são: Self-Assemble (auto-organização): é o controle do processo natural de agrupamento das nanopartículas; Self-Assemble monolayers (auto-organização em uma camada): a autoorganização de uma camada é a reorganização espontânea de uma substância em uma camada com a espessura de uma molécula. Ocorre quando um substrato, como uma superfície metálica ou porosa, entra em contato com uma solução de moléculas orgânicas, que espontaneamente se alinham de acordo com o substrato. Sol-gel: é um processo muito utilizado para fazer vidros e cerâmicas a partir de soluções ou colóides. O processo Sol-gel corresponde à transição de um sistema da fase líquida para a sólida. Através desse processo é possível ter um controle preciso da dopagem a de nanopartículas em alguns materiais. CVD-Chemical Vapor Deposition (Deposição Química por Vapor): Este método consiste na injeção de um gás em uma câmara contendo um objeto sólido, que será utilizado como substrato. As moléculas do gás depositam-se lentamente na superfície do substrato, formando estruturas minúsculas. A forma e o tamanho das nanoestruturas obtidas podem ser controlados com precisão limitada. Dessa forma é possível obter estruturas em forma de fita (nanofitas), de esferas e também de tubos (nanotubos). Um ponto muito interessante do processo é que as estruturas obtidas não são necessariamente feitas da mesma substância que o gás original, pois o processo pode envolver reações químicas que alteram a molécula. Manipulação: os microscópicos de tunelamento e de força atômica podem ser usados para mover nanopartículas sem danificá-las. Impressão 3D : utilizando de um princípio parecido com das impressoras jato-de-tinta, esse método é utilizado para fazer objetos com camadas de diversos materiais, como metais, cerâmicas, polímeros e compósitos. Atualmente este processo tem precisão milimétrica, porém acredita-se que ele, ou outro processo similar, possa atingir a nanoescala. Ainda não é possível fabricar dispositivos integrados pelo método bottom-up, como circuitos integrados ou peças elaboradas, apenas materiais em forma bruta. A síntese em Nanotecnologia (bottom-up) é uma técnica ainda dominada por poucas empresas no mundo. Espera-se que haja alguns anos até que o método atinja um nível de produção em larga escala. a Processo de incorporação de nanopartículas em outros materiais.
AS APLICAÇÕES DA NANOTECNOLOGIA A Nanotecnologia já está presente em uma grande variedade de produtos. Materiais em nanoescala têm sido empregados na fabricação de produtos por décadas, em sua grande maioria por métodos top-down, até mesmo no mercado de massa, ou seja, de produtos ao consumidor. Dentre os produtos já presentes no mercado e fabricados a partir de tecnologias desenvolvidas com base na Nanotecnologia, podem ser citados como exemplos: Vidro para Automóveis - Entre as aplicações mais conhecidas está o vidro para automóveis revestido com nanopartículas de óxido de titânio que reagem com a luz do sol e repelem impurezas. Quando o vidro é molhado, a água se espalha uniformemente sobre a superfície, ao invés de formar gotas, escorrendo rapidamente e levando consigo a sujeira. Nanotecnologias são utilizadas pela indústria automobilística também para reforçar certas propriedades do pára-choque de carros e na melhoria da propriedade de aderência de pinturas. Óculos de sol Revestimento de proteção e antireflexivos a base de polímeros ultrafinos já são utilizados na fabricação de óculos de sol. A Nanotecnologia também oferece revestimentos resistentes a riscos baseados em nanocompostos transparentes, ultrafinos, sem necessidades de cuidados especiais, indicados para uso diário e com custo relativamente baixo. Tecidos A indústria têxtil pode incorporar a Nanotecnologia na melhoria de certas propriedades de tecidos, como resistência ao vento, à água, tecidos que não amarrotam ou mancham e que protegem contra descargas eletrostáticas. A resistência ao vento e à água de uma jaqueta de esqui no mercado, por exemplo, é obtida não por revestimento da superfície da jaqueta, mas pelo uso de nanofibras. Dado o fato de que paises com mão de obra barata estão capturando uma crescente fatia do mercado de roupas, países desenvolvidos deverão focar na fabricação de roupas com alta tecnologia agregada, oferecendo benefícios adicionais aos consumidores. Equipamento esportivo Fabricantes de material esportivo também estão começando a ver os benefícios da Nanotecnologia. Uma cera de alta performance, que produz superfícies altamente deslizantes já é utilizada. O revestimento ultrafino também dura mais tempo do que as ceras convencionais. Raquetes de tênis com nanotubos de carbono aumentam a torção e são mais resistentes e flexíveis. Bolas de tênis com maior vida útil são fabricadas com camadas de polímeros de nanocompostos aplicados em seu interior, com durabilidade duas vezes maior do que bolas convencionais.
