Nanotecnologia

Introdução á nanotecnologia. O que é a nanotecnologia?

"Os princípios da física, pelo que eu posso perceber, não falam contra a possibilidade de manipular as coisas átomo por átomo. Não seria uma violação da lei ; é algo que, teóricamente, pode ser feito mas que, na prática, nunca foi levado a cabo porque somos grandes de mais" - Richard Feynman.

O que é a nanotecnologia? Por qué é precisso um uso responsável?

A nanotecnologia é a capacidade potencial de criar coisas a partir do mais pequeno, usando as técnicas e ferramentas que estam a ser desenvolvidas nos dias de hoje para colocar cada átomo e cada molécula no lugar desejado. Se conseguirmos este sistema de engenheria molecular, o resultado será uma nova revolução industrial. Além disso, teria também importantes consequências económicas, sociais, ambientais e militares. Aquando Eric Drexler (direita) popularizou a palavra "nanotecnologia", nos anos 80, referia-se à construção de máquinas à escala molecular, de apenas uns nanómetros de tamanho: motores, braços de robô, inclusive computadores inteiros, muito mais pequenos do que uma célula. Drexler passou os seguintes dez anos a descrever e analisar esses incríveis aparelhos e a dar resposta às acusações de ficção científica. No entanto, a tecnologia convencional estáva a desenvolver a capacidade de criar estructuras simples à escala reduzida. Conforme a nanotecnología se converteu num conceito aceite, o significado da palavra mudou para abranger os tipos mais simples de tecnologia à escala nanométrica. A Iniciativa Nacional de Nanotecnologia dos Estados Unidos foi criada para financiar esse tipo de nanotecnologia: a sua definição inclui qualquer elemento inferior a 100 nanómetros com propriedades novas. Fála-se com frequência da nanotecnologia como uma "tecnologia de objectivos gerais". Isso deve-se ao facto de que na súa fase madura terá um impacto significativo na maioria de industrias e áreas da sociedade. Melhorará os sistemas de contrucção e possibilitará a fabricação de productos mais duráveis, limpos, seguros e inteligentes, tanto para a casa, como para as comunicações, os transportes, a agricultura e a industria em geral. Imagine-se dispositivos médicos com capacidade para circular na corrente sanguínea e detectar e reparar células cancerígenas antes de que se estendam. Imagine-se o que seria "encolher" todo o conteúdo da Biblioteca Nacional num dispositivo do tamanho de um cubo de açúcar. Ou então desenvolver materiais dez vezes mais resistentes que o aço e com apenas uma fracção do peso. - U.S. National Science Foundation Tal como já aconteceu com a electricidade ou os computadores, a nanotecnologia melhorará em grande medida quase todas as facetas da vida diária. Como tecnologia de objetivos gerais, porém, teria um uso duplo, ou seja, teria múltiplas aplicações comerciais e também militares : seria possível produzir, por exemplo, armas e aparelhos de vigilância muito mais potentes . A nanotecnologia representa, portanto, incríveis vantagens para a humanidade mas também graves riscos. A base da nanotecnologia é o facto de que não só oferece produtos aperfeiçoados como também uma ampla variedade de melhores meios de produção. Um computador pode fazer cópias de ficheiros de dados; basicamente tantas cópias como quisermos a um custo muito reduzido ou mesmo inexistente. Pode ser apenas uma questão