Universidade Federal de Santa Maria
Ci. e nat., Santa Maria, V. 42, Special Edition, e25, 2020
DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X40594
Received: 10/10/2019 Accepted: 10/10/2019
Special Edition
Uma Síntese da Nanotecnologia Aplicada à Eletrônica
A Synthesis of Applied Nanotechnology to Electronics
Ingridi dos Santos KremerI
Eloisa da RosaII
Silvana MaldanerIII
Glauber R. QuadrosIV
Lucinéia FabrisV
Lucas T. CardosoVI
Jocenir BoitaVII
I Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - ingridikremer@hotmail.com
II Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - eloisa.darosa19@gmail.com
III Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - silvana.maldaner@ufsm.br
IV Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - glauber.quadros@ufsm.br
V Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - lucineia.fabris@ufsm.br
VI Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - ltcfisica@yahoo.com.br
VII Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano) - Universidade Federal de Santa Maria - Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - Jocenir.boita@ufsm.br
Resumo
A nanotecnologia é o controle da matéria em pequena escala como atômica e molecular. Ela atua no desenvolvimento de materiais e componentes para diversas áreas do conhecimento tais como a eletrônica, catálise, medicina entre outras áreas. Sendo uma das mais beneficiadas a eletrônica. A aplicação da nanotecnologia dentro da eletrônica trouxe novos conceitos à área permitindo minimizar os dispositivos eletrônicos, utilização de semicondutores, condutores, diodos, transistores e demais componentes construídos em escalas reduzidas, pode se observar que são apresentados cada vez menores e mais leves, e mais eficientes. Essa tecnologia está cada vez sendo mais aprimorada, pois todos os testes mostram que materiais assim convertidos para nanoescala tem mais eficiência em seu desempenho.
Palavras-chave: Nanoestruturas; Propriedades elétricas; Nanotecnologia
Abstract
Nanotechnology is the control of small-scale matter as atomic and molecular. She works in the development of materials and components for various areas of knowledge such as electronics, catalysis, medicine and other areas. Being one of the most benefited electronics. The application of nanotechnology in electronics has brought new concepts to the area allowing to minimize electronic devices, use of semiconductors, conductors, diodes, transistors and other components built in small scales, it can be observed that they are presented smaller and lighter, and more efficient. This technology is increasingly being improved, as all tests show that materials thus converted to nanoscale are more efficient in their performance.
Keywords: Nanostructures; Electrical properties; Nanotechnology
1 Introdução
Nanotecnologia corresponde à manipulação da matéria a nível atômico, trabalhando com escala reduzida, aplicada em átomos e moléculas. Sua unidade de medida é o nanômetro, que equivale à milionésima parte de um metro, isso é 10-9 m. A nanotecnologia é uma área promissora que vem trazendo inúmeras soluções tecnológicas para a sociedade, estando no começo, mostrando, contudo, resultados surpreendentes no desenvolvimento de materiais e componentes para diversas áreas de pesquisa como a eletrônica, mecânica, óptica, catálise, medicina, armazenamento de informações, além disso, terá um grande impacto na economia, sociedade e meio ambiente(Ferreira & Rangel, 2009; Silva, 2008; Scheeren et al., 2003).
Este campo de conhecimento busca inovar invenções, aprimorando-as e construindo novas estruturas e novos materiais. Um dos propósitos é elaborar estruturas estáveis e melhores do que se estivesse em seu tamanho normal, isso porque os elementos se comportam de maneira diferente em nanoescala (Lamber et al., 1995).
A nanotecnologia tem várias vantagens, o uso dela pode resolver vários problemas da atualidade, um deles seria a possível falta de água que está cada vez mais próxima de nossa realidade. Atualmente cerca de 60 % de nossa água é utilizada na agricultura, para produção e irrigação agrícola, que poderia ser estudado, por exemplo, novos produtos através da manipulação da matéria, realidade esta que poderia ser alterada. Outro fator de aplicação seria na medicina, como na cura de doenças através da elaboração de nanorobôs que possam combater doenças em, viajando através de células sanguíneas, podendo reparar/curar inúmeras enfermidades(LaMer & Dinegar, 1950).
No setor elétrico poderíamos elaborar dispositivos mais baratos e eficientes na produção de energia elétrica, pois cerca de 800 milhões de pessoas ainda não tem eletricidade em suas residências isso equivale a mais ou menos 10 % da população mundial. Através da nanotecnologia poderiam ser criados dispositivos economicamente viáveis resistentes, eficientes que consiga gerar energia elétrica e aparelhos para armazenar a energia solar, isso permitiria o uso de energia solar como fonte primária e abundante de energia.
