NANOTECNOLOGIA Autor: Altamirando C. Ribeiro Neto Orientadora: Vicelma L. Cardoso
SUMÁRIO 1. Definição de nanotecnologia 2. Introdução 3. Histórico 4. Microscopia Eletrônica 5. Aspectos gerais da nanociência e da nanotecnologia 6. Preparação de materiais em escala nanométrica 7. Aplicações da nanotecnologia 8. Nanotecnologia e o Meio Ambiente: Prós e Contras 8.1. Prós 8.2. Contras 9. Considerações Finais 10. Referências Bibliográficas 2
1. DEFINIÇÃO DE NANOTECNOLOGIA Uma de suas dimensões em tamanho nanométrico, ou seja, em escala 1/1.000.000.000, ou um bilionésimo do metro (1 nm = 10-9 m). Habilidade de trabalhar em nível atômico, molecular e macromolecular a fim de criar materiais, dispositivos e sistemas com propriedades e aplicações fundamentalmente novas. 3
Figura 1 - Região de domínio da nanotecnologia, comparada com uma faixa que compreende desde a macroestrutura até dimensões subatômicas (escala logarítmica). 4
2. INTRODUÇÃO A ciência e tecnologia em nanoescala têm atraído considerável atenção nos últimos anos, pela expectativa do impacto que os materiais nanoestruturados podem causar: na melhoria da qualidade de vida na preservação do meio ambiente 5
Espera-se que o avanço da nanociência e da nanotecnologia estimule não apenas a exploração de novos fenômenos e novas teorias, mas também conduza a uma revolução industrial, se tornando a nova força motora do crescimento econômico neste século. 6
Investimentos em nanociência e nanotecnologia Ordem de bilhões de dólares, por parte dos órgãos e agências de fomento em pesquisa e desenvolvimento em todo o mundo. Os Estados Unidos da América, o Japão, a China, Coréia do Sul e países da Europa são os que mais investem em programas e patentes em nanotecnologia. No Brasil, o Programa Nacional de Desenvolvimento em Nanociência e Nanotecnologia investiu U$ 30 milhões, no período de 2005 a 2006. 7
Produção científica mundial em nanociência e nanotecnologia Crescimento com cerca de 130 mil artigos publicados, a partir de 1994. Em 2008, apenas no mês de fevereiro, o termo nanotecnologia apareceu na Web of Science e no Science Direct com 14.951 e 1.730 artigos científicos, respectivamente. O termo nanomaterial foi citado em 615 e 255 artigos, respectivamente. 8
Previsões Menor impacto ambiental na manufatura dos produtos. Alto valor agregado. Diversidade de produtos baseados na nanotecnologia. Os processos deverão ser mais limpos e com maior eficiência no uso da energia. 9
3. HISTÓRICO Especulações filosóficas: Aristóteles acreditava que a matéria poderia ser dividida indefinidamente sem qualquer limite. Leucipo (440 a.c.), outro filósofo grego, foi o primeiro homem a propor que a matéria era constituída por pequenas unidades indivisíveis. Demócrito chamou de átomo. 10
Em 1803, John Dalton: componentes químicos, sempre combinados em determinadas proporções, poderiam ser explicados pelo agrupamento de átomos que formam unidades maiores denominadas de moléculas. Em 1887, Joseph J. Thomson demonstrou a existência de uma partícula subatômica, denominada elétron. Em 1905, Albert Einstein explicou o movimento browniano como sendo oriundo de colisões entre átomos. Em 1911, o físico inglês Ernest Rutherford demonstrou que os átomos têm uma estrutura interna. Em 1932, um colega de Rutherford descobriu que o núcleo é formado por prótons e nêutrons. 11
Na década de 50, Em uma conferência intitulada There's plenty of room at the bottom, o físico americano Richard Feynman, sugeriu a construção e a manipulação átomo a átomo de objetos em escala nanométrica. Na década de 1960, o físico Murray Gell-Mann descobriu que os prótons e nêutrons não são partículas "elementares", mas que, quando colidiam entre si ou com elétrons, produziam partículas ainda menores denominadas quarks. Em 1974, Norio Taniguchi, atribui o nome nanotecnologia ao campo da engenharia em escala submicrométrica. 12
Década de 80, descoberta dos fulerenos por Kroto. Em 1981, o microscópio de varredura por tunelamento (STM) foi inventado. Em 1986, Richard Smalley, descobre os fulerenos buckminster ou buckyballs. Em 1986, invenção do microscópio de força atômica (AFM). Em 1991 à descoberta dos nanotubos de carbono, por Sumio Iijima. 13
Figura 2 - Ilustração representando os nanotubos de carbono e as buckyballs 14
