NANOTECNOLOGIA

Leonardo Artur Biazi

Cristian Bernardi

De onde vem o nome “nano”?

• 1 nano(do grego “anão”)metro = 1 nm = um bilionésimo de metro.

• Tamanho de um átomo: 0,03 a 0,27 nm.• O nanometro é a menor dimensão prática da

engenharia de materiais. • Nanoestrutura e a dimensão física entre 1nm a

100 nm – É a escala de comprimento de átomos e moléculas. – Abaixo de átomos, temos as partículas sub-atômicas.

Porém, do ponto de vista prático, não as usamos (por enquanto) diretamente para construir nada.

Breve histórico

• Hipótese atômica ( 500 AC Dalton): “átomos” são os elementos fundamentais indivisíveis do mundo material.

• Teoria atômica (século 19): (1) elementos químicos distintos e (2) combinados em proporções fixas.

• Realidade atômica (século 20)– Átomos obedecem a leis diferentes daquelas no “nosso” mundo.– Física Quântica.

• Marco Histórico do interesse explícito pela nanociência e nanotecnologia Físico Americano Richard Feynman “Alguma coisa estranha acontece lá embaixo”. (1959)

Nanotecnologia

• Nanotecnologia somente se torna possível a partir do momento em que temos instrumentos para ver e manipular átomos e moléculas individuais.

• Materiais nanométricos possuem novas propriedades físicas e químicas em relação aos materiais micrométricos.

• Precisamos de instrumentos especiais e teorias que nos permitam entender os resultados que estes instrumentos geram, bem como novas técnicas de síntese de materiais.

MicroscopiaEletrônica

Imagem de microscopia eletrônica de transmissão

a = 0,589 nm

Síntese de materiais nanoestruturados

Síntese química

• Síntese de nanopartículas coloidais.– Processos químicos clássicos de síntese por

via úmida.• Por via úmida é possível controlar a morfologia,

estrutura, tamanho e a composição química.

Au Au Ag

T.C.R.Rocha, C. S. Novo, D. Zanchet, LNLS

Controle de tamanho e forma

200 nm

Diâmetro médio = (27 ± 4) nmNanofibras MoS2

Esferas ocas de Ni-PMicroplacas de SnOx

Amostras sintetizadas na UFSC

Dep. de Física - UFSC

Um produto nanotecnológico brasileiro

Adotado pela Associação Brasileira de Indústrias do Café (ABIC) como provador oficial.

Língua Língua EletrônicaEletrônica

Grupo do Dr. L. H. Mattoso/ CNPDIA/São Carlos

Patente Internacional/Embrapa

NANOTUBOS DE CARBONO

Descobertos em 1991 por Kazuo Iijima

Nanotubos de carbono são tubos formados a partir da folha de grafeno com diâmetro em escala nanométrica.

Nanotubos de carbono

SWCNT´s – Single-wall Carbon Nanotubes – Prop. Elétricas e Óticas

MWCNT´s – Multi-wall Carbon Nanotubes – Prop. Mecânicas

NANOTUBOS DE CARBONO - SWCNT´s

Sua quiralidade define se o NTC será condutor ou semicondutor

Armchair – Condutor

ZigZag - Semicondutor

Chiral – Semicondutor

NANOTUBOS DE CARBONO - SWCNT´s

Propriedades e Aplicações dos SWCNT´s

Grande superfície específica, geometria e condução elétrica de baixíssima perda.

Sensores – gases, líquidos e de radiação;

Fotocondutividade – Led´s e células fotovoltaicas;

Piezoeletricidade – micro-motores;

Armazenagem – enzimas, fármacos e hidrogênio;

Outros dispositivos – transistores, FET, membrana de gases, cultura biológica e etc..

Emissores de Campo

Sensores

Células fotovoltaicas

Armazenamento de H2 nas células a combustível

NANOTUBOS DE CARBONO - SWCNT´s

NTC/LabMat – TEM/UFSC

NANOTUBOS DE CARBONO - MWCNT´s

Propriedades e Aplicações dos MWCNT´s

NTC possuem ligações sp2

NANOTUBOS DE CARBONO - MWCNT´s

Possuem a maior resistência a ruptura sob tração conhecida, na ordem de 200 GPa, 100 vezes superior ao mais resistente aço com apenas 1/6 de sua densidade.

