Engenharia: Nanotecnologia
Autor: Mr.Engineer | Publicado: 2011-02-15T02:08:00-08:00

Há uma convergência multidisciplinar sem precedentes de cientistas  dedicados a estudar um mundo tão pequeno que nós não conseguimos ver -  mesmo com a luz de um microscópio. Esse mundo é o campo da  nanotecnologia, o reino dos átomos e das nanoestruturas. A  nanotecnologia é tão nova que ninguém sabe ao certo o que virá dela.  Mesmo assim, predições variam da capacidade de reproduzir coisas como  diamantes e comida ao mundo sendo devorado por nanorrobôs que se  replicam sozinhos.



&nbsp;Para  entender o mundo incomum da nanotecnologia, precisamos ter uma ideia  das unidades de medida envolvidas. Um centímetro é um centésimo de um  metro, um milímetro é um milésimo de um metro e um micrometro é um  milionésimo de um metro, mas todas essas ainda são grandes comparadas à  nanoescala. Um nanômetro (nm) é um bilionésimo de um metro, menor que o  comprimento de onda da luz visível e um centésimo de milésimo da largura  de um fio de cabelo humano [fonte: Berkeley Lab].


©2010 ComoTudoFunciona
Os átomos são os blocos de construção de toda a matéria do Universo
Mesmo  sendo tão pequeno quanto é, um nanômetro ainda é grande comparado à  escala atômica. Um átomo tem um diâmetro de cerca de 0,1 nm. O núcleo de  um átomo é muito menor - cerca de 0,00001 nm. Átomos são os blocos de  construção de toda a matéria no nosso Universo. Você e tudo o mais à sua  volta são feitos de átomos. A natureza aperfeiçoou a ciência da  fabricação de matéria em nível molecular. Por exemplo, nossos corpos são  montados de uma maneira específica por milhões de células vivas. As  células são as nanomáquinas da natureza. Na escala subatômica, os  elementos estão no seu nível mais básico. Na nanoescala, potencialmente  nós podemos colocar esses átomos juntos para fazer quase qualquer coisa.
Em um seminário chamado "Small Wonders: The World of Nanoscience"  (Pequenas Maravilhas: O Mundo da Nanociência), Horst Störmer, ganhador  do prêmio Nobel, disse que a nanoescala é mais interessante que a escala  atômica porque é o primeiro ponto onde podemos montar algo - pelo menos  até começarmos a juntar os átomos e fazermos alguma coisa útil.
Neste  artigo, vamos aprender o que a nanotecnologia significa nos dias de  hoje e que futuro da nanotecnologia ela nos reserva. Também veremos os  riscos potenciais do trabalho em nanoescala.
O mundo da nanotecnologiaOs especialistas às vezes discordam sobre o que constitui a nanoescala,  mas em geral, você pode pensar em nanotecnologia lidando com quaisquer  medidas entre 1 nm e 100 nm. Maior que isso é micro-escala, e menor que  isso é escala atômica.


Intel / Divulgação
Engenheiro da Intel observa bolacha de silício contendo vários chips de 45 nanômetros
&nbsp;A  nanotecnologia está rapidamente se tornando um campo  intermultidisciplinar. Biólogos, químicos, físicos e engenheiros estão  envolvidos no estudo de substâncias à escala nanométrica. Störmer espera  que as diferentes disciplinas desenvolvam uma linguagem comum e se  comuniquem entre si. Só então, ele diz, nós efetivamente ensinaremos  nanociência, já que você não pode compreender o mundo da nanotecnologia  sem uma base sólida em múltiplas ciências.