Protetores solar e cosméticos A Nanotecnologia também já vem sendo aplicada na indústria dos cosméticos. Estudos comprovam que os consumidores preferem produtos translúcidos porque sugerem pureza do produto. A L Oréal, fabricante de cosméticos, descobriu que quando loções são reduzidas a 50 a 60 nm elas permitem a passagem de luz. Em protetores solar, nanopartículas minerais como dióxido de titânio oferece várias vantagens. A proteção química contra raios UV tradicional sofre por sua baixa estabilidade ao longo do tempo. As partículas de dióxido de titânio têm uma propriedade de proteção contra UV na forma sólida, mas perde a aparência esbranquiçada indesejável para cosméticos quando suas partículas são reduzidas. Para cremes anti-rugas, cápsulas de polímeros são usadas para transportar agentes ativos como vitaminas. Excluído: v Televisores Fabricantes prometem o uso de nanotubos de carbono na fabricação de televisores até o final de 2006, de acordo com a Samsung. Os fabricantes esperam que as novas telas chamadas de field effect display (FED) consumam menos energia que as telas de plasma ou de cristal líquido e que combinem a fina espessura das telas de LCD e a qualidade de imagem das tradicionais telas de tubo catódico. A Toshiba, por exemplo, irá oferecer telas de no mínimo 50 polegadas. Chips e Memórias para computadores A Nanotecnologia está sendo uma grande aliada do setor de eletrônica e de semicondutores. Sua aplicação já rende frutos, como cartões de memória com capacidade de armazenamento muito maior do que a de seus precedentes. A Samsung, empresa que se posiciona como uma das maiores desenvolvedoras de produtos baseados em Nanotecnologias, lançou um chip de memória do tamanho de um selo postal com capacidade de 8 mil megabytes, ou 8 gigabytes. Minilabs A aplicação da Nanotecnologia na medicina também promete o lançamento de produtos que irão auxiliar pacientes a manter um melhor controle de sua saúde. A empresa norteamericana LabNow Inc. desenvolveu um mini laboratório capaz de analisar amostras de sangue, possibilitando o diagnostico do estado de saúde do paciente com HIV ou diabetes com maior rapidez, se comparado com procedimentos mais utilizados. De acordo com o estudo realizado pela APEC Center for Technology Foresight, National Science and Development Agency, as oportunidades para Nanotecnologia nos próximos anos podem ser divididas em três principais categorias.
Figura 6 - Oportunidades em Nanotecnologia nos próximos anos Fonte: Instituto Inovação A Biotecnologia é um dos segmentos que mais sofrerá impactos com o desenvolvimento da Nanotecnologia. São muitas as pesquisas de engenharia molecular que combinam materiais orgânicos e inorgânicos. Em aproximadamente dez anos, acredita-se que já teremos tratamento de patologias com diagnósticos médicos avançados e uso de células humanas direcionadas para a reparação de órgão, com destaque para o desenvolvimento de substitutivos humanos biomédicos como pele artificial, marca-passos e bandagens inteligentes. Nos próximos três anos, sistemas de liberação seletiva de medicamentos através de nanotransportes de drogas, bionanossensores seletivos já serão realidade. Acredita-se também que, num futuro não muito distante, serão criadas máquinas robotizadas em escala molecular (assemblers) capazes de dar origem a um átomo ou uma molécula instantaneamente por meio do uso de materiais e elementos que reagem entre si, o que revolucionaria os processos industriais de fabricação de substâncias artificiais. A segunda categoria que promete enormes avanços é o de desenvolvimento de tecnologia eletrônica com base em Semicondutores. Buscam-se cada vez mais equipamentos computacionais menores com maior capacidade de processamento, embora os custos relativos ao processo de miniaturização cresçam paralelamente aos avanços tecnológicos. Estão sendo realizados estudos para identificar o limite até onde seria viável, física e financeiramente, o desenvolvimento de nano estruturas. Em concordância com as tendências observadas, nanoestruturas como os pontos quânticos, apontam para o novo tipo de computador, denominado "computador quântico". É ampla a pesquisa sobre a elaboração de estruturas eletrônicas em bases nanométricas apoiadas em uma física totalmente nova, como os lasers para optoeletrônica, switchers de alta velocidade, aparelhos de armazenamento de memória para computadores e aparelhos controlados apenas por um elétron (single electron). Em três anos, devemos ter a nanoeletrônica baseada em aparelhos de silício miniaturizados e aparelhos baseados no giro eletromagnético. Em dez anos, aparelhos single electron e computação óptica. A última categoria seria a de Equipamentos e processos baseados em Novos Materiais. Conforme apontado anteriormente, uma das propriedades bastante significativas de materiais como os metais ou a cerâmica em nível nanométrico é sua elevada área de superfície em relação ao volume de unidade. Esta característica proporciona maior rapidez nas reações químicas, aumentando a eficiência dos processos. Tais materiais podem ser produzidos tanto pela abordagem bottom-up como pela abordagem top-down. Em aproximadamente três anos, devemos ter no mercado materiais nanoestruturados como catalisadores