NANOTUBOS DE CARBONO - MWCNT´s

Propriedades e Aplicações dos MWCNT´s

Incorporação – polímeros, metais e cerâmicas e fibras de carbono, buckypaper;

Fibra de carbono com NTC

extrusora

Matriz polimérica Fita de MWCNT´s

NANOTUBOS DE CARBONO

NANOTUBOS DE CARBONO

Propriedades Elétricas

Os NTC são quase perfeitos condutores em 1D (uma direção).A baixas temperaturas, numa escala nanômetrica, observa-se fenômenos de tunelamento e aproximada supercondutividade.

O aumento da temperatura, assim como em qualquer condutor, diminui a condução em condutores e aumenta em semicondutores. Porém esse efeito é menor nos NTC, devido a efeitos quânticos conhecidos como “líquido de Luttinger”.

Em baixas temperaturas a densidade de corrente dos NTC é aproximadamente de 109 A/cm2, quase 1000 vezes maior que o Cobre.

NANOTUBOS DE CARBONO

Fatores Limitantes Baixa obtenção nos atuais processos (ablação a laser, CVD, discarga em arco elétrico, etc..)

E o altíssimo custo de produção, sendo aproximadamente:

1g de MWCNT´s 15U$

1g de SWCNT´s 500U$Estimativa de produção

NANOMATERIAIS e APLICAÇÕES

Atuais

Protetores solares e cosméticos – Nanopartículas de Ti02 e ZnO são utilizados em protetores solares por refletem a radiação UV e são transparentes a luz visível.

Compósitos – Utilizado nanopartículas e nanotubos normalmente. Melhoram propriedades mecânicas, óticas, elétricas e magnéticas dos materiais.

Revestimentos e superfícies – Aumenta a resistência mecânica e de proteção contra intemperismo além de propriedades eletrônicas, catalíticas e superfícies quimicamente funcionalizadas. Exemplo revestimento em pisos com nanopartículas de prata que tem ação antibactericida ou o TiO2 que possui propriedades hidrofóbicas.

Ferramentas – Ferramentas mais resistents e mais duras são produzidas apartir de nanocristais como o carboneto de Tungstênio, carboneto de Tantâlo e o carboneto de Titânio.

NANOMATERIAIS e APLICAÇÕES

Curto Prazo

Pintura – Estuda-se pinturas que emitem luz quando submetido a campo elétrico. E ainda pintas que sejam mais resistêntes a ambientes inóspitos. Estuda-se também pinturas com propriedades óticas de absorção e de condutividade.

Agente Biológico* – Devido a grande área superficial estuda-se nanopartículas aplicados em filtros de ar e água. (nanopartículas de ferro e NTC).

Células Combustível – Armazenamento de H2. NTC.

Displays – Já estao em fase de testes televisores e monitores com telas feitas apartir de nanopartículas como ZnSe, ZnS, CdS. Esses displays apresentam maior brilho e menor consumo energético.

Aditivos no combustível – Óxido de Cério adicionado ao diesel melhora a eficiência do combustível.

Baterias – com aparelhos cada vez melhor as fontes de energia devem ser cada vez mais eficientes, para isso já está sendo desenvolvido baterias com nanopartículas de Ni.

NANOMATERIAIS e APLICAÇÕES

Longo Prazo

Lubrificantes – Nanopartículas de MoS2, Nitrato de Boro (hexagonal). Aplicação para máquinas de alta performace como centrífugas nucleares e aplicação espacial.

Cerâmicas – A diminuição do tamanha do grão aumenta a ductilidade da cerâmica. Nitreto de sílicio e Carbeto de sílicio.

Implantes Médicos* – Materiais como TiO e NTC possuem alta resistência mecânica e baixa corrosão.

Materiais Magnéticos – Sendo desenvolvidos para aplicação em motores, equipamentos de ressonância magnética e microsensores. Outra área de grande aplicação é a da construção de dispositivos de armazenamento de dados. Existe uma nova era de computadores surgindo conhecido como spin-tronic, todo seu funcionamento é baseado no spin do elétron.