É um mundo pequeno, afinalÀ  nanoescala, os objetos são tão pequenos que não podemos vê-los - mesmo à  luz do microscópio. Os nanocientistas têm de usar ferramentas como  microscópio de varredura de tunelamento ou microscópios de força atômica  para observar qualquer coisa à nanoescala. Os microscópios de varredura  de tunelamento usam uma corrente elétrica fraca para investigar o  material escaneado. Os microscópios de força atômica varrem as  superfícies com uma ponta incrivelmente delicada. Os dois microscópios  enviam os dados para um computador, que pode montar a informação e  projetá-la graficamente no monitor [fonte: Enciclopédia Britânica]
Um  dos aspectos excitantes e desafiadores da nanoescala é o papel que a  mecânica quântica representa nela. As regras da mecânica quântica são  muito diferentes da física clássica, o que significa que as substâncias à  nanoescala podem, às vezes, contradizer o senso comum ao comportar-se  de forma errática. Você não pode andar até uma parede e imediatamente se  teleportar para o outro lado, mas à escala nanométrica um elétron pode -  isso é chamado tunelamento de elétrons. Substâncias que são isolantes (elas não podem carregar corrente elétrica), podem se tornar semicondutoras  quando reduzidas à nanoescala. Pontos de derretimento podem mudar  devido a um aumento da área de superfícies. Muito da nanociência exige  que você esqueça o que você sabe e comece a aprender tudo de novo.
Então  o que isso tudo quer dizer? No momento, isso significa que os  cientistas estão experimentando com substâncias à nanoescala para  aprender sobre suas propriedades e como nós poderemos ser capazes de  tirar vantagem delas em várias aplicações. Os engenheiros estão tentando  usar nanofios para criar microprocessadores menores e mais poderosos.  Médicos estão procurando formas de usar as nanopartículas em aplicações  médicas. Temos ainda um longo caminho a percorrer antes que a  nanotecnologia domine os mercados da tecnologia e da medicina.
Nanofios e nanotubos de carbonoAtualmente, os cientistas descobriram duas estruturas de tamanho  nanométrico de especial interesse: nanofios e nanotubos de carbono. Os  nanofios são fios com um diâmetro muito pequeno, às vezes de 1  nanômetro. Os cientistas esperam usá-los para construir transistores  minúsculos para chips de computador e outros dispositivos eletrônicos.  Nos últimos dois anos, os nanotubos de carbono têm ofuscado os nanofios.  Nós ainda estamos aprendendo sobre essas estruturas, mas o que sabemos  até agora é muito excitante.



Um nanotubo de carbono é um cilindro de átomos de carbono de tamanho  nanométrico. Imagine uma folha de átomos de carbono, que se pareceria  com uma folha de hexágonos. Se você enrolasse essa folha formando um  tubo, você teria um nanotubo de carbono. As propriedades de um nanotubo  de carbono dependem de como você enrola a folha. Em outras palavras,  embora todos os nanotubos de carbono sejam feitos de carbono, eles podem  ser muito diferentes de uns dos outros, dependendo de como você os  alinha os átomos individuais. 


© Martin McCarthy / iStockphoto
Nanotubos de carbono em multicamadas: mais fortes que o aço, com um sexto do peso
Com  a organização correta de átomos, você pode criar um nanotubo de carbono  que é centenas de vezes mais forte que o aço, porém seis vezes mais  leve [fonte: The Economist]. Engenheiros planejam fazer material de  construção com nanotubos de carbono, especialmente para coisas como  carros e aviões. Veículos mais leves significariam melhor eficiência de  combustível e a força adicionada se traduz no aumento da segurança do  passageiro.Os nanotubos de carbono também podem ser semicondutores  eficazes com o arranjo correto de átomos. Cientistas ainda estão  trabalhando na descoberta de formas de fazer dos nanotubos de carbono  uma opção realística para transistores em microprocessadores e outros  eletrônicos.
Grafite x Diamantes

© Lyudmyla Nesterenko / Mark Evans (dir.) / iStockphoto
Dependendo da maneira como seus átomos são arranjados, o carbono pode se transformar em grafite ou em diamante

Qual  a diferença entre grafite e diamantes? Os dois materiais são feitos de  carbono, mas ambos têm propriedades amplamente diferentes. O grafite é  mole; diamantes são duros. O grafite conduz eletricidade, mas os  diamantes são isolantes e não conduzem eletricidade. O grafite é opaco;  os diamantes são geralmente transparentes. Grafite e diamantes têm essas  propriedades por causa da maneira como os átomos de carbono se ligam à  escala nanométrica.
Produtos com nanotecnologiaVocê pode se surpreender ao descobrir quantos produtos no mercado já estão se beneficiando da nanotecnologia.


© Nina Allerton / iStockphoto
Alguns protetores solares já vêm com nanopartículas de óxido de zinco que evitam a cor esbranquiçada do produto
Protetor solar  - Muitos protetores solares contêm nanopartículas de óxido de zinco ou  de óxido de titânio. As fórmulas mais antigas de protetores usam  partículas maiores, que é o que dá à maioria dos protetores sua cor  esbranquiçada. Partículas menores são menos visíveis, o que quer dizer  que quando você esfregar o produto na sua pele, ele não vai proporcionar  uma cor esbranquiçada. 


