Nanotecnologia

Nanotecnologia ou Nanotech, o que vem a ser?o estudo de manipulação da matéria numa escala atômica e molecular. Geralmente lida com estruturas com medidas de 1 a 100 nanômetros, em ao menos uma dimensão, e inclui o desenvolvimento de materiais ou componentes e está associadas a diversas áreas de pesquisa e produção na escala nano. O princípio básico da nanotecnologia é a construção de estruturas e novos materias a partir de átomos. (Wikipedia)

As origens da nanotecnologia são tradicionalmente referidas a 29 de Dezembro de 1959, quando o professor Richard Feynman (vencedor do Prémio Nobel da Física em 1965) apresentou uma palestra intitulada "Há muito espaço no fundo" (There’s Plenty of Room at the Bottom) durante a reunião anual da Sociedade Americana de Física no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech). Nessa palestra, Feynman falou sobre os princípios da miniaturização e precisão ao nível atómico e como esses conceitos não violam nenhuma lei conhecida da física. Feynman descreveu um processo através do qual a habilidade de manipular átomos e moléculas pode ser desenvolvida, utilizando um conjunto de ferramentas precisas para construir e operar um outro conjunto proporcionalmente menor, e assim por diante até a escala necessária.

Ele descreveu um campo sobre o qual poucos pesquisadores tinham ainda pensado, e muito menos investigado. Feynman apresentou a ideia de manipular e controlar coisas numa escala extremamente pequena através da construção e modelagem da matéria átomo a átomo. Ele propôs que era possível construir um robô cirúrgico em nanoescala, desenvolvendo mãos manipuladoras a um quarto de escala que iriam construir ferramentas de quarto de escala análogas às encontradas em oficinas mecânicas, continuando até a nanoescala ser alcançada, oito iterações mais tarde. 

Richard Feynman

Ele descreveu como os 24 volumes da Enciclopédia Britânica podiam ser escritos na cabeça de um alfinete. Imaginou letras de metal em relevo que poderiam ser reduzidas a 1/25.000 de seu tamanho normal (o tamanho destas letras). Feynman discutiu como uma obra dessas poderia ser lida utilizando um microscópio electrónico em utilização naquela época. O truque, disse ele, era escrever os textos super pequenos e reduzi-los sem perda de resolução.

Feynman discutiu também sistemas na natureza que alcançam precisão de nível atómico sem a ajuda de design humano. Além disso, ele expôs alguns passos exactos que talvez precisassem ser tomados, a fim de começar a trabalhar neste campo inexplorado. Estes incluíam o desenvolvimento de microscópios electrónicos mais poderosos, ferramentas essenciais na visão do muito pequeno. Ele também discutiu a necessidade de mais descobertas fundamentais em biologia e bioquímica.

O termo "nanotecnologia" foi definido pelo Professor Norio Taniguchi da Universidade de Ciência de Tóquio, num artigo de 1974 intitulado "Sobre o conceito básico de" Nano-tecnologia " da seguinte forma:"Nanotecnologia consiste principalmente em processamento de, separação, consolidação e deformação de materiais por um átomo ou uma molécula”. No seu artigo, Taniguchi desenvolveu as ideias de Feynman em mais detalhe afirmando que "nanotecnologia é a tecnologia de produção para obter a precisão extra alta e dimensões ultra finas, ou seja, a precisão e finura da ordem de 1 nm (nanómetro) de comprimento. Ele também discutiu o seu conceito de 'nanotecnologia' no processamento de materiais, baseando-se no comportamento microscópico dos materiais.

Norio Taniguchi

 O principal passo para o desenvolvimento da nanotecnologia foi a invenção do Microscópio de Tunelamento por Varrimento (Scanning Tunneling Microscope, STM) na década de 1980. Em 1981, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer da IBM Zurich Research Laboratory criaram o STM, o que permitiu aos cientistas ver e mover átomos individuais pela primeira vez. Eles descobriram que, usando um campo eléctrico e uma nanosonda especial com uma ponta super pequena, poderiam deslocar átomos e moldá-los na forma desejada.
 

