Nanotecnologia - Universidade Federal de Minas Gerais

Nanotecnologia
Marcos A. Pimenta
Departamento de Física
Universidade Federal de Minas Gerais
Formiga: 10.000.000 nm
Ácaro: 200.000 nm
Nano  anão
Fio de cabelo:
50.000 nm
Nano  1 bilionésimo
1 nm =
10-9
m
Glóbulo Vermelho
2.000 nm
Luz visível: 700-400 nm
1 ns = 10-9 s
DNA
2-12 nm
Átomos de Si
0,2 nm
1959 - Richard Feynman
Há muito espaço lá embaixo (Plenty of room at the bottom)
Richard Feynman olhando o micromotor construído por William
McLellan (esquerda) que venceu o desafio para construir o
primeiro motor menor que 1/64 de uma polegada. A fotografia do
motor em um microscópio óptico (direita).
•1981: Microscópio de varredura e primeira observação
de átomos individuais. (Binnig e Rohrer)
AFM, STM
Esquema Geral de um SPM:
A) Sonda
B) “Scanner”
C) Detetor da
Interação
Sonda-Amostra
D) Computador
E
C
A
E) Mecanismo de
Aproximação
F
B
D
F) Amostra
Microscópio Eletrônico
Nanomateriais
Alteração das propriedades dos materiais
com a diminuição de seu tamanho
(ópticas, elétricas, mecânicas, magnéticas,
térmicas, físico-químicas, etc.)
• Confinamento quântico
• Aumento da área específica
(Área/Volume)
Confinamento de eletrons
em pontos quânticos: a côr
depende do tamanho das
partículas semicondutoras
Aumento da área específica
Cubo com 1021 átomos (107 átomos por lado)
0.00006 % dos átomos estão na superfície
Cubo com 1.000 átomos (10 átomos em cada lado)
488 (quase metade) dos átomos estão na superfície
•Modificação das propriedades físicas (magnéticas, ópticas,
eletrônicas, mecânicas, térmicas).
• Aumento da interação do material com a vizinhança.
A cor das nanopartículas de ouro
Dispersão de partículas de
ouro de diferentes tamanhos
18 nm
250nm
Ressonância de plasmon
de superfície
Síntese e fabricação de nanomateriais
Métodos “de cima para baixo”
“Escultura” de nanoestruturas
a partir de um material
macroscópico (Litografias)
Métodos “de baixo para cima”
Pilares nanométricos de silício
Construção de nanoestruturas
a partir de átomos e moléculas
individuais. (auto-organização).
Átomos de germânio sobre silício
Suspensão coloidal de nanopartículas
em um líquido carreador
Tinta nanquim
Superparamagnetismo
Material composto de nanopartículas
ferromagnéticas (1-10 nm).
As flutuações na direção da magnetização fazem com que
a partícula nanométrica deixe de ser ferromagnética
O que é Nanotecnologia ?
Arte e técnica de manipular, processar,
fabricar dispositivos e sistemas
complexos em escala nanoscópica.
• Alteração da resposta quando se muda a vizinhança
• Capacidade de auto-organização e auto-construção
• Melhorar o desempenho e/ou propriedades de
materiais
• Redução de tamanho: aumento do grau de
integração, aumento de velocidade de
processamento e redução do consumo de energia
• Aumento da razão superfície/volume
Produtos de nanotecnologia (auto-denominados)
Fonte: Project of Emerging
Nanotechnologies, mantido pelo
Woodrow Wilson Center, que
consiste num inventário
voluntário de empresas
Área Multi-disciplinar
Física
Química
Teórico
Experimental
Reações químicas
Catálise
Nanomateriais
Engenharia
Biologia
Biotecnologia
Biosensores
INDÚSTRIA
Petroquímica
Eletroeletrônica
Plásticos e Têxtil
Energia
Eletrônica
Materiais
Química
Nanocompósitos: mistura de nanopartículas com
polímeros, cerâmicas, etc.
Alterações desejáveis das propriedades físicas e
químicas do material composto.