4. MICROSCOPIA ELETRÔNICA A menor distância entre dois pontos que podemos observar (resolver) com nossos olhos é de aproximadamente 0,1-0,2 mm, dependendo da qualidade da visão e de uma iluminação adequada. Esta "menor distância", é chamada de resolução, ou poder de resolução, e qualquer instrumento que nos revele detalhes abaixo desse limite pode ser chamado de microscópio. Em microscopia eletrônica, a luz visível é substituída por feixes de elétrons. 15
Sabe-se, baseado nas teorias de Louis de Broglie e experimentos independentes de Thompson e Reid em 1927, que os elétrons podem se comportar como ondas, e com comprimento de ondas substancialmente menor que o da luz visível. Existem dois tipos básicos de microscópios eletrônicos. 16
Microscópio Eletrônico de Tunelamento (MET): projeta elétrons através de uma fatia muito fina do material a ser analisado (normalmente da ordem de 70-100 nm de espessura), para produzir uma imagem bidimensional em uma tela. Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV): usa um feixe de 2 a 3 nm de elétrons, que varrem a superfície da amostra para gerar elétrons secundários, oriundos do material analisado, que são detectados por um sensor. 17
Figura 3 - Diferenças básicas entre os microscópios eletrônicos de transmissão e varredura. Interações dos elétrons com a amostra. 18
Pelo fato de elétrons serem um tipo de radiação ionizante, eles produzem uma série de sinais secundários a partir de sua interação com o espécime. Figura 4 - Sinais gerados pela interação de feixe de elétrons de alta energia com a amostra 19
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MEV Sinal captado na varredura eletrônica de uma superfície pode apresentar diferentes características. Assim, diferentes sinais podem ser emitidos pela amostra. Dentre os sinais emitidos, os mais utilizados para obtenção da imagem são originários dos elétrons secundários e/ou dos elétrons retroespalhados. 20
Elétrons secundários: são de baixa energia (menor que 50 ev), usualmente estão ligados fracamente aos átomos da amostra dos quais são ejetados a partir da colisão com elétrons incidentes. Nesse caso, elétrons secundários marcam a posição do feixe e nos dão informações topográficas precisas e de alta resolução. Elétrons retroespalhados: possuem energia próxima à dos elétrons primários, são aqueles que sofreram espalhamento elástico. O sinal destes elétrons é resultante das interações ocorridas mais para o interior da amostra e proveniente de uma região do volume de interação abrangendo um diâmetro maior do que o diâmetro do feixe primário. 21
5. ASPECTOS GERAIS DA NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA Os materiais apresentam novas propriedades, antes não observadas quando em tamanho micro ou macroscópico. Devido ao aumento da razão entre a área e o volume do nanomaterial, os efeitos de superfície se tornam mais importantes. A matéria pode ser rearrumada nessa escala através de interações fracas, tais como dipolo eletrostático, ligações de hidrogênio, forças de van der Waals, interações hidrofóbicas ou hidrofílicas, aglomeração fluídica e outras formas de agregação. 22
Tabela 1: Efeitos dominantes nos mundos macro, micro e nanométrico. Unidade de medida Do tamanho de Efeitos predominantes Metro (m) =1,0 m Criança pequena, bicicleta, etc. Gravidade, atrito, combustão Centímetro (cm) = 0,01 m Polegar humano, moedas, etc. Gravidade, atrito, combustão Milímetro (mm) = 0,001 m Grão de açúcar, etc. Gravidade, atrito, combustão, força eletrostática Micrômetro (μm) = 0,000001 m 1/40 do diâmetro de um cabelo humano Força eletrostática, van der Waals, movimento browniano Nanômetro (nm) = 0,000000001 m Comprimento de uma fila de 5 a 10 átomos Força eletrostáüca, van der Waals, browniano, mecânica quântica Angstron (Á) = 0,0000000001 m 1 átomo, 10 vezes o comprimento de onda de um elétron Mecânica quântica 23
Dois aspectos relevantes das forças eletrostáticas que são predominanes em nanotecnologia são as forças de van der Waals e o movimento browniano. Os dois efeitos principais são: Efeitos de tamanho: A estrutura eletrônica normal é substituída por uma série de níveis eletrônicos discretos. Efeitos induzidos: o aumento na área superficial de nanomateriais provoca um aumento significativo na sua reatividade. 24