Diagrama de blocos de um Microscópio de Tunelamento por Varrimento (Wikipedia)

Em Setembro de 1985 foi descoberto um novo tipo de carbono (C₆₀) por três químicos inovadores que se reuniram na Universidade Rice, em Houston, Texas, para realizar um conjunto de experiências que mudaram a química e o mundo. A nova família de carbono foi chamada fulerenos. Os fulerenos, em forma de bola de futebol, com moléculas semelhantes a gaiolas caracterizadas pelo simétrico C₆₀, ocuparam logo o centro das atenções na química. Muito diferente das formas de carbono conhecidas como a grafite ou o diamante, o C₆₀ (composto por 60 átomos de carbono) foi oficialmente chamado Buckminster fulereno (também conhecido como buckyball). O buckyball foi assim chamado por causa da semelhança com as cúpulas geodésicas que o arquitecto Richard Buckminster Fuller popularizou. 

Buckminster fulereno (Wikipedia)

 
As ideias básicas neste campo foram popularizadas e exploradas em muito maior profundidade na década de 1980, quando K. Eric Drexler promoveu o significado tecnológico de fenómenos  e dispositivos à nanoescala através de discursos e dos livros Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology (1986) e Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation. 
 

K. Eric Drexler

Ele falou sobre a construção de máquinas à escala molecular, alguns nanómetros de largura, motores, braços robóticos e até mesmo computadores inteiros, muito menores do que uma célula. Drexler passou a maior parte de seu tempo desde então a descrever e analisar esses dispositivos incríveis, e a responder às acusações de ficção científica.

Destinado a um público não-técnico mas ao mesmo tempo atractivo para os cientistas, o livro de Drexler foi um trabalho muito original que descreve uma nova forma de tecnologia baseada em "montadores" moleculares que seriam capazes de "colocar átomos em quase qualquer arranjo razoável" e, assim, permitir a formação de "quase tudo o que as leis da natureza permitem." Isto pode soar como uma ideia fantasiosa e fantástica, mas, como Drexler salienta, isso é algo que a natureza já faz, sem a ajuda de concepção humana, com as máquinas de base biológica dentro dos nossos próprios corpos (e os de qualquer espécie biológica).
 
Outro dos momentos decisivos na nanotecnologia surgiu em 1989, quando Don Eigler usou um Microscópio de Tunelamento por Sondagem (Scanning Probe Microscope, SPM) no Almaden IBM Research Center, em San Jose, Califórnia, para soletrar as letras IBM a partir de 35 átomos de xénon e fotografou o seu sucesso. Pela primeira vez foi possível colocar átomos exactamente onde queríamos, mesmo se mantê-los lá muito acima do zero absoluto revelasse ser um problema. Embora útil em ajudar a nossa compreensão do mundo nano, arranjar os átomos um a um é provavelmente muito pouco útil em processos industriais.
 

Logótipo da IBM escrito com 35 átomos de xénon

 O primeiro (Atomic Force Microscope, AFM ou Scanning Force Microscope, SFM) disponível comercialmente  foi também introduzido em 1989 e é ainda hoje uma ferramenta muito poderosa para trabalhar em escala nanométrica.
 

Diagrama de blocos de um Microscópio de Força Atómica (Wikipedia)

Em 1991, os materiais em nanoescala tornaram-se o foco de intensa pesquisa com a descoberta dos nanotubos de carbono por Sumio Iijima nos Laboratórios de Pesquisa Fundamental da NEC em Tsukuba, no Japão.

Sumio Iijima

As eletromicrografias de alta resolução de Iijima de nanotubos de carbono de paredes múltiplas mostraram que as novas espécies de carbono com extremidades arredondadas eram primas dos fulerenos.   

Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas

Apesar de os nanotubos de carbono de paredes múltiplas estarem relacionadas com os fulerenos, eles não são molecularmente perfeitos. Essa realidade foi alterada com a descoberta, em 1993, dos nanotubos de carbono de parede única, simultaneamente por Iijima e Ichihashi Toshinari da NEC no Japão e Donald S. Bethune e outros no IBM Almaden Research Center in San Jose, California.

Nanotubos de Carbono de Parede Única

Desde então as descobertas na química dos fulerenos e dos nanotubos não têm parado…

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