de tempo até que a fabricação de produtos se torne tão barata como a cópia de ficheiros. Aquí reside a verdadeira importância da nanotecnologia, por isso é vista às vezes como " a próxima revolução industrial ". No minha opinião, a revolução nanotecnológica tem o potencial de mudar América numa escala igual, senão maior, do que a revolução informática. - U.S. Senator Ron Wyden (D-Ore.) Conceito artístico duma nanofábrica portátil Cortesia de John Burch, Lizard Fire Studios (3D Animation, Game Development). Clique para ampliar Seria possível condensar o poder da nanotecnologia num aparelho, na aparência simples, chamado nanofábrica, cheio de minúsculos processadores químicos, computadores e robôs e que poderia ir colocado no seu computador pessoal. Os produtos seriam fabricados directamente a partir dos projectos e, portanto, tratar-se-ia de um processo rápido, limpo e barato. A nanotecnologia não só permitiria a fabricação de produtos de alta qualidade a um custo muito reduzido como também a criação de novas nanofábricas com o mesmo custo e velocidade. É mesmo por essa capacidade única de auto-reprodução (para além da biologia, evidentemente) pelo que a nanotecnologia se denomina " tecnologia exponencial ". Refere-se a um sistema de fabricação que, por sua vez, seria capaz de produzir mais sistemas de fabricação-fábricas que produzem outras fábricas- de maneira rápida, barata e limpa. Os meios de produção poder-se-iam reproduzir exponencialmente. Portanto, em apenas umas semanas, poderiamos passar de um reduzido número de nanofábricas para vários bilhões. Constitui, então, um tipo de tecnologia revolucionário, transformador, potente mas também com muitos riscos - ou vantagens - potenciais. Quanto tempo demorará a ser uma realidade? Os analistas mais prudentes falam num período de 20 ou 30 anos a partir de agora, ou ainda mais tarde. No entanto, o CRN receia que possa acontecer muito antes, provávelmente durante a próxima década. Isto é devido ao rápido avanço das novas tecnologias como, por ejemplo, no campo da óptica, nanolitografía, mecânoquímica e criação de protótipos em 3D . Caso chegar tão rápido, talvez não estejamos prontos e poderia ter graves consequências. Julgamos que não é cedo demais para começar a colocar uma série de questões e abordar os seguintes temas: A quem pertencerá a tecnologia? Estará altamente restringida, ou amplamente disponível? Cómo afectará ao fosso entre ricos e pobres? Cómo poderão ser controladas as armas perigosas e prevenir corridas armamentistas? Muitas destas questões já foram colocadas há mais de uma década e ainda não receberam resposta. Caso não abordarmos essas questões de maneira deliberada, as respostas chegarão sozinhas e podem apanhar-nos de surpresa; e a surpresa provávelmente não seja agradável. É difícil antecipar com certeza quanto tempo tardará esta tecnologia em madurar, em parte porque poderia acontecer que já estejam a ser desenvolvidos dende há anos programas industriais ou militares clandestinos sem o nosso conhecimento (especialmente em países que não têm sociedades abertas). Não podemos garantir que a nanotecnologia não será desenvolvida plenamente nos próximos dez anos ou inclusive cinco anos. Embora poderia levar mais tempo, a prudência -e possívelmente a nossa sobrêvivencia - exige que pensemos no cenário mais antecipado e que, portanto, nos preparemos já.

