Aula 1 - Nanotecnologia - PUC-Rio

Introdução à
Nanotecnologia
Ele 1060
Aula 1
2010 - 01
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01
PUC-Rio
Introdução à
Nanotecnologia
Professores:
Ele 1060
• Marco Aurélio C. Pacheco
• Omar Paranaiba Vilela Neto
2010 - 01
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Nanotecnologia
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Pioneiro / Privilégio
• Pioneiro:
– O primeiro a realizar algo.
• Privilégio
– Bens a que só uma minoria tem acesso.
Vocês são:
Pioneiros e Privilegiados
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Contatos
• E-mail:
– [email protected]
– [email protected]
– Dúvidas, comentários e informações.
• Twitter: http://twitter.com/Nano_PUCRio
– Comentários, notícias, dicas, informações,
etc.
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Motivação
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Motivação
Tamanho é documento!
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Motivação
ENIAC – O primeiro computador
• 1946;
• 18 mil válvulas;
• 30 toneladas;
• 500 multiplicações / s;
• BUG.
“O mundo só terá mercado para 5 computadores” Thomas Watson
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Motivação
Transistor
Válvula
Primeiro Transistor
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Pentium IV
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Motivação
Computadores Atuais
Milhões de transistores
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Motivação
Sistemas Biológicos
Milhões de anos
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Motivação
O que é Nano?
Apenas uma dimensão !
"Nano" é um prefixo que vem do grego antigo e
significa "anão”
1 nanometro (nm) = 1 bilionésimo do metro, 10-9m
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Nanotecnologia >> O que é Nano?
Dimensão
O que é Nano?
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Dimensão
O que é Nano?
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Definição
O que é Nano?
• Nanociência: estudo dos fenômenos e da
manipulação dos materiais na escala atômica,
molecular e macromolecular, onde propriedades
são diferentes dos de grande escala.
Engenharia
• Nanotecnologia: projeto, caracterização, produção e
aplicação de estruturas, equipamentos e sistemas através do
controle da forma e do tamanho em escala nanométrica.
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Definição
Por que a Nanoescala é tão importante?
Efeitos Quânticos:
Organização Sistêmica:
Área de Superfície: Componentes na nanoescala possuem área de superfície
Síntese em nanoescala permite mudar propriedades
micro e macro dos materiais sem mudar composições químicas. Ex: nanotubos
Materiais podem ser organizados sistematicamente,
tais como entidades biológicas e materiais naturais: uma poderosa possibilidade
de combinação de biologia com ciência de materiais. Ex: pontos quânticos
muito maior com relação ao volume; ideal para uso em materiais compósitos,
sistemas reatores, medicamentos e armazenamento de energia. Ex: nanocatalizador
Alta Densidade: Sistemas macroscópicos construídos a partir de nanoestruturas
podem ter muito maior densidade espacial que aqueles construídos a partir de
microestruturas.
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Definição
O que podemos esperar?
• A Nanotecnologia é uma tecnologia disruptiva
– Provoca mudanças na indústria, eliminando empresas
que são incapazes de reinventar-se a tempo.
• A Nanotecnologia pode mudar a natureza de quase tudo
o que foi feito pelo ser humano até agora.
• Tem maior influência que a energia nuclear, os
polímeros, a microeletrônica e os computadores.
• O impacto social causado pela Nanotecnologia pode ser
tão forte (ou maior) quanto o da primeira revolução
industrial.
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Definição
"I want people who are very deep in their
discipline and can talk to each
other." Stan Williams, Director, Quantum
Science Research, Hewlett Packard
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Definição
AQUI ESTAMOS!!!!!
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Natureza
Nano não é novo
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Antigo
Nano não é novo
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Histórico
Onde tudo começou
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Onde Tudo Começou
Dezembro de 1959
Jantar
Huntington-Sheraton Hotel - Pasadena
Anfitrião
Jantar de fim de ano
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Onde Tudo Começou
O Convidado
Richard P. Feynman
(1918 - 1988)
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Onde Tudo Começou
A Palestra
“Há muito espaço lá embaixo”
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
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Onde Tudo Começou
A Palestra
“The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you
magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of
the pin is then equal to the area of all the pages of the
Encyclopaedia Brittanica. Therefore, all it is necessary to do
is to reduce in size all the writing in the Encyclopaedia by
25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye
is about 1/120 of an inch---that is roughly the diameter of one
of the little dots on the fine half-tone reproductions in the
Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times,
is still 80 angstroms in diameter---32 atoms across, in an
ordinary metal. In other words, one of those dots still would
contain in its area 1,000 atoms. So, each dot can easily be
adjusted in size as required by the photoengraving, and there
is no question that there is enough room on the head of a
pin to put all of the Encyclopaedia Brittanica”.