industriais e superfícies autolimpantes baseadas em nanomateriais. Em dez anos, células de combustível portáteis, baterias avançadas e fotossíntese artificial. Dentro destas três categorias, espera-se que a Nanotecnologia dê suporte na remodelagem de produtos e na maneira como eles são produzidos. Alguns dos produtos e serviços que possivelmente sofrerão impactos nas próximas duas décadas são: Periféricos de TI; Eletrônicos e Telecomunicações; Eletrodomésticos; Químicos e Materiais; Aparelhos médicos e biomédicos, fármacos e qualidade de vida; Manufatura; Energia; Exploração espacial; Meio-ambiente, monitoramento ambiental; Segurança e indústria bélica; Equipamentos automobilísticos e industriais; Controles de processos. Nanotubos de Carbono Um dos mais interessantes grupos de nanomateriais é o dos nanotubos. Estes apresentam diversas aplicações potenciais, como componentes para sensores e para armazenamento de hidrogênio, por exemplo. A descoberta dos nanotubos de carbono é o resultado da pesquisa em Nanotecnologia de maior destaque no mundo. Suas características e funcionalidades captaram o interesse e os investimentos de muitos países. OS NANOTUBOS DE CARBONO Segundo artigo escrito pelos pesquisadores Rodrigo B. Capaz, do Departamento de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro, e Hélio Chacham, do Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais, o carbono é sem dúvida o elemento químico mais importante para a nossa existência. Todos os seres vivos são formados por arranjos de moléculas à base de carbono. O carbono também tem sido muito útil para a humanidade por centenas de milhares de anos na fabricação de vestimentas, como peles e tecidos, e também como combustível, madeira, carvão e petróleo. (CAPAZ e CHACHAM, 2003) O carbono pode ser encontrado na natureza associado a outros elementos, formando diferentes moléculas e minerais. Até duas décadas atrás eram conhecidas apenas duas formas ordenadas de carbono puro: o diamante e a substância grafite. O diamante era conhecido como o material mais duro na natureza e também como um dos mais valiosos. Já a grafite é uma forma de associação de carbonos bem mais abundante no planeta, mas também de grande utilidade para o mercado. Foi somente em 1985 que um grupo de físicos da Universidade de Sussex no Reino Unido e da Universidade de Rice nos Estados Unidos demonstrou a existência de uma nova família de formas elementares de carbono, o fullerenos, moléculas ocas de carbono que consistem de uma superfície curva semelhante ao grafeno, cujas finas camadas sobrepostas dão origem à grafite. O fullereno, também conhecido como molécula de C60, apresenta um formato esférico. Três pesquisadores envolvidos no projeto, Harold Kroto, Richard Smalley e Robert Curl receberam o prêmio Nobel de química em 1996 pela descoberta. Em 1991, pouco depois da descoberta dos fullerenos, Sumio Iijima demonstrou a existência de outra família de formas elementares de carbono, os nanotubos. Os do tipo originalmente observados por Iijima são formados por múltiplas camadas de folhas de grafeno enroladas em forma cilíndrica, daí a nomenclatura de nanotubos. Dois anos depois, foi demonstrada a existência de nanotubos de única camada. (CAPAZ e CHACHAM, 2003) A cada ano são descobertas novas aplicações para estas novas moléculas desenvolvidas em laboratório. Os nanotubos de carbono são cilindros longos e finos,
com diâmetro entre 1 e 10 nanômetros. Podem ser produzidos na forma de tubos de parede única, em quantidades limitadas, ou em toneladas por ano, na forma de misturas de tubos de paredes diversas. Apresentam uma resistência incrível (são cerca de cem vezes mais resistentes do que os tubos de aço), podem atuar como condutores de eletricidade ou semicondutores e são excelentes na transmissão de calor. Seriam necessários milhares de nanotubos colocados lado a lado para se atingir a espessura de um fio de cabelo. Tendo diâmetros muito menores que o comprimento de onda da luz visível, os nanotubos são individualmente invisíveis, mesmo se observados através do mais potente microscópio óptico. Para serem visualizados individualmente, torna-se necessário o uso de microscópios eletrônicos. Em grande quantidade, nanotubos unem-se uns aos outros, formando feixes que se enovelam em um material que pode ser visto à olho nu, tendo o aspecto de fuligem. Possibilidades fascinantes de aplicações de nanotubos surgem quando se torna possível funcionalizá-los, ou seja, colocar moléculas específicas na superfície dessas estruturas nanoscópicas, de modo que elas possam executar alguma função química bem determinada. Por esse motivo, é importante estudar a interação dos nanotubos com moléculas orgânicas. A funcionalização dos nanotubos expressão que já integra o vocabulário dos especialistas da área com essas moléculas orgânicas permite manipulá-los de forma mais controlada. O estudo da interação das paredes dos nanotubos com metais como ouro e ferro contribui para um melhor entendimento da ligação nanotubo-metal, importante na formação de contatos metálicos para medidas elétricas e nos processos de crescimento de nanotubos na presença de catalisadores metálicos. A interação de nanotubos com a superfície de um material é um aspecto importante para os arranjos experimentais que envolvem medidas elétricas em nanotubos individuais. Na microeletrônica, o material mais utilizado é o silício e, assim, muita pesquisa tem sido feita no sentido de se entender melhor a interação dos nanotubos com os átomos desse elemento químico, largamente usado na fabricação de chips e microprocessadores empregados em computadores. (CAPAZ e CHACHAM, 2003) Figura 7 - Semicondutores ligados por nanotubos Fonte: Departament of Physics University of Maryland Os nanotubos podem ser encontrados na forma de múltiplas camadas (NMC) ou nanotubos de única camada (NUC).