A nanotecnologia (algumas vezes chamada de Nanotech) é o estudo de manipulação da matéria numa escala atômica e molecular. Geralmente lida com estruturas com medidas entre 1 a 100 nanômetros em ao menos uma dimensão, e incluí o desenvolvimento de materiais ou componentes e está associada a diversas áreas (como a medicina, eletrônica, ciência da computação, física, química, biologia e engenharia dos materiais) de pesquisa e produção na escala nano (escala atômica). O princípio básico da nanotecnologia é a construção de estruturas e novos materiais a partir dos átomos (os tijolos básicos da natureza). É uma área promissora, mas que dá apenas seus primeiros passos, mostrando, contudo, resultados surpreendentes (na produção de semicondutores, Nanocompósitos, Biomateriais, Chips, entre outros). Criada no Japão, a nanotecnologia busca inovar invenções, aprimorando-as e proporcionando uma melhor vida ao homem.

Um dos instrumentos utilizados para exploração de materiais nessa escala é o Microscópio eletrônico de varredura, o MEV.

O objetivo principal não é chegar a um controle preciso e individual dos átomos, mas elaborar estruturas estáveis com eles.

Existe muito debate nas implicações futuras da nanotecnologia,(implications of nanotechnology), pois os desafios são semelhantes aos de desenvolvimentos de novas tecnologias, incluindo questões sobre a toxidade e impactos ambientais dos nanomateriais,^[1] e os efeitos potenciais na economia global, assim como a especulação sobre cenários apocalípticos,(doomsday scenarios). Essas questões levaram ao debato entre grupos e governos a respeito de uma regulação sobre nanotecnologia

O nanômetro (nm)

Ver artigo principal: Nanometro

Richard P. Feynman foi o precursor do conceito da Nanotecnologia, embora não tenha utilizado este termo em sua palestra para a Sociedade Americana de Física, em 29 de dezembro de 1959, onde apresentou pela primeira vez suas idéias acerca do assunto. A palavra "Nanotecnologia" foi utilizada pela primeira vez pelo professor Norio Taniguchi em 1974 para descrever as tecnologias que permitam a construção de materiais a uma escala de 1 nanômetro. Para se perceber o que isto significa, considere uma praia de 1000 Km de extensão e um grão de areia de 1 mm, este grão está para esta praia como um nanometro está para o metro. Em alguns casos, elementos da escala periódica da química mudam seu estado, ficando até explosivos em escala nanométrica. A nanotecnologia é a capacidade potencial de criar coisas a partir do menor elemento, usando as técnicas e ferramentas que estão a ser desenvolvidas nos dias de hoje para colocar cada átomo e cada molécula no lugar desejado. Se conseguirmos este sistema de engenharia molecular, o resultado será uma nova revolução industrial. Além disso, teria também importantes consequências econômicas, sociais, ambientais e militares.

Década de 80

Buckminsterfulereno C60, também conhecido como fulerenos, é um membro representante das estruturas de carbono conhecido como fulerenos. Os membros da família fulereno são um tema importante da investigação que recaem sob a égide da nanotecnologia.

Embora a nanotecnologia seja um desenvolvimento recente na pesquisa científica, o desenvolvimento de seus conceitos centrais, vem acontecendo através de um longo período de tempo. A emergência da nanotecnologia na década de 1980 ocorreu-se devido a convergência de avanços experimentais como a invenção do microscópio de varredura de tunelamento em 1981 e na descoberta dos fullerenos em 1985, com o esclarecimento e popularização de um modelo de trabalho para os objetivos da nanotecnologia iniciando com a publicação em 1986 do livro Motores da Criação.

O microscópio de varredura de tunelamento, é um instrumento para visualização de superfícies no nível atômico, foi desenvolvido em 1981 por Gerd Binnig e Heinrich Rohrer no IBM Zurich Research Laboratory, pelo qual eles receberam o prêmio nobel em física em 1986.^[2][3]. Fullerenos foram descobertos em 1985 por Harry Kroto, Richard Smalley, e Robert Curl, que juntos receberam o Prêmio Nobel em química em 1996.^[4][5]

Ao mesmo tempo nos anos 80, o conceito de Nanotecnologia foi popularizado por Eric Drexler por meio do livro "Engines of Creation" (Motores da Criação). Este livro, embora contenha algumas especulações próximas da ficção científica baseou-se no trabalho sério desenvolvido por Drexler enquanto cientista. Drexler foi o primeiro cientista a doutorar-se em nanotecnologia pelo MIT.

Nanotecnologia drexleriana

A Nanotecnologia drexleriana é aquilo a que agora se chama nanotecnologia molecular e que pressupõe a construção átomo a átomo de dispositivos úteis à vida humana. O santo Graal da nanotecnologia drexleriana é o Montador Universal, um dispositivo capaz de, de acordo com as instruções de um programador, construir átomo a átomo qualquer máquina concebível pela mente humana. Drexler tem uma visão a longo prazo da nanotecnologia que prevê o aparecimento de nano-dispositivos de regeneração celular que poderão garantir a regeneração dos tecidos e a imortalidade.