6. PREPARAÇÃO DE MATERIAIS EM ESCALA NANOMÉTRICA BLOCOS DE CONSTRUÇÃO OU BUILDING BLOCKS são os átomos e moléculas, ou um conjunto deles tais como nanopartículas, nanocamadas, nanofios ou nanotubos. Propriedades fundamentais são definidas e ajustadas em função do tamanho, forma e padrão do nanomaterial. 25
Átomos Nanopartículas Camadas Síntese Montagem Material Nanoestruturado Dispersões e revestimento Materiais com alta área de superfície Equipamentos nanofuncionais Material Consolidado Figura 5. Organização da ciência e tecnologia da nanoestrutura. 26
Do ponto de vista tecnológico, os nanomateriais podem ser preparados segundo uma abordagem: Bottom-up (de baixo para cima): construindo os materiais a partir de átomos ou moléculas individuais. Top-down (de cima para baixo): Ruptura de uma porção maior do material em nanopartículas, fazendo-se uso das técnicas de litografia. 27
Material Nanoestruturado Metodo Bottom - up Montar a partir de blocos de nanoconstrução pó / aerossol compactação síntese química Metodo Top - down Esculpir da massa atrito mecânico (moagem) Litografia / gravação Figura 5 - Esquema de uma variedade de síntese de nanoestrutura e abordagens de montagem. 28
7. APLICAÇÕES DA NANOTECNOLOGIA Antigamente Há aproximadamente 4000 anos a.c., o elixir da longa vida que os alquimistas egípcios preparavam era constituído na realidade por partículas de ouro em suspensão com tamanho da ordem de 1-100 nm. Atualmente Pinças nanomecânicas. Fabricação de materiais com precisão atômica. Taça de Licurgus, do século IV d.c, que exibe uma cor verde quando a luz é refletida, mas é vermelha sob luz transmitida, é na realidade constituída por nanopartículas de ouro e prata. O colorido dos vitrais das igrejas medievais era o resultado da formulação do vidro com nanopartículas de ouro. Compósitos nanoestruturados. Substituição de tecidos vivos. Dispositivos eletrônicos moleculares, nanobiomotores e sistemas nanoeletromecânicos. 29
Anglo de incidência da luz Luz Transmitida Luz Refletida Figura 6. Aparência da Taça Licurgus dependendo do ângulo de incidencia da luz 30
Figura 7. Curral quântico formado por átomos de ferro sobre uma superfície de cobre. Figura 8. Uma das primeiras imagens obtidas por STM mostra átomos de silício com um aumento de 20 milhões de vezes. Cientistas no IBM descobriram como posicionar átomos individuais numa superfície metálica utilizando um microscópio de efeito túnel (STM). 31
Os materiais funcionalizados como nanocristais, nanopartículas, nanofios, nanofitas, nanotubos e nanocompósitos possuem: Potencial de aplicação em catálise. Síntese de colóides. Processos fotoquímicos. Desenvolvimento de sensores e dispositivos eletrônicos em aplicações médicas. na obtenção de novos fármacos. no controle ambiental. 32
NANOTECNOLOGIA NA MEDICINA Eliminar células cancerígenas. destruir bactérias e vírus. inserir medicamentos em células específicas. desobstruir artérias. realizar cirurgias minimamente invasivas. tratamentos de problemas cardiovasculares, diabetes, mal de Alzheimer, eliminação de pedra nos rins. novas rotas de síntese de drogas denvolvidas e novos métodos de transporte através do corpo humano. 33
CIRURGIA MINIMAMENTE INVASIVAS Figura 7. Ilustração de uma artéria sendo desobstruída por um nanorôbo. 1. Uma seringa introduz nanorrobôs no sistema sanguíneo. 2. Nanorrobôs irão receber e enviar informações para uma central de comando fora do corpo. 3. Serra minúscula retira a placa de colesterol do vaso sanguíneo. 4. Uma mangueira a vácuo suga a placa de gordura para um recipiente seguro localizado dentro do nanorrobô. 34
Figura 8. Ilustrações de nanorobôs atacando células cancerígenas. 35
8. NANOTECNOLOGIA E O MEIO AMBIENTE: PRÓS E CONTRAS A nanotecnologia traz consigo alguns benefícios e riscos ao meio ambiente e à saúde humana. As três principais áreas nas quais podemos esperar grandes benefícios provenientes da nanotecnologia são: Prevenção de poluição ou dos danos indiretos ao meio ambiente Tratamento ou remediação de poluição Detecção e monitoramento de poluição 36
8.1 PRÓS A) Prevenção de poluição ou dos danos indiretos ao meio ambiente: Uso de nanomateriais catalíticos que aumentam a eficiência e a seletividade de processos industriais. Desenvolvimento de sistemas de iluminação de baixo consumo energético. 37