Os dispositivos de comunicação são necessários em nosso cotidiano nos dias de hoje, porém, muitas pessoas ainda estão longe desse tipo de tecnologia. Por meio da evolução da nanotecnologia, estes e outros dispositivos de comunicação acabam por fazer parte do cotidiano de uma parcela ainda maior da sociedade, contando com uma vida útil além dos dispositivos atuais existentes no mercado.
Na área que tange a confecção de nanopartículas (NPs), pouco se sabe a respeito da nanopoluição que as envolve. As nanopartículas podem flutuar no ar facilmente, os nanopoluentes podem entrar nas células de animais, plantas assim como os seres humanos, podendo causar até mesmo danos na cadeia alimentar, caso não seja tomado os devidos cuidados em relação a sua manipulação(Boita et al., 2017; Yu et al., 2018).
O uso de técnicas de caracterização permite um olhar aprofundado da matéria, podendo ser explorado suas potencialidades para aplicações tecnológicas. Técnicas de caracterização de curto alcance e de longo alcance, tais como Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS), com uso de luz síncrotron, Espectroscopia de Fotoelétrons Induzidos por Raios X (XPS), podendo ser convencional ou com uso de síncrotron, Difração de Raios X (XRD), Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e de alta resolução (HRTEM), Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), e Espectroscopia de Absorção no Ultravioleta e Visível (UV-Vis). Estas técnicas são muito poderosas para verificação aplicações em nanotecnologia, permite ter uma visão aprofundada da matéria, sua forma de comportamento, podendo ser modificada e posteriormente aplicada de forma mais consistente(Cezar et al., 2010; Adriaens et al., 2009).
Aplicações tecnológicas envolvendo nanotecnologia, já fazem parte da humanidade, em filtro solar, raquetes e bolas de tênis, nano-cola, capaz de unir qualquer material a outro, diversas aplicações na medicina como cateteres, válvulas cardíacas, marca-passo, implantes ortopédicos, produtos cosméticos, catálise, microprocessadores e equipamentos eletrônicos em geral.
Este trabalho busca mostrar uma pequena parcela do que existe em termos de aplicações tecnológicas envolvendo nanotecnologia, voltadas a nanoeletrônica.
1.1 Nanoeletrônica
A nanoeletrônica é uma das principais tecnologias da nanotecnologia que desempenha um papel extremamente importante no campo das engenharias e eletrônica. A nanoeletrônica representa a promessa da construção de nano máquinas que podem vir a facilitar o dia-a-dia da humanidade no futuro(Tan & Jalil, 2012). Nos dias atuais, já desfrutamos de muitas tecnologias da nanoeletrônica, que estão aplicadas nos televisores com telas LCD, OLED, COLEDs, E-Waste, que seria a reciclagem do lixo eletrônico, Leses Blu-Ray, Smartphones, entre outras tecnologias já fazem parte da série da aplicações da nanoeletrônica. A nanoeletrônica permitirá o desenvolvimento de produtos cujo componente flexível mecanicamente oferecerá solução de menor peso e maior biocompatibilidade por estar próximo ao corpo. Nesse contexto, uma das possíveis aplicações é direcionada para circuitos integrados; os circuitos integrados tem um grande papel na nanoeletrônica que incorpora miniaturas de diversos componentes principalmente transistores, diodos, resistores e capacitores, “gravados” em uma pequena lâmina (Chip) de material semicondutor (como silício e germânio). Os circuitos integrados são usados em quase todos os equipamentos eletrônicos já existentes hoje, e vem revolucionando o mundo da eletrônica devido ao fato de apresentarem alto desempenho e baixo custo (Gopinath et al., 2019).
2 Aplicações de nanoeletrônica
2.1 Nanotubos de Carbono
Os Nanotubos de carbono (NC) correspondem a materiais formados por átomos de carbono, conhecido como grafeno. Nanotubos de carbono obteve seu início, através de Iijima, em 1991, de forma indireta, em pesquisas relacionadas à fulerenos. Através de HRTEM, foi comprovada a formação de nanotubos em escala nanométrica com domínio de apenas átomos de carbono.
A partir deste momento, inúmeras aplicações têm sido desenvolvidas em todo o globo, em função das suas propriedades únicas, como a de dureza, resistência e condução elétrica.
Na figura 1, uma representação da estrutura de um nanotubo de carbono é mostrada. Se compararmos os nanotubos de carbono com o aço, apresentam resistência 200 vezes maior e uma elasticidade cinco vezes maior, capaz de operar sob temperatura três vezes mais elevadas do que os metais tradicionais (Takakura et al., 2019).
Figura 1 – Representação de um nanotubo de carbono (adaptado)(Takakura et al., 2019).