Restritor de curvatura (bend stiffener)
Produto com componente em poliuretano para controle de flexão de tubulações em plataformas offshore
Problema: Melhorar a resistência à tração, fluência e abrasão
Crescimento de 10 x no módulo de armazenamento a 60 oC em
nanocompósitos com NT alinhados
Glaura G. Silva (UFMG)
Aplicações – Dispositivos fotovoltaicos (GQM-UFPR 2002)
Camada ativa: 5% nanotubos +
C6H13
poli-3-hexyl-tiofeno
S
n
IPCE% (500 nm)
P3HT…………0,33
5%NT……..1.16
2,5
IPCE %
2,0
P3HT + 5% NT´s
P3HT + 5% NT´s "vazios"
P3HT
1,5
1,0
0,5
0,0
400
500
600
(nm)
700
800
Mistura com 5% NT
contendo Fe3O4
encapsulado:
rendimento de
fotocorrente 340%
maior que polímero
puro
C. Canestraro, M.C. Schnitzler, L. Roman, M.G.E. Luz, A.J.G. Zarbin, Appl. Surf. Sci. 252, 5575 (2006).
Nanocompósitos para aplicações em estocagem de energia e
permeação de gases: (G. G. Silva, DQ-UFMG)
DQ/UFMG
electrode
electrolyte
electrode
Esquema de supercapacitor sólido composto por
multicamadas poliméricas. Design miniaturizável.
Princípio de seletividade de gases
Permeando através de membrana densa
AFM
SEM
Poliuretana (PU)
SEM:
b)
0,020
Cronocoulometria
Charge / C
0,016
25°C
45°C
Capacitância
= 17 F/g e alta
estabilidade
0,012
0,008
0,004
0,000
0
200
400
600
800
1000
Time / s
Lavall et al., J. of Power Sources 177 (2008) 652
Seletividade
Imagens de eletrodo compósito de negro de fumo
e nanotubos de carbono dispersos em eletrólito
polimérico de poliéter. (Preparação por spray)
PU + 0,10 % NTC
Montagem de
medida de
permeação
de gases.
Aumento de seletividade
com baixo teor de NTC
Sales et al., J. of Membr. Sci 310 (2008) 129
Carbon nanotubes decorated with metal and metal oxide
nanoparticles for gas sensing applications
MWNT film deposited by Decoration of individual
MWNT by Ni particles in
AC dielectrophoresis
between metal electrodes electroless process
Set-up for gas sensing
experiments
Dr. S.A. Moshkalev,
CCS-UNICAMP
MWNT decorated by SnO2 particles (leftt) and EDS spectrum (right)
Lei de Moore
Transistor feito de nanotubos de carbono
Tans et al., Nature,
7 May 1998
Bionanotecnologia
Liberação controlada de fármacos
Riscos da Nanotecnologia
Just imagine the difficulties we would face confronting
a microscopic army of self-replicating nanotech robots
designed to invade and alter the human body!
NanoAction seeks to halt the commercialization of
nanotechnology until products containing nanoparticles
have been proven safe.
Impactos sobre o ser humano e o meio ambiente
Monografia de Distribuição Pública (2008)
Abordagens para um Trabalho Seguro
com Nanotubos de Carbono
Daniel Alves de Melo, DQ, UFPR
http://www.fisica.ufc.br/redenano
Centro de Tecnologia emNanotubos
CTNanotubos
26
Patentes concedidas
Nanotubos de carbono
Fonte BCC research – Jan 2010
CTNanotubos
27
MARKET RESEARCH REPORT: CARBON NANOTUBES:
TECHNOLOGIES AND GLOBAL MARKETS
CTNanotubos
29
Nanotecnologia
• Desenvolvimento de produtos que façam
uso das propriedades de materiais na escala
nanoscópica (elétricas, térmicas, magnéticas,
óticas, mecânicas, fisico-químicas, etc.)
• Aplicações nas áreas de energia, eletrônica,
novos materiais (automotivos, aeroespacial,
exploração de petróleo), alimentação,
agricultura, construção civil, medicina, etc.
Nanotecnologia nos seres vivos
Cloroplastos: conversão de luz e dióxido de carbono
em energia bioquímica
Just imagine the difficulties we would face confronting a
microscopic army of self-replicating nanotech robots
designed to invade and alter the human body!
NanoAction seeks to halt the commercialization of
nanotechnology until products containing nanoparticles
have been proven safe.
1. O papel fundamental do princípio da precaução na abordagem dos
riscos éticos, sociais e ambientais advindos do uso das nanotecnologias e
dos nanomateriais manufaturados em todo seu ciclo de vida;
2. A necessidade das empresas fornecerem para os trabalhadores
informação adequada sobre a presença dos nanomateriais manufaturados,
seus potenciais riscos e medidas de prevenção, antes da sua introdução
no processo produtivo;
3. A necessidade de rotulagem e Ficha de Informação de Segurança de
Produtos Químicos (FISPQ), com informação de que o produto
incorpora nanotecnologias e a presença de nanomateriais manufaturados,
a fim de informar os trabalhadores e os consumidores sobre os potenciais
riscos;
4. A consulta aos trabalhadores e Sindicatos para o desenvolvimento de
programas de saúde e segurança no trabalho abordando medidas
relacionadas aos nanomateriais manufaturados;
5. O desenvolvimento de elementos regulatórios mínimos que orientem a
gestão segura das nanotecnologias e dos nanomateriais manufaturados,
com participação dos trabalhadores e Sindicatos, das empresas, das
Nanotubos de Carbono
Sumio Iijima, Nature, 354, 56 (1991)
Folha de grafite enrolada na forma de um
cilindro com diâmetro médio de 1 nm.