Vidro autolimpante - Uma empresa chamada Pilkington oferece um produto que ela chama de Activ Glass, que usa nanopartículas para fazer vidro fotocatalítico e hidrófilo.  Por causa do efeito fotocatalítico, quando a radiação UV da luz atinge o  vidro, as nanopartículas ficam energizadas e começam a quebrar e a  soltar moléculas orgânicas no vidro (em outras palavras, sujeira). Com o  efeito hidrófilo, quando a água faz contato com o vidro, ela se espalha  pelo vidro igualmente, lavando e limpando o vidro.

Vestuário - Cientistas estão usando nanopartículas  para melhorar seu vestuário. Ao cobrir os tecido com uma fina camada de  nanopartículas de óxido de zinco, os fabricantes podem criar roupas que  dão melhor proteção contra a radiação UV. Algumas roupas têm  nanopartículas na forma de pequenos cabelos ou pelos que ajudam a  repelir a água e outros materiais, tornando a roupa resistente a  manchas.



Bridgestone / Divulgação
Usando nanotecnologia, engenheiros da Bridgestone criaram o Quick Response Liquid Powder Display, uma tela digital flexível
Cobertura resistente a arranhões  - Engenheiros descobriram que adicionar nanopartículas de silicato de  alumínio a coberturas plásticas resistentes a arranhões tornam o  revestimento mais eficaz, aumentando a resistência a arranhões e a  lascas. As coberturas resistentes a arranhões são muito comuns - de  carros a lentes de óculos.


Curativos antimicrobianos - O cientista Robert  Burrell criou um processo para fabricar curativos antibacterianos  usando nanopartículas de prata. Os íons da prata bloqueiam a respiração  celular dos micróbios [fonte: Burnsurgery.org]. Em outras palavras, a  prata sufoca as células prejudiciais, matando-as.

Limpadores de piscinas e desinfetantes - A  EnviroSystems, Inc. desenvolveu uma mistura (chamada nanoemulsão) de  gotas de óleo de tamanho nanométrico com bactericida. As partículas de  óleo aderem à bactéria, tornando o bactericida mais eficiente e eficaz.
[fonte: The Ecologist]
Novos produtos incorporando nanotecnologia estão surgindo todos os  dias. Tecidos resistentes a rugas, cosméticos de penetração profunda,  LCDs e outras conveniências usando nanotecnologia estão no mercado.  Antes de nos darmos conta, veremos dúzias de outros produtos que tiram  vantagem da nanotecnologia, abrangendo de microprocessadores Intel a  bio-nano baterias, capacitores de apenas uns poucos nanômetros de  espessura. Embora isso seja excitantes, é apenas a ponta do iceberg de  como a nanotecnologia vai nos impactar no futuro.
Tênis, alguém?A  nanotecnologia está causando um grande impacto no mundo do tênis. Em  2002, a companhia de raquetes de tênis Babolat lançou a raquete VS  Nanotube Power. Feita de nanotubo de grafite reforçado com nanotubos de  carbono, a raquete era muito leve e muitas vezes mais forte que o aço.  Enquanto isso, a fabricante de bolas de tênis Wilson lançava a bolinha  Double Core. Essas bolas têm uma cobertura de nanopartículas de argila  no núcleo interno. A argila age como um selante, fazendo com que seja  muito difícil que o ar escape da bola.
O futuro da nanotecnologiaNo mundo de "Jornada nas Estrelas", máquinas chamadas de replicadores  podem produzir praticamente qualquer objeto físico, de armas a copos  fumegantes com chá Earl Grey. Considerado para ser exclusivamente um  produtos de ficção científica, os replicadores são uma possibilidade bem  real para algumas pessoas. Elas chamam isso de fabricação molecular, e  se algum dia ela se tornar uma realidade, vai mudar o mundo  drasticamente.