B) no tratamento ou remediação de poluição A grande área superficial das nanopartículas lhes confere, em muitos casos, excelentes propriedades de adsorção de metais e substâncias orgânicas. (a) (b) Figura 9. (a) Esponja criada por cientistas da UFMG pode ser útil no caso de acidentes ambientais. (b) Esponja hidrofóbica utilizada no tratamento de águas sujas. Incha oito vezes o seu tamanho e flutua. Pode ser limpa e reutilizada. 38
A etapa subseqüente de coleta das partículas e remoção de poluentes pode ser facilitada pelo uso, por exemplo, de nanopartículas magnéticas. As propriedades redox e/ou de semicondutor de nanopartículas podem ser aproveitadas em processos de tratamento de efluentes industriais com base na degradação química ou fotoquímica de poluentes orgânicos. Num cenário futurístico, um exército de nano-bots poderia ser utilizado para descontaminar microscopicamente sítios de derrame de produtos químicos. 39
C) na detecção e monitoramento de poluição A nanotecnologia vem permitindo a fabricação de sensores cada vez menores, mais seletivos e mais sensíveis para a detecção e monitoramento de poluentes orgânicos e inorgânicos no meio ambiente. Implica diretamente: melhor controle de processos industriais. na detecção mais precoce e precisa da existência de problemas de contaminação. no acompanhamento, em tempo real, do progresso dos procedimentos de tratamento e remediação de poluentes. num monitoramento mais efetivo dos níveis de poluentes em alimentos e outros produtos de consumo humano. 40
8.2. CONTRAS pequeno tamanho das nanopartículas facilita sua difusão e transporte na atmosfera, em águas e em solos, ao passo que dificulta sua remoção por técnicas usuais de filtração. Pode facilitar também a entrada e o acúmulo de nanopartículas em células vivas. Sabe-se muito pouco ou nada sobre a biodisponibilidade, biodegradabilidade e toxicidade de novos nanomateriais. 41
A contaminação do meio ambiente por nanomateriais com grande área superficial, boa resistência mecânica e atividade catalítica pode resultar: na concentração de compostos tóxicos na superfície das nanopartículas, com posterior transporte no meio ambiente ou acúmulo ao longo da cadeia alimentar. na adsorção de biomoléculas, com conseqüente interferência em processos biológicos in vivo. numa maior resistência à degradação. catálise de reações químicas indesejáveis no meio ambiente. 42
NANOTECNOLOGIA NÃO É O VILÃO! os simpósios e estudos recentes que avaliaram os riscos da nanotecnologia para o meio ambiente tratam a questão com equilíbrio e em termos predominantemente científicos, não enfrenta nenhuma oposição tecnofóbica sistemática. 43
9. CONSIDERAÇÕES FINAIS Apesar dos avanços alcançados, ainda há muito a ser feito. O desenvolvimento da ciência em nanoescala encontra-se principalmente na fase pré-competitiva e espera-se que muitas aplicações de destaque nesse campo surjam nos próximos anos. A colaboração internacional em pesquisa fundamental, os desafios técnicos de longo prazo, a metrologia, educação e os estudos sobre as implicações societárias relatando os benefícios e/ou danos que a nanotecnologia poderá trazer à sociedade e/ou ao meio ambiente desempenharão um papel importante na afirmação e no seu crescimento. 44
O caráter multidisciplinar da nanotecnologia poderá trazer descobertas e/ou inovações em praticamente todas as áreas do conhecimento, sobretudo em campos como química, física, agricultura, biologia moderna, entre outros. 45
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Roco, M. C.; J. Nanoparticle Res. 2001, 3, 5. 2. Ferreira, H. S.; Rangel M. C.; NANOTECNOLOGIA: ASPECTOS GERAIS E POTENCIAL DE APLICAÇÃO EM CATÁLISE, Quim. Nova, Vol. 32, No. 7, 1860-1870, 2009 3. Siegel R.W., E. Hu, Roco M.C.; Nanostructure Science and Technology A Worldwide Study, WTEC, Loyola College in Maryland 4. Galembeck, F.; Rippel, M. M.; Parcerias Estratégicas 2004, no18, 43. 5. Toma, H. E.; Quim.Nova, 2005, 28 Suplemento, S48. 6. Zhao, Q. Q.; Boxman, A.; Chowdhry, U.; J. Nanoparticle Res. 2003, 5, 567 7.http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/19 06/thomson-bio.html 8.http://revistagalileu.globo.com/EditoraGlobo/componentes/a rticle/edg_article_print/1,3916,868647-1940-1,00.html 46
OBRIGADO PELA ATENÇÃO! 47