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Onde Tudo Começou
A Palestra
Feynman propôs o uso de um
equipamento de miniaturização
em seqüência
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Onde Tudo Começou
A Palestra
Linha de produção em
nanoescala!
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Onde Tudo Começou
Os desafios
1 – U$ 1.000,00
“Then I want to do something; but I can't do it at the
present moment, because I haven't prepared the
ground. It is my intention to offer a prize of
$1,000 to the first guy who can take the
information on the page of a book and put it on
an area 1/25,000 smaller in linear scale in such
manner that it can be read by an electron
microscope.”
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Onde Tudo Começou
Os desafios
2 – U$ 1.000,00
“And I want to offer another prize---if I can figure out
how to phrase it so that I don't get into a mess of
arguments about definitions---of another $1,000
to the first guy who makes an operating
electric motor---a rotating electric motor which
can be controlled from the outside and, not
counting the lead-in wires, is only 1/64 inch
cube.”
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Onde Tudo Começou
Os desafios
2 – U$ 1.000,00
William McLellam construiu o motor em 1960.
Motor elétrico comum miniaturizado
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Onde Tudo Começou
Os desafios
2 – U$ 1.000,00
William McLellam construiu o motor em 1960.
Motor elétrico comum miniaturizado
“Você poderia dizer que Feynman foi roubado. Ele
perdeu mil dólares e não ganhou uma nova
tecnologia.”
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Onde Tudo Começou
Os desafios
1 – U$ 1.000,00
Tom Newman, um estudante da Standford
University, escreveu a primeira página do livro “A
Tale of two cities” na escala 1/25000 em 1985.
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Onde Tudo Começou
Os desafios
1 – U$ 1.000,00
Tom Newman, um estudante da Standford
University, escreveu a primeira página do livro “A
Tale of two cities” na escala 1/25000 em 1985.
26 anos após a palestra de Feynman.
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Onde Tudo Começou
Arthur von Hippel
“
Teve idéias semelhante na
década de 30”
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O Sr. Nano Vai a Washington
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O Sr. Nano Vai a Washington
Realizado em 26 de junho de 1992
Depoimento do Dr. K. Eric Drexler sobre a Nanonotecnologia Molecular
perante o Comite do Senado para o Comércio, Ciência e Transporte,
Subcomitê para a Ciência, Tecnologia e Espaço.
K. Erik Drexler
Al Gore
Russell Senate Office Building
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O Sr. Nano Vai a Washington
Realizado em 26 de junho de 1992
Diálogo entre Drexler e Gore
Senador Gore: Quanto tempo é necessário para que esta coisa se realize?
Dr. Drexler: Geralmente respondo que não seria surpresa se em quinze anos
atingíssemos aplicações importantes, de larga escala.
2007
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O Sr. Nano Vai a Washington
Realizado em 26 de junho de 1992
Reação de Especialistas
Cobrimos fatos que realmente acontece - Times
Não acho que ele deva ser lavado a sério. É demasiadamente excêntrico – Calvin
Quate (Standford)
É mais ficção científica que ciência – Thomas J. Watson (IBM)
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O Sr. Nano Vai a Washington
Antigo Executive Office Building
Após o senado
Meses depois
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Pentagono
PUC-Rio
O Sr. Nano Vai a Washington
Qual o impacto de tudo isso?
Bill Clinton
NNI – U$497 Milhões em 2001
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O Sr. Nano Vai a Washington
Qual o impacto de tudo isso?
Bill Clinton
NNI – U$497 Milhões em 2001
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Erik Drexler em visita à PUC-Rio
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As Imaginações de Drexler
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As imaginações de Drexler
Novembro de 1979
Drexler leu uma reportagem sobre a
palestra de Feynman em 1959.
Edição especial sobre
nanociência. Campo
emergente chamado
“microtenologia”
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As imaginações de Drexler
Novembro de 1979
Drexler leu uma reportagem sobre a
palestra de Feynman em 1959.
Edição especial sobre
nanociência. Campo
emergente chamado
“microtenologia”
Era o pensamento de Drexler
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As imaginações de Drexler
Década de 70
O que pode ser feito se juntarmos grama,
ar, água e a luz do sol?