Figura 8 - Nanotubo de múltiplas camadas - NMC (A) e Nanotubo de Única Camada - NUC (B) A B Fonte: CAPAZ, Rodrigo B.; CHACHAM, Hélio. Nanotubos e a nova era do carbono Nanotubos de múltipla camada (NMC) são muito mais fáceis e baratos de serem produzidos que os NUC. Assim, os NMC já são usados em produtos comerciais, enquanto o uso dos NUC é ainda restrito a protótipos. O principal uso comercial dos NMC é sua mistura com polímeros (ou plásticos). Os NMC podem dar a um composto com polímero duas propriedades importantes: dureza e condutividade elétrica. A dureza advém do fato de nanotubos serem extremamente resistentes à tração de fato, são os materiais mais resistentes à tração que existem. Quanto à condutividade de materiais plásticos contendo nanotubos, ela advém parcialmente do fato de os nanotubos se comportarem como metais ao conduzirem eletricidade, como mencionamos pouco antes. Plásticos que conduzem eletricidade são importantes em situações em que se queira evitar o acúmulo de eletricidade estática, como em ambientes com vapores combustíveis ou no armazenamento de materiais eletrônicos. (CAPAZ e CHACHAM, 2003) Considerando-se que os nanotubos foram descobertos há pouco mais de 10 anos, é surpreendente que já se conheça tanto sobre suas propriedades, seu grau de pureza e suas inúmeras aplicações, e que já sejam produzidos em tamanha quantidade. Esse rápido avanço no desenvolvimento dos nanotubos e de outros materiais nanoestruturados é uma das características da Nanotecnologia.
ANÁLISE DOS AVANÇOS DA NANOTECNOLOGIA: PRÓS E CONTRAS 1. Benefícios / Vantagens A Nanotecnologia promete apoiar um processo de inovação tecnológica sem precedentes Os benefícios da Nanotecnologia no desenvolvimento de novos materiais e produtos são tão diversos quanto o número de setores que usufruem de sua aplicação em seus processos. O que se percebe é que defensores mais otimistas da Nanotecnologia apontam para benefícios de âmbito social e econômico para o futuro, como prosperidade econômica em todo o mundo, geração de empregos, melhor qualidade de vida para a população mundial e um ecossistema mais limpo. Figura 9 - Benefícios da Nanotecnologia Controle das características desejáveis Fonte: Instituto Inovação Conforme apontado anteriormente, na nanoescala, os materiais passam a se comportar de acordo com as leis da mecânica quântica, que trata da interação entre elétrons, átomos e moléculas. De acordo com especialistas, conhecendo-se as leis e tendo a capacidade de manipular nanoestruturas, pode-se controlar várias propriedades fundamentais dos materiais, tais como suas propriedades magnéticas, sua distribuição de cargas elétricas, a temperatura de fusão, bem como a própria cor, sem que seja necessário alterar a composição química do material. Assim, novos produtos e tecnologias estarão disponíveis para serem utilizadas. Outra propriedade interessante destes materiais é sua propriedade de auto-organização natural (self-assembly), formando estruturas maiores, similares às estruturas biológicas. Otimização do uso de recursos Uma vez que na escala nanométrica, reações químicas podem ocorrer entre diferentes elementos químicos em proporções muito menores, dado que partículas nanométricas apresentam uma área de contato muito maior, processos químicos importantes para os setores da indústria poderão ocorrer com a otimização do uso dos insumos envolvidos. Menor impacto ambiental Alguns defensores também acreditam que a Nanotecnologia criará meios de produção com menor degradação à natureza. Processos mais limpos poderão ser utilizados na fabricação de diversos materiais, aumentando a eficiência no uso dos insumos, como matéria-prima e energia, e ainda reduzindo o nível de poluição.