Nanomateriais de Carbono
Propriedades
Aplicações
Mecânicas
Muito mais resistentes do
que aço e muitas vezes
Eletrônicas
e elétricas
mais leves.
Metálico ou
Semicondutor
Físico-Químicas
Compósitos altamente resistentes
Fibras de carbono
Alta área específica
Baterias, capacitores estocagem de
H2, células combustíveis
Nanocomponentes eletrônicos
(diodos, transistores) , sensores
Térmicas
Alta condutividade
térmica
Estruturais
Dissipação de calor em compósitos
Estrutura cilíndrica
perfeita
Emissor de elétrons e pontas de
microscopia de tunelamento
BIOCOMPÓSITOS PARA RECONSITUIÇÃO
ÓSSEA (DF-UFMG)
4% CNT
0% CNT
Matrizes biocompatíveis como
PVA, colágeno, entre outras
Uma patente já foi depositada –
Estudos in-vitro, in-vivo e citotoxidade em andamento
R. G. Lacerda, L.O. Ladeira (DF-UFMG)
Gravação magnética na escala nanométrica
scattering of majority electrons shown in film cross-section
Anti-Ferromagnetic
Pinning Layer
eMPINNED
.
e-
..
MFREE
Higher Resistance
Perpendicular State
Anti-Ferromagnetic
Pinning Layer
.
.
.
.e
e-
-
MPINNED Pinned Layer
Cu Spacer
MFREE
Free Layer
Lowest Resistance
Parallel State
Sense Current Direction
Active layer is 15-25 nm thick
Picture from Allan Shultz, Seagate Technology
Manipulando átomos: 18 átomos de Césio e 18 átomos
de Iodo agrupados por um microscópio de varredura.
Nanotecnologia natural
Cloroplastos: conversão de luz e dióxido de carbono em
energia bioquímica
Síntese de nanotubos de carbono (DF-UFMG )
Métodos do arco elétrico e CVD
A. Ferlauto (DF-UFMG)
Síntese de nanotubos isolados por CVD (UFMG – 2003)
A. Ferlauto (DF-UFMG)
O motor nanoscópico
Complexos F1-ATPase podem girar como motores elétricos
Alteração das propriedades
eletrônicas com o tamanho
Bismuto
•
•
Semimetal
A banda de condução
(electron L) superpõe com
a banda de valência
( buraco T) de 38 meV
Nanofio de Bismuto
Transição Semimetal-semicondutor
para diâmetro do fio de aprox. 50 nm
Semiconductor
Semimetal
Diminuindo o diâmetro dos fios
Transição metal-isolante em função do tamanho
Ferroluidos: suspensão coloidal de partículas
ferromagnéticas em um líquido carreador
Superparamagnetismo
Material composto de nanopartículas
ferromagnéticas (1-10 nm).
Mesmo em temperatures abaixo de TC,
a energia térmica é suficiente para
mudar a direção da magnetização do
nanocristal.
As flutuações na direção da magnetização fazem com que
a partícula de dimensões nanométricas deixe de ser
ferromagnética
Propriedades mecânicas de Nanotubos de Carbono
Cerâmicas resistentes: compósitos de
alumina com nanotubos de carbono
Aço
Nanotubo
E(GPa)
201-216
4000
T(GPa)
0.7-2.3
10-70
(g/cm3)
7.86
1.36
Mistura de nanotubos com fibras de tecidos
Emissores de elétrons para monitores
Imagens infravermelho de células de macrófagos após
incubação de nanotubos de carbono
Iluminação com lâmpada
Fluorescencia dos
nanotubos
Supercapacitor polímeros-nanotubos
Glaura G. Silva e colaboradores (DQ-UFMG)
Sensores de gases:
CO2 e acetona
Capacitor interdigital NTC
vácuo / acetona
8000
6000
Dispositivos fotovoltaicos
4000
2000
0
-2000
0
5000
1 10
4
1.5 10
4
Re Z
R. G. Lacerda, J.M. Figueiredo, L.O.
Ladeira, A. Ferlauto (DF-UFMG)
Aldo G. Zarbin e colaboradores (DQ-UFPR)
2 10
4
Litografias ópticas
Relações de proporção
A Terra é 100 milhões de vezes maior do que a bola.
A bola é 100 milhões de vezes maior do que a molécula.
8
10
8
10