&nbsp;  Átomos e moléculas ficam juntos porque eles têm formas complementares  que os mantêm juntos, ou cargas que se atraem. Assim como com magnetos,  um átomo carregado positivamente vai grudar num átomo carregado  negativamente. À medida que milhões desses átomos forem colocados juntos  por nanomáquinas, um produto específico começará a tomar forma. O  objetivo da manufatura molecular é manipular átomos individualmente e  colocá-los num padrão para produzir uma estrutura desejada.
O primeiro passo seria desenvolver máquinas nanoscópicas, chamadas  montadoras, que os cientistas podem programar para manipular átomos e  moléculas à vontade. O professora Richard Smalley, da Universidade Rice,  frisa que só uma máquina nanoscópica levaria milhões de anos para  montar uma quantidade significativa de material. Para que a manufatura  molecular seja prática, seria preciso trilhões de montadores trabalhando  juntos simultaneamente. Eric Drexler acredita que os montadores  poderiam, primeiro, autorreplicar-se, construindo outros montadores.  Cada geração construiria outra, resultando num crescimento exponencial  até que houvesse montadores suficientes para produzir objetos [fonte:  Ray  Kurzweil].
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Montadores podem ter partes que se movem como
nanoengrenagens nesse desenho-conceito  Trilhões de montadores e replicadores poderiam caber em uma área  menor que um milímetro cúbico, e ainda seriam muito pequenos para serem  visto a olho nu. Montadores e replicadores poderiam trabalhar juntos  para construir produtos automaticamente, e poderiam, eventualmente,  substituir todos os métodos tradicionais de trabalho. Isso poderia  diminuir amplamente os custos de manufatura, fazendo com isso  mercadorias de consumo abundantes, mais baratas e mais fortes.  Finalmente, seríamos capazes de replicar qualquer coisa, inclusive  diamantes, água e comida. A escassez de comida poderia ser erradicada  pelas nanomáquinas, que fabricariam alimentos para alimentar a fome.


© Michael Knight / iStockphoto
Na medicina, nanorrobôs podem ser programados para atacar e reconstruir a estrutura molecular das células da câncer
A  nanotecnologia deve ter seu maior impacto na indústria médica.  Pacientes beberão líquidos contendo nanorrobôs programados para atacar e  reconstruir a estrutura molecular das células do câncer e dos vírus. Há  até uma especulação de que os nanorrobôs poderiam atrasar ou reverter o  processo de envelhecimento, e a expectativa de vida poderia aumentar  significativamente. Os nanorrobôs também poderiam ser programados para  realizar cirurgias delicadas - como nanocirurgiões, eles trabalhariam  num nível milhares de vezes mais preciso que o mais afiado dos bisturis  [fonte: International  Journal of Surgery]. Ao trabalhar em uma escala tão pequena, um  nanorrobô poderia operar sem deixar as cicatrizes que uma cirurgia  convencional deixa. Além disso, os nanorrobôs poderiam mudar sua  aparência física. Eles poderiam ser programados para realizar cirurgias  cosméticas, rearranjando seus átomos para mudar suas orelhas, seu nariz,  sua cor de olho ou qualquer outra característica física que você  desejasse alterar.

Quão nova é a nanotecnologia?Em  1959, Richard Feynman, físico e futuro vencedor do Nobel, deu uma  palestra na American Physical Society chamada "There's Plenty of Room at  the Bottom" [Há muito espaço na Base].&nbsp; O foco do seu discurso era  sobre o campo da miniaturização e como ele acreditava que o homem  poderia criar dispositivos cada vez menores e mais poderosos. 
Em  1986, K, Eric Drexler escreveu "Engines of Creation" [ Motores da  Criação] e introduziu o termo nanotecnologia. A pesquisa científica  realmente expandiu na última década. Inventores e corporações não estão  muito atrás - hoje, mais de 13 mil patentes registradas no Escritório de  Patentes dos EUA têm a palavra "nano" nelas [fonte: US Patent and  Trademark Office].
A nanotecnologia tem um potencial para ter efeitos positivos no  ambiente. Por exemplo, cientistas poderiam programar nanorrobôs  aerotransportados para reconstruir a camada de ozônio. Os nanorrobôs  poderiam remover contaminantes das fontes de água e limpar derramamentos  de óleo. A fabricação de materiais usando um método de nanotecnologia  conhecido como bottom-up - a partir da junção de  componentes individuais, em vez de usinagem ou outro método de formação a  partir de grandes blocos - também polui menos que os processos  convencionais de manufatura. Nossa dependência de recursos não  renováveis poderia diminuir com a a nanotecnologia. O corte de árvores,&nbsp;  a exploração de minas de carvão, a perfuração de poços de petróleo  podem não ser mais necessárias - as nanomáquinas poderiam produzir esses  recursos.