Embora Eric Drexler seja considerado por muitos como o pai da nanotecnologia, a sua abordagem próxima da ficção científica é vista com desconfiança por outros cientistas mais interessados nos aspectos práticos da nanotecnologia. Eric Drexler fundou o "Foresight Institute" e tem-se dedicado à divulgação e desenvolvimento da Nanotecnologia rebatizada de ''''molecular''''

Abordagens

Entretanto a nanotecnologia desenvolveu-se graças aos contributos de várias áreas de investigação. Existem atualmente 3 abordagens distintas à nanotecnologia: uma abordagem de cima para baixo que consiste na construção de dispositivos por desgaste de materiais macroscópicos; a construção de dispositivos que se formam espontaneamente a partir de componentes moleculares; a de materiais átomo a átomo.

• A primeira abordagem é a abordagem utilizada em microelectrônica para produzir chips de computadores e mais recentemente para produzir testes clínicos em miniatura.
• A segunda abordagem recorre às técnicas tradicionais de química e das ciências dos materiais.
• A terceira abordagem é aquela que levará mais tempo a produzir resultados significativos porque requer um controle fino da matéria só possíveis com o aperfeiçoamento da tecnologia.

Utilizações mais radicais

Outras utilizações mais radicais da nanotecnologia, seria a sua utilização nas ciências computacionais, como por exemplo, na nanofotonica, em que nanocristais seriam criados de modo a permitir uma capacidade de busca na ordem dos milhares ou dezenas de milhares de bits.

Montador Molecular ou Nanomontador

Um montador molecular ou nanomontador (nanoassem) é uma máquina nanotecnológica de tamanho bastante reduzido capaz de organizar átomos e moléculas de acordo com instruções dadas. Para fazer esta tarefa é necessário energia, suprimento de matéria-prima (building blocks) bem como a programação a ser executada pelo montador.

Um montador molecular pode atuar de forma isolada ou em conjunto com vários outros montadores moleculares. Podendo, neste caso, ser capaz de construir objetos macroscópicos. Para isto é necessário um sistema de comunicação entre os montadores bem como um sistema de organização que permitam que eles trabalhem em conjunto.

Existe a possibilidade de se construir um montador universal. Este teria a capacidade de construir qualquer objeto possível, incluindo um outro montador. Assim este poderia se replicar de forma semelhante aos seres vivos. Uma vez construído o primeiro montador ele poderia se reproduzir várias vezes até o número necessário para executar uma determinada tarefa como, por exemplo, a construção de várias toneladas de um nanomaterial. Esta capacidade de reprodução é uma das grandes vantagens de um montador molecular e também é um dos seus grandes riscos. Um montador poderia se reproduzir descontroladamente e ameaçar vidas humanas de forma semelhante a epidemias. Um risco poderia ser a colonização de toda a terra por montadores moleculares, extinguindo toda a vida na terra. Só restariam os próprios montadores em uma massa (provavelmente) cinza chamada de "greygoo". Drexler argumenta que este cenário é bastante difícil uma vez nenhum ser vivo conhecido consegue se reproduzir além do limite imposto pela quantidade de energia e matéria-prima disponíveis. Apesar disto, especialistas advertem que é necessário tomar precauções, pois os riscos para a saúde humana não são conhecidos.

A construção de um montador molecular ainda está longe de ocorrer. Vários problemas persistem como a dificuldade de trabalhar com átomos individuais necessários para a construção do montador. Além disto, é difícil modelar o comportamento de objetos complexos em escala nanométrica que obedecem as leis quânticas.

Possíveis problemas

Um dos possíveis problemas é a nanopoluição que é gerada por nanomateriais ou durante a confecção destes. Este tipo de poluição, formada por nanopartículas que podem ser muito perigosas uma vez que flutuem facilmente pelo ar viajando por grandes distâncias. Devido ao seu pequeno tamanho, os nanopoluentes podem entrar nas células de seres humanos, animais e plantas. Como a maioria destes nanopoluentes não existe na natureza, as células provavelmente não terão os meios apropriados de lidar com eles, causando danos ainda não conhecidos. Estes nanopoluentes poderiam se acumular na cadeia alimentar como os metais pesados e o DDT.

A importância para o Brasil e para Portugal

Imagem de reconstrução em Ouro limpo (100) na superfície, como visualizado utilizando a microscopia de tunelamento. As posições dos átomos individuais que compõem a superfície são visíveis.