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As imaginações de Drexler
Década de 70
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As imaginações de Drexler
Década de 70
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As imaginações de Drexler
Década de 70
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As imaginações de Drexler
Drexler imaginou uma caixa-preta “faz
tudo”. Um montador universal.
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As imaginações de Drexler
Drexler imaginou uma caixa-preta “faz
tudo”. Um montador universal.
Qual seria o impacto de tal evento?
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Aplicações
Diversos produtos no mercado
Nenhum revolucionário ainda
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Aplicações
Aplicações de Nanomateriais
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Aplicações
Aplicações de Nanomateriais
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Aplicações
Aplicações de Nanomateriais
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Aplicações
Nanoeletrônica - Eletrônica Molecular
Ex: LED Orgânico (OLED)
Um OLED é um dispositivo fabricado posicionando uma série de filmes
finos orgânicos entre dois eletrodos. Quando aplicamos uma corrente
elétrica, temos a emissão de uma luz brilhante.
Aplicado em iluminação pública e equipamentos portáteis.
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Porque Engenharia em Nanotecnologia
• Engenharia é a disciplina e profissão de aplicar
conhecimento técnico e científico e utilizar leis naturais e
recursos físicos para conceber e implementar materiais,
estruturas, máquinas, instrumentos, sistemas e
processos que realizem de forma segura um objetivo
desejado e atinjam critérios especificados.
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Porque Engenharia em Nanotecnologia
• Engenharia em Nanotecnoligia é uma nova disciplina e
profissão que visa aplicar o conhecimento técnico e
científico para conceber e implementar materiais,
estruturas, máquinas, instrumentos, sistemas e
processos com novas propriedades e funcionalidade.
Isso é feito através da montagem, manipulação e
controle da forma e tamanho dos materiais em escala
atômica e molecular.
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Porque Engenharia em Nanotecnologia
• Engenharia em Nanotecnologia deve ser multidisciplinar:
simultaneamente esboçada a partir de, e em benefício de
áreas como a ciência de materiais e engenharia, física,
química, biologia, etc.
• Engenharia em Nanotecnologia deve oferecer educação
prática em áreas chave da nanotecnologia.
• Deve ser enfatizado o treinamento com modernas
técnicas de instrumentação usadas em pesquisa e
desenvolvimento dessas tecnologias emergentes.
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Engenharia em Nanotecnologia
• Sofisticados instrumentos necessários, devem
elaborados por físicos, engenheiros, biologistas, etc.
ser
• Barreiras
enormes.
são
sociológicas
no
âmbito
da
equipe
• Um programa multidisciplinar é essencial para reduzir
essas barreiras.
• Engenheiros e estudantes reduzirão significativamente
essas barreiras, a partir de uma base sólida em diferentes
ciências .
• Promove um rápido avanço na produção de ferramentas
para o desenvolvimento tecnológico.
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Engenharia
em Nanotecnologia
Nanotecnologia
é Engenharia
Gerar novas soluções
baseadas em manipulações
em escala atômica e
molecular.
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SENSORES DE ALTA EFICIÊNCIA
Sensores de infravermelho baseados em
nanoestruturas semicondutoras para
detecção de falhas e acompanhamento
de sistemas de engenharia.
Departamentos associados:
Física, DEE, CETUC
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CONSERVAÇÃO DE ALIMENTOS
Nanocompósitos com maior barreira à gás e
filtro ultra-violeta para embalagens de produtos
alimentícios.
Departamentos associados:
Física, DCMM
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TRATAMENTO D’ÁGUA
Utilização de catalisadores para
filtragem e tratamento d’água.
Departamentos associados:
Química, Física
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MONITORES DE OLED
Monitores com LEDs orgânicos capazes
de gerar uma maior luminescência com
menor consumo. Displays flexíveis.
Departamentos associados:
Física, CETUC, DEE
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CÉLULAS SOLARES
Nanoestruturas semicondutoras para elevar
a eficiência de células solares a índices
jamais atingidos.
Departamentos associados:
Física, CETUC, DEE
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Distribuição das Aulas
Apresentação
Conceitos
Ferramentas
Estruturas
Aplicações
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Distribuição das Aulas
Apresentação
Conceitos
Ferramentas
Estruturas
Aplicações
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Avaliação
• 2 provas conceituais
– Quiz
• 1 seminário
• Pequenos trabalhos
• Participação
– Experiências, demonstrações, visitas, etc.
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