Industria Aeronautica

studos Avançados

Print version ISSN 0103-4014

Estud. av. vol.8 no.20 São Paulo Jan./Apr. 1994

http://dx.doi.org/10.1590/S0103-40141994000100010

DOSSIÊ CIÊNCIA E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL

Os papéis da ciência dos materiais e da engenharia para uma sociedade sustentável

Sookap Hahn

Universidade de Stanford, Palo Alto, EUA

Nossa civilização entrou em uma nova era de materiais. Como está fartamente documentado em vários relatórios governamentais e acadêmicos, as sociedades avançadas em todo o mundo rapidamente adquirem habilidades sem precedentes no sentido de criar materiais projetados para satisfazer necessidades humanas. Em todo país, a qualidade de vida e segurança econômica e militar dependem cada vez mais da capacidade de sintetizar e processar materiais, de descobrir novos e de integrá-los em tecnologias de manufatura economicamente eficientes e ecologicamente seguras. Na verdade, sem os novos materiais e sua produção eficiente, não existiria o nosso mundo de equipamentos modernos, máquinas, computadores, automóveis, aeronaves, aparelhos de comunicação e produtos estruturais. Cientistas e engenheiros de materiais continuarão a estar na dianteira dessas e de outras áreas de ciência e engenharia a serviço da sociedade, à medida que conquistem novos níveis de entendimento e controle sobre os blocos básicos que compõem os materiais: átomos, moléculas, cristais e arranjos não-cristalinos.

Nesta apresentação, descreverei alguns requisitos da pesquisa e desenvolvimento de materiais para cinco áreas de interesse nacionais, cujo objetivo é atingir uma sociedade sustentável com alta qualidade de vida: informação/comunicação, transportes, energia, saúde e desenvolvimento.

Informação/comunicação

Avanços na eletrônica e na fotônica estão mudando a forma como vivemos e trabalhamos e a maneira como interagimos, seja entre nós, seja com ferramentas e máquinas ou com nosso meio-ambiente.

Os avanços dependem de ciência e engenharia de materiais, particularmente de síntese e processamento e sua relação com o desempenho. Os materiais mais críticos relacionados a processamento de informação e hardware de armazenagem são os materiais semicondutores usados para desempenhar as funções lógicas e de memória de alta velocidade e também os materiais magnéticos e ópticos utilizados para transmissão e comunicação de informação a longo prazo e baixo custo de armazenamento. Mas, acima de tudo, o campo está sofrendo um desvio: de produzir e vender chips semicondutores e outros componentes como produto final, passa a vender módulos funcionais. Tais módulos são usados em sistemas que têm impacto sobre toda nossa sociedade, economia e capacidade de defesa, tais como automóveis e aeroespaço, eletrônica para consumo e para defesa, automação de manufatura, sensoriamento e controle ambiental e a biblioteca do futuro. O desenvolvimento e a manufatura de módulos cada vez mais úteis coloca ênfase na contínua pesquisa voltada à miniaturização e nos obriga a considerar interconexões e tecnologias modulares juntamente com desempenho e projetos integrados dos equipamentos. Assim, avanços nas tecnologias de informação estão relacionados a avanços em materiais semicondutores, fotônicos, magnéticos, fibras ópticas, isolantes, supercondutores, condutores, barreiras térmicas e empacotamento e em sua integração, interação, manufatura e miniaturização.

A principal força de impacto social e penetração de mercado de circuitos integrados tem sido a contínua melhoria de projeto e processamento, permitindo que o número de dispositivos em um chip dobre a cada dois anos. Dobrar o número de dispositivos sem dobrar a área do chip requer tanto redução no tamanho dos dispositivos como da área ocupada pelas interconexões. No passado, a diminuição da escala da geometria mínima dos dispositivos pavimentou o caminho da densidade funcional. Extrapolando, antecipa-se que a geometria mínima de circuitos integrados chegará a 0,25 micrômetros a partir de meados e até o final da década de 90. Reduções maiores, usando os materiais hoje conhecidos, resultariam em degradação inaceitável a temperatura ambiente. A conclusão é que precisam ser desenvolvidos enfoques mais revolucionários em tecnologia de IC.

Maior miniaturização requer grande esforço de pesquisa de materiais para uso em dispositivos eletrônicos de circuito integrado, visando a superar os limites de escala, isto é, criando dispositivos pequenos e com elementos ativos e interconexões mais densos. Para isso, novos princípios físicos serão necessários, tanto em nível de projeto quanto de processamento. Além disso, deverão ser implementadas configurações alternativas e fenômenos de transporte desses dispositivos.

Duas vias de pesquisa devem ser seguidas: as que retêm os materiais semicondutores, embora fazendo deles uso revolucionário; e enfoques não-semicondutores, tais como fotônica e supercondutividade, O primeiro enfoque usa a experiência acumulada em manufatura e vai provavelmente migrar para processamento a baixas temperaturas, nos quais transições químicas são controladas em nível atômico e onde heteroestruturas e novos fenômenos físicos podem ser invocados para superar as limitações de escala das estruturas atuais. No final, a superação das limitações de escala e o aumento de funcionalidade irão exigir uma extensão da tecnologia, da presente, em duas dimensões, para três dimensões. O desenvolvimento de arquiteturas de microchip em 3-D apresenta enormes desafios e exigirá novas tecnologias de materiais, processos de manufatura mais sofisticados, novas estratégias para crescimento de materiais, novas arquiteturas para as interconexões e novos enfoques quanto ao gerenciamento térmico. Além disso, conforme aumenta a funcionalidade do chip, aumentam também substancialmente as demandas sobre o empacotamento do sistema e suas interconexões. O empacotamento convencional e a tecnologia de interconexão estão no limite. Para satisfazer à demanda por densidades mais elevadas nos chips, serão necessárias novas tecnologias de empacotamento