A nanotecnologia é extremamente importante para o Brasil, assim como para Portugal, porque tanto a indústria brasileira como a portuguesa terão de competir internacionalmente com novos produtos para que a economia dos mesmos países se recuperem e retomem o crescimento econômico. Esta competição somente será bem sucedida com produtos e processos inovadores, que se comparem aos melhores que a indústria internacional oferece. Isto significa que o conteúdo tecnológico dos produtos oferecidos pela indústria brasileira e portuguesa terão de crescer substancialmente nos próximos anos e que a força de trabalho, principalmente brasileira, terá de receber um nível de educação em ciência e Tecnologia muito mais elevado do que o de hoje. Pelo referido, destaca-se o investimento que está a ser feito em Portugal, na cidade de Braga, com a construção do Laboratório Internacional Ibérico de Nanotecnologia (INL), estrutura que irá dedicar-se à investigação nesta área e que terá um investimento anual de 30 milhões de euros. ^[6]

Produtos e serviços que já estariam no mercado

Um levantamento sumário nas publicações que circulam sobre nanotecnologia aponta para os seguintes produtos e serviços que já estariam no mercado:

• Tecidos resistentes a manchas e que não amassam;
• Raquetes e bolas de tênis;
• Capeamento de vidros e aplicações antierosão a metais;
• Filtros de proteção solar;
• Material para proteção (“screening”) contra raios ultravioleta;
• Tratamento tópico de herpes e fungos;
• Nano-cola, capaz de unir qualquer material a outro;
• Pó antibactéria;
• Diversas aplicações na medicina como cateteres, válvulas cardíacas, marca-passo, implantes ortopédicos;
• Produtos para limpar materiais tóxicos;
• Produtos cosméticos;
• Sistemas de filtração do ar e da água.
• Microprocessadores e equipamentos eletrônicos em geral;
• Polimento de faces e superfícies com nanotecnologia sem micro-riscos.

Produtos em desenvolvimento

As aplicações mais simples da nanotectologia talvez sejam as mais promissoras. A criação do material mais escuro do mundo, que absorve mais de 99,9% de toda a luz que recebe^[7] pode permitir um novo patamar no aproveitamento da radiação solar para geração de energia elétrica. Outra área de desenvolvimento promissor da nanotecnologia é a geração de eletricidade em termopar (Efeito Seebeck) semicondutor. Semicondutores não são indicados para um termopar de energia elétrica através do calor na escala macroscópica. Sabe-se, contudo, que junções semicondutoras podem gerar energia elétrica através da luz recebida em células fotovoltaicas e nesse sentido estuda-se converter calor diretamente em energia elétrica com semicondutores na escala da nanotecnologia. Na mesma linha estuda-se refrigerar um ambiente através de termopares da nanotecnologia em efeito análogo (Efeito Peltier)^].

Referências

1. ↑ Cristina Buzea, Ivan Pacheco, and Kevin Robbie. (2007). "Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity". Biointerphases 2.
2. ↑ (1986) "Scanning tunneling microscopy". IBM Journal of Research and Development 30.
3. ↑ Press Release: the 1996 Nobel Prize in Physics. Nobelprize.org (15 October 1986). Página visitada em 12 May 2011.
4. ↑ (1985) "C60: Buckminsterfullerene". Nature 318 (6042): 162–163. DOI:10.1038/318162a0.
5. ↑ Adams, W Wade. "Retrospective: Richard E. Smalley (1943-2005)", pp. 1916.
6. ↑ As inimagináveis potencialidades da Nanotecnologia. Revista Mundus (Agosto 2006). Página visitada em 2009.
7. ↑ Físicos criam material mais escuro do planeta. Folha Online (17/01/2008 - 08h48). Página visitada em 2008-01-20.

Em nanotecnologia não se pensa pequeno

O mercado mundial de nanotecnologia (a ciência das micropartículas) deverá movimentar US$ 3,1 trilhões anuais a partir de 2015. Infelizmente, o Brasil irá beneficiar-se de modo tênue desse avanço, pois não integra o grupo dos 35 países líderes no segmento. Nem mesmo no contexto dos Brics estamos bem posicionados. No grupo, somos os últimos em P&D e investimentos na área, atrás da Rússia, China e Índia.