A comparação com metais do tipo cobre, a condutividade elétrica é cinco vezes maior e tem mil vezes mais capacidade de conduzir corrente elétrica. Na figura 2, é mostrado um fio de nanotubos de carbono enrolado em um anel para testes de estiramento, o qual pode ser usado para condução de eletricidade.
Figura 2 – (a) Fotografia de um fio Epon 828 / NC (66 voltas) envolto em anel Al. Imagens de NC relacionadas do CCOAR foram reconstruídas paralelamente a (b e c) a direção do enrolamento do NC e (d) corte transversal da direção do arco. (c) é uma seção ampliada de (b). As resoluções espaciais são 20,7 μm em (b) e (c) e 5,3 μm em (d), respectivamente(Kim et al., 2016) (figura adaptada)
Devido a todas essas propriedades, os nanotubos de carbono são aplicáveis em diversas áreas. Uma delas são as indústrias de eletrônicos, onde se utiliza nanotubos de carbono quando desejam aumentar performance, diminuir peso e ter melhor distribuição de temperatura(Kim et al., 2016).
2.1.1 Chips eletrônicos
Na era da nanotecnologia, muito tem sido aplicado em diversas áreas de conhecimento, e na eletrônica não poderia ser diferente. A investigação de novos compostos vem crescendo a cada dia, melhorando materiais e métodos com o intuito de obter resultados cada vez melhor. A síntese de coloides contendo polímeros é uma aplicação que já é realidade em várias áreas da ciência. Isso ocorre muitas vezes em função da possibilidade de encapsulamento do metal envolvido, seja ele metal ou óxido. No caso de dispositivos eletrônicos, acabam por adquirir propriedades específicas, tornando-se semicondutores. Este fenômeno ocorre em função do tamanho da partícula e seu envolto, coberto por materiais poliméricos tais como, Polivinilpirrolidona, CTAB, Hidrazina, etc. A aplicação em escala industrial ainda não ocorre como na escala micrométrica, oque será uma questão de tempo para a ciência.
2.1.2 Nokia Morph
O Nokia Morph é um celular que vem sendo projetado pela Nokia, um telefone com muitos conceitos de nanotecnologia. O Nokia Morph teria seus circuitos eletrônicos e estrutura inteiramente feitos em escala nano para permitir que tenha esses conceitos telas semitransparentes maleáveis e superfícies autolimpantes, podendo assumir várias formas diferentes, variando também suas funcionalidades. Estendido em forma de “barra”, ele se comportaria como um telefone comum, mas basta dobrá-lo com as mãos para transformá-lo em uma pulseira(P. Rajesh, 2013; Li et al., 2014).
Figura 4 - Celular Nokia Morph (imagem ilustrativa)(P. Rajesh, 2013; Li et al., 2014)
2.1.3 Nanorobô de DNA que combate o câncer
Nessa era onde a nanotecnologia esta presente em tudo, felizmente podemos contar com ajuda em escala nanométrica. Na área da saúde, onde cada dia surge novas doenças, a nanotecnologia também está presente, pois contribui com uma gama enorme de possibilidades, desde medicamentos liberados no local (célula específica doente) onde deveria ser, sem antes ser absorvido pelo organismo, conhecido como nanorobô de DNA. Ele possibilita uma luta mais justa contra o câncer, graças ao reconhecimento dos sinais eletromagnéticos emitidos pelas células e captados pelos nanorobôs (Delivery Via DNA Nanobots, 2012).
Figura 5 – Funcionamento do nanorobô que combate o câncer (Delivery Via DNA Nanobots, 2012) (figura ilustrativa)
2.1.4 Lab-on-a-chip
O Lab-on-a-chip (LOC) é um dispositivo que pode integrar as funções de laboratório miniaturizados em um único chip microprocessador, usando extremamente pequenos volumes de líquidos na ordem de nanolitros. O LOC é capaz de analisar DNA, RNA, proteínas, células e pequenas moléculas. Ele trará muitos benefícios, pois ao invés do paciente ter que ir a um laboratório coletar a amostra e enviar para análise e depois receber o diagnóstico, o médico ou até mesmo o paciente pode fazer tudo na hora, e o melhor de tudo é que o diagnóstico sai na hora e assim possibilita que o tratamento já comece de imediato (Ha et al., 2016).