Muitos especialistas em nanotecnologia acham que essas aplicações  estão fora do reino da possibilidade, pelo menos num futuro próximo.  Eles alertam que as aplicações mais exóticas são apenas teorias. Alguns  se preocupam que a nanotecnologia pode acabar como a realidade virtual -  em outras palavras, o exagero à cerca da nanotecnologia vai continuar a  crescer até que as limitações do campo sejam de conhecimento público,  e, então, o interesse (e o dinheiro) vai se dissipar rapidamente.
Desafios, riscos e ética da nanotecnologiaO desafio mais imediato na nanotecnologia é que nós precisamos  aprender mais sobre materiais e suas propriedades na nanoescala.  Universidades e corporações de todo o mundo estão estudando  rigorosamente como os átomos se encaixam para formar grandes estruturas.  Nós ainda estamos aprendendo como a mecânica quântica impacta as  substâncias à nanoescala.



Como  os elementos em nanoescala se comportam de maneira diferente do que  eles fariam em sua forma principal, há uma preocupação de que algumas  nanopartículas possam ser tóxicas. Alguns médicos temem que, por serem  tão pequenas, as nanopartículas possam facilmente atravessar a barreira  sangue-cérebro, uma membrana que protege o cérebro de componentes  nocivos lançados na corrente sanguínea. Se planejamos usar  nanopartículas para revestir tudo - de nossas roupas a rodovias,  precisamos ter certeza de que elas não vão nos envenenar.   Fortemente relacionada à barreira do conhecimento está a barreira  técnica. Para que as incríveis previsões sobre a nanotecnologia se  tornem realidade, temos de encontrar formas de produzir em massa  produtos de tamanho nanométrico como transistores e nanofios. Embora  possamos usar nanopartículas para fazer coisas como raquetes de tênis e  tecidos que não amassam, ainda não podemos fazer chips para  microprocessadores realmente complexos com nanofios.

Grude apocalípticoEric  Drexler, o homem que introduziu a palavra nanotecnologia, apresentou  uma visão apocalíptica - o mal funcionamento de nanorrobôs  autorreplicadores, duplicando a si mesmos um trilhão de vezes mais,  rapidamente consumindo o mundo inteiro à medida que eles tiram carbono  do ambiente para construir mais de si mesmos. Isso é chamado de&nbsp; cenário  "gray goo" , em que um dispositivo sintético de tamanho nanométrico  substitui todo o material orgânico do planeta. Outro cenário envolve  nanodispositivos feitos de material orgâncio, varrendo a Terra do mapa -  o cenário "green goo". 
Existem  algumas preocupações sociais pesadas sobre nanotecnologia também. A  nanotecnologia também pode permitir que criemos armas mais poderosas,  letais e não letais. Algumas organizações estão preocupadas que nós  consigamos apenas examinar as implicações éticas da nanotecnologia nos  armamentos depois que esses dispositivos estiverem construídos. Elas  encorajam cientistas e políticos a examinar cuidadosamente todas as  possibilidades da nanotecnologia antes de se projetarem armas  progressivamente poderosas.  Se a nanotecnologia na medicina possibilitar que nos melhoremos  fisicamente, isso é ético. Na teoria, a nanotecnologia médica poderia  nos tornar mais inteligentes, mais fortes e nos dar outras  possibilidades que variam de uma cura rápida à visão noturna. Devemos  perseguir esses objetivos? Podemos continuar nos chamando de humanos, ou  nos transformaríamos em trans-humanos - o próximo passo no caminho  evolutivo do homem? Já que quase toda tecnologia começa sendo muito  cara, isso&nbsp;  quer dizer que estaríamos criando duas raças de pessoas -  uma raça abastada de humanos modificados e uma população mais pobre de  pessoas inalteradas? Nós não temos respostas para essas perguntas, mas  várias organizações estão encorajando os nanocientistas a considerar  essas implicações agora, antes que seja muito tarde.
Nem todas as questões envolvem a alteração do corpo humano - algumas  lidam com o mundo das finanças e da economia.&nbsp; Se a fabricação molecular  se tornar uma realidade, como ela vai impactar o mundo da economia?  Assumindo que possamos construir qualquer coisa de que precisemos com o  clique de um botão, o que acontece com todos os empregos industriais? Se  podemos criar qualquer coisa usando um replicador, o que acontece com a  moeda? Devemos mudar para uma economia completamente eletrônica? Nós  ainda precisaríamos de dinheiro?
Se nós, na verdade, vamos precisar responder a todas essas questões é  uma questão em debate. Muitos especialistas acham que preocupações como  grey goo e trans-humanos são muito prematuras, e provavelmente  desnecessárias. Mesmo assim, a nanotecnologia vai continuar,  definitivamente, a nos impactar à medida que aprendermos mais sobre o  enorme potencial da nanoescala.