Precisamos recuperar o tempo perdido. Nesse sentido, conforme indica estudo da Agência Brasileira de Desenvolvimento Industrial (ABDI), a formação de recursos humanos em nível técnico e superior é condicionante. Não há cursos de graduação no país. Apenas de pós-graduação.

Assim, assume especial significado o Programa Sesi-SP/Senai-SP de Educação em Nanociência e Nanotecnologia, que proverá conhecimento aos alunos do Ensino Fundamental e do Médio (Sesi) e dos cursos técnicos, tecnológicos e superiores (Senai). Também será oferecido suporte às empresas para a implementação de projetos e serviços.

O Senai trouxe, ainda, a experiência em divulgação da nanotecnologia de Taiwan. Aproveitando-se das dificuldades atuais da Europa, convidou professores com expertise para virem disseminar seus conhecimentos (lembrem-se que os Estados Unidos não tiveram constrangimentos em levar para suas universidades cientistas estrangeiros como Albert Einstein e Wernher von Braun...). Estas são estimulantes noticias neste inicio de 2011, quando a nossa indústria precisa ganhar competitividade.

Estima-se que a indústria vivenciará uma verdadeira revolução com a nanotecnologia, que terá grande impacto transformador em muitos processos tradicionais, principalmente nos setores farmacêutico, químico, de energia, petróleo, mineração, metalmecânico, têxtil e gráfico. Haverá ganhos de produtividade, redução de custos e surgimento de novos produtos.

Na Escola de Engenharia de São Carlos da USP, cujo campus II é excepcional, realizam-se interessantes pesquisas voltadas ao desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos, tecidos antimanchas e antibacterianos e catalisadores imunes aos efeitos nocivos do monóxido e do dióxido de carbono.

O potencial também é muito grande na agroindústria, desde os alimentos funcionais, passando pelos fertilizantes, até as embalagens. No Brasil, estas pesquisas específicas concentram-se na Embrapa, tendo resultado na criação do Laboratório Nacional de Tecnologia para o Agronegócio, em São Carlos, e numa rede composta por 19 unidades da própria empresa e 17 centros acadêmicos de excelência.

É nesse contexto que se torna muito pertinente o programa do Sesi e do Senai de São Paulo, que criaram o Grupo de Trabalho de Nanotecnologia, para uma ação integrada e sinérgica. Na primeira instituição, serão promovidos programas de estímulo e conscientização, bem como para a formação de professores.

No Senai, além da preparação dos docentes, já está em curso a instalação de três unidades estratégicas em São Paulo: na Escola Mário Amato, o Centro de Pesquisas, Desenvolvimento e Inovação em Nanotecnologia, com foco em química, cerâmica avançada e polímeros; na Escola Nadir Dias Figueiredo, o Centro de Nanotecnologia Aplicada à Área de Metalurgia; e na Escola Suíço-Brasileira Paulo Ernesto Tolle, o Laboratório de Nanometrologia e Microusinagem.

O Senai-SP também terá cinco escolas móveis de nanotecnologia, para o ensino, capacitação, divulgação e informação sobre o tema. Além disso, importou dos Estados Unidos o Conjunto Nanoprofessor, constituído por microscópio de fluorescência, outro de força atômica e uma proposta didática completa para o ensino da matéria. Trata-se de método único em todo o mundo. Foram adquiridos, ainda, equipamentos japoneses e alemães de última geração.

Ações como essas, às quais somam-se iniciativas isoladas nas áreas do petróleo/petroquímica, argamassas e cosméticos, precisam multiplicar-se no Brasil, que perdeu o timing mundial no desenvolvimento de uma tecnologia cada vez mais decisiva para a competitividade. Os números do mercado, as perspectivas da indústria neste século e a proatividade de nossos concorrentes na economia global alertam que nas nanociências o pensamento e a visão têm de ser grandes.

João Guilherme Sabino Ometto