Aplicação Militar – Roupas militares que resistentes a agentes químicos e biológicos. Sendo desenvolvido pelo Institute of Soldier Nanotechnologies e por MassachusettsInstitute of Technology.

PRODUÇÃO DE NANOMATERIAIS

NANOTECNOLOGIA

Despesas públicas em nanotecnologias em 2003

NANOTECNOLOGIA

Despesas públicas em nanotecnologias em 2003 – outros países

Despesas públicas em nanotecnologias em 2003 – per capita

NANOTECNOLOGIA

NANOTECNOLOGIA

Benefícios

Maximização da eficiência dos materiais;

Minimização na perda de matéria-prima;

Baixo consumo elétrico, no caso de nanomateriais com função eletro-eletrônica;

Obtenção de novos materiais capazes de proporcionar o desenvolvimento tecnológico e ainda causar maior conforto, segurança, diminuindo a exploração dos recursos naturais.

Nanotecnologia – Possíveis riscos ao meio ambiente e a saúde .

• As mesmas características que tornam as nanopartículas interessantes do ponto de vista de aplicação tecnológica, podem ser indesejáveis quando essas são liberadas ao meio ambiente.

• O 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.

• De modo geral, sabe-se muito pouco ou nada sobre a biodisponibilidade, biodegradabilidade e toxicidade de novos nanomateriais.

• 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.

VALE LEMBRAR QUE ....

• NANOPARTÍCULAS SÃO AFETADAS POR EFEITOS QUANTICOS.• ESTES EFEITOS MUDAM O COMPORTAMENTO ÓTICO, ELETRICO, MAGNÉTICO, RESISTÊNCIA.• NANOPARTÍCULAS PODEM SER QUIMICAMENTE MAIS REATIVAS.• ALGUMAS VEZES MATERIAIS DEIXAM DE SER INERTES EM NANOESCALA.

OS POSSÍVEIS PROBLEMAS ESTAO:

• NATUREZA DAS NANOPARTICULAS;• CARACTERÍSTICAS DO PRODUTOS FEITOS;• PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ENVOLVIDOS;• QUAIS MATERIAIS SAO USADOS;• QUE REJEITO E PRODUZIDO;• SÃO USADOS PRODUTOS TÓXICOS NA FABRICAÇÃO DE PRODUTOS NANOS?;• O QUE ACONTECE QUANDO PARTICULAS E/OU PRODUTOS NANOS CHEGAM AO AR, SOLO, ÁGUA?.

POSSÍVEIS ROTAS DE EXPOSICAO PARA NANOPARTICULAS E NANOTUBOS

FORMAS DE CONTAMINAÇÃO NA CADEIA ALIMENTAR

FORMAS DE CONTAMINACAO NO SER HUMANO

• Por inalação

• Por ingestão

• Pela pele

Por inalação

500 nm é a distancia entre o sangue e o ar

Os alvéolos são formados por uma fina camada de células envolvidas por uma rede de capilares. É nos alvéolos que ocorre a hematose que consiste na troca do CO2 pelo O2.

Nanoparticulas podem preencher esses alvéolos , o que aconteceria ?

Por ingestão

Suco digestivo Enzima pH ótimo Substrato Produtos

Saliva Ptialina neutropolissacarídeos

maltose

Suco gástrico Pepsina ácido proteínas oligopeptídeos

Suco pancreático

QuimiotripsinaTripsinaAmilopepsinaRnaseDnaseLipase

alcalinoalcalinoalcalinoalcalinoalcalinoalcalino

proteínasproteínaspolissacarídeosRNADNAlipídeos

peptídeospeptídeosmaltoseribonucleotídeosdesoxirribonucleotídeosglicerol e ácidos graxos

Suco intestinal ou entérico

CarboxipeptidaseAminopeptidaseDipeptidaseMaltaseSacaraseLactase

alcalinoalcalinoalcalinoalcalinoalcalinoalcalino

oligopeptídeosoligopeptídeosdipeptídeosmaltosesacaroselactose

aminoácidosaminoácidosaminoácidosglicoseglicose e frutoseglicose e galactose

Sistema digestivo

Como as nanoparticulas reagiriam com o sistema digestivo ?