Figura 6 – LOC, Laboratório em miniatura(Ha et al., 2016) (imagem ilustrativa)
2.1.5 A nanotecnologia nos processadores
A nanotecnologia está muito presente em computadores, e os processadores tem capacidade de alto processamento. Os Componentes internos dos processadores são fabricados em escalas nanométricas. Internamente, os processadores são compostos de milhões ou até mesmo bilhões de transistores, Os cientistas descobriram que quanto menor o intervalo de ligação entre partículas, melhor seriam as conexões, portanto mais rápida seria a transmissão de informações e com isso nossas máquinas seriam mais rápidas e eficientes. Hoje em dias as placas de vídeo dos computadores estão vindas com uma tecnologia nanométrica, pois a nanotecnologia tem um desempenho mais eficiente do que os componentes em sua escala normal.
Figura 7– Nanotecnologia nos processadores, imagem ilustrativa.
3 Conclusões
O aprimoramento dos equipamentos que permitem a construção de estruturas em escala atômica se aperfeiçoa cada vez mais, o domínio dessa tecnologia por completo significará uma revolução em diversas áreas, como a eletrônica, mecânica, construção civil, medicina, entre outras áreas. Estudos estão voltados para sínteses de Nanoestruturas monometálicas a base de diversos metais, óxidos e polímeros e nanoestruturas bimetálicas, oferecendo uma ampla gama de aplicações em nanotecnologia.
A abordagem mostrada aqui neste trabalho possibilita e instiga a investigação/aplicação em diversas áreas do conhecimento, principalmente no que diz respeito à eletrônica, com uso de soluções coloidais com propriedades diversas, inclusive com propriedades fotovoltaicas.
Agradecimentos
Ao Laboratório de Síntese e Caracterização de Nanomateriais (LSCNano), ao CNPq pela bolsa PIBIC, FAPERGS e CAPES.
Referências
ADRIAENS, A., DOWSETT, M., JONES, G., LEYSSENS, K. & NIKITENKO, S. (2009). Journal of Analytical Atomic Spectrometry 24, 62-68.
BOITA, J., NICOLAO, L., ALVES, M. C. M. & MORAIS, J. (2017). New Journal of Chemistry 41, 14478-14485.
CEZAR, J. C., SOUZA-NETO, N. M., PIAMONTEZE, C., TAMURA, E., GARCIA, F., CARVALHO, E. J., NEUESCHWANDER, R. T., RAMOS, A. Y., TOLENTINO, H. C. N., CANEIRO, A., MASSA, N. E., MARTINEZ-LOPE, M. J., ALONSO, J. A. & ITIÉ, J.-P. (2010). Journal of Synchrotron Radiation 17, 93-102.
Delivery Via DNA Nanobots (2012). 90, 8.
FERREIRA, H. S. & RANGEL, M. d. C. (2009). Química Nova 32, 1860-1870.
GOPINATH, S. C. B., LAKSHMIPRIYA, T., MD ARSHAD, M. K., UDA, M. N. A. & AL-DOURI, Y. (2019). Nanobiosensors for Biomolecular Targeting, edited by S. C. B. Gopinath & T. Lakshmipriya, pp. 211-224. Elsevier.
HA, D., HONG, J., SHIN, H. & KIM, T. (2016). Lab on a Chip 16, 4296-4312.
KIM, J.-W., SAUTI, G., CANO, R. J., WINCHESKI, R. A., RATCLIFFE, J. G., CZABAJ, M., GARDNER, N. W. & SIOCHI, E. J. (2016). Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 84, 256-265.
LAMBER, R., WETJEN, S. & JAEGER, N. I. (1995). Physical Review B 51, 10968-10971.
LAMER, V. K. & DINEGAR, R. H. (1950). Journal of the American Chemical Society 72, 4847-4854.
LI, L., WU, Z., YUAN, S. & ZHANG, X.-B. (2014). Energy & Environmental Science 7, 2101-2122.
P. RAJESH, R. S., ABDUL MAJEED (2013). International Journal of Advanced Trends in Computer Science and Engineering 2, 3.
SCHEEREN, C. W., MACHADO, G., DUPONT, J., FICHTNER, P. F. P. & TEXEIRA, S. R. (2003). Inorganic Chemistry 42, 4738-4742.
SILVA, E. Z. d. (2008). Revista USP 78-87.
TAKAKURA, A., BEPPU, K., NISHIHARA, T., FUKUI, A., KOZEKI, T., NAMAZU, T., MIYAUCHI, Y. & ITAMI, K. (2019). Nature Communications 10, 3040.
TAN, S. G. & JALIL, M. B. A. (2012). Introduction to the Physics of Nanoelectronics, edited by S. G. Tan & M. B. A. Jalil, pp. 118-140. Woodhead Publishing.
YU, S., HONG NG, V. M., WANG, F., XIAO, Z., LI, C., KONG, L. B., QUE, W. & ZHOU, K. (2018). Journal of Materials Chemistry A 6, 9332-9367.