• A pele é o órgão que envolve o corpo determinando seu limite com o meio externo. Corresponde a 16% do peso corporal e exerce diversas funções, como: regulação térmica, defesa orgânica, controle do fluxo sanguíneo, proteção contra diversos agentes do meio ambiente e funções sensoriais (calor, frio, pressão, dor e tato). • A pele é um órgão vital e, sem ela, a sobrevivência seria impossível.

Pela pele

• As nanoparticulas possuem um tamanho menor do que o poro da pele, ou seja, elas entram no poro. Exemplo: TiO2 nanometrico já tem sido utilizado em protetor solar paracombater os raios UV e queimaduras, porem, o artigo frisa que não foram realizados estudos detalhados sobre a penetração dessas partículas.

Como as nanoparticulas reagem no interior da pele?

Em Dezembro de 2003 o presidente americano assinou a 21st CenturyNanotechnology Research and Development Act (Lei do Século XXI da Pesquisa e Desenvolvimento em Nanotecnologia), um mês depois de ser enviada pelo Congresso americano,onde foi aprovada em menos de um ano de tramitação.

A lei americana sobre a nanotecnologia

Os principais pontos da lei são os seguintes:i Criado o Programa Nacional de Nanotecnologia e um Conselho Nacional deNanotecnologia, com fins de estabelecer os objetivos, prioridades etc.ii As atividades do Programa incluem o financiamento de pesquisas, a formação de redes e acriação de estabelecimentos de pesquisas multidisciplinares em nanotecnologia, fomentara criação de empresas e a inovação industrial e garantir aos EUA a liderança mundial nosetor.iii O Conselho será supervisionado pelo Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia.iv O Conselho deverá detalhar planos diretores trienais.v O Conselho deverá elaborar relatórios anuais para serem aprovados nas Comissões demérito de ambas as Casas do Congresso.vi No relatório anual a ser apreciado, estará prevista a dotação orçamentária para o próximoano fiscal.vii Foi criada a figura de um Conselho Consultivo, com membros da sociedade civilescolhidos pelo presidente da república.

viii Foi preestabelecido que deverão ser realizados dois estudos iniciais:a) "Auto-montagem" molecular: verificar a viabilidade da "auto-montagem" molecularpara a manufatura de materiais e dispositivos em escala molecular.b) Desenvolvimento Responsável da Nanotecnologia: verificar a necessidade deestabelecer padrões, linhas de trabalho ou estratégias visando o desenvolvimentoresponsável da nanotecnologia que deverá incluir:(1) máquinas ou dispositivos "auto-copiáveis";(2) condições de lançamento ao meio-ambiente dessas máquinas;(3) encriptação (criptografia, ocultar, dados);(4) desenvolvimento de tecnologias de defesa;(5) o uso da nanotecnologia para o melhoramento da inteligência humana;(6) uso da nanotecnologia para o desenvolvimento da inteligência artificial.

http://www6.ufrgs.br/lacer/gmn/nanotubosbr.htm - acessado dia 26 de Agosto de 2007;

http://www.em.pucrs.br/~eleani/Protegidos/4-%20propriedades%20mecanicas.ppt – acessado dia 26 de Agosto de 2007;

Fortunato E.; As metas da nanotecnologia: Aplicações e Implicações, Centro de Investigação de Materiais: Departamento de Ciência dos Materiais; Universidade Nova de Lisboa – FCT. Janeiro 2005

BIBLIOGRAFIA

The Royal Society & The Royal Academy of Engineering - Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties. July 2004

Jinquan Wei,Hongwei Zhu, Dehai Wu, Bingqing Wei; Carbon nanotube filaments in household light bulbs; Louisiana State University; applied physics letters volume 84, number 24; 25 May 2004.

BIBLIOGRAFIA

Valentin N. Popov; Carbon nanotubes: properties and application; Laboratoire de Physique du Solide, A Review Journal, Materials Science and Engineering R 43 (2004) 61–102, Faculte´s Universitaires Notre-Dame de la Paix, Belgium; 2003.