Nanotecnologia de Materiais Cerâmicos

Universidade Federal de Pelotas

Disciplina: Ciência, Tecnologia e Sociedade

Profª Drª Sílvia Meirelles Leite

Curso: Engenharia de Materiais

Nome: Rogério A. Gouvêa

Integrantes do Grupo: Kayruza Passos Sanches, Rogério Almeida Gouvêa

Nanotecnologia de Materiais Cerâmicos

Resumo

        Nanotecnologia pode ser definida como o conjunto de técnicas que permitem produzir materiais e compostos na faixa de 1 nm a 100 nm, os materiais cerâmicos foram os que mais se desenvolveram com o advento da nanociência, que antes desempenhavam basicamente funções estruturais passaram a participar inclusive na produção de eletrônicos como os computadores. A produção de materiais nanoestruturados teve seus conceitos iniciais a partir dos anos 50 mas somente nos início do século XXI ficou popularizada. O seu desenvolvimento dependeu basicamente do corpo teórico da mecânica quântica e do avanço das técnicas de microscopia e hoje em dia é um dos temas de pesquisa mais financiados pelas agências federais e privadas.

Palavras-chave: nanotecnologia, nanociência, cerâmica, nanopartículas

Justificativa e Contexto

        Nos dias de hoje,  a tecnologia prática desenvolvida em centros de engenharia se torna parte de nosso cotidiano em espaços de tempo cada vez menores entre o laboratório e a aplicação na industrial. Grande número dos projetos de pesquisa que o governo federal vem financiando tem como palavra-chave o termo nanotecnologia ou relacionados. O governo dos EUA admite que aproximadamente 40% ou mais de sua produção tecnológica envolve os conceitos de mecânica quântica e conhecimento de nanociência [1]. Desta maneira o estudo de como essa tecnologia da nanoescala vem se desdobrado nas últimas décadas passa a merecer uma maior atenção da academia.  Os materiais cerâmicos por sua vez representam a classe de materiais que mais avançou com o advento da nanotecnologia e através dos materiais cerâmicos avançados possibilitou a produção de microchips, processadores, diodos e transistores, essenciais para o surgimento e popularização da informática e diversos outros setores da microeletrônica.

        Quanto a classificação como tecnologia, podemos atestar no livro História das Invenções de Trevor I. Williams [2] que a tecnologia é a aplicação de conhecimento para finalidades práticas geralmente aprimorando a eficácia em uma determinada tarefa. Dessa maneira, a nanotecnologia de materiais cerâmicos é uma tecnologia no sentido de que o conhecimento adquirido pela nanociência é utilizado na geração de produtos de uso no cotidiano, como por exemplo computadores, lâmpadas fluorescentes, LED's, semicondutores até abrasivos e pigmentos cerâmicos.

Histórico

        A história da nanotecnologia traça o desenvolvimento de conceitos e trabalho experimental agrupados numa vasta categoria. Embora nanotecnologia é um desenvolvimento relativamente recente na pesquisa científica, o desenvolvimento dos seus conceitos principais demorou um longo tempo para serem estabelecidos. A emergência da nanotecnologia nos anos 80 foi causada pela convergência de avanços experimentais como a invenção do microscópio eletrônico de tunelamento em 1981 e a descoberta de estruturas de fulereno em 1985. Mas a elucidação e difusão dos corpo conceitual da nanoteclogia começo somente em 1986 com a publicação do livro Engines of Creation (Ferramentas da criação). Nos inicio dos anos 2000 o campo passou a atrair a atenção do público e a gerar controvérsias, com debates sobre suas aplicações potenciais assim como a garantia dessas aplicações por parte da nanotecnologia molecular. Os governos também passaram a mobilizar e promover recursos para pesquisa em nanotecnologia. O início do século XXI também viu surgir as primeiras aplicações comerciais desse campo embora ainda singelas.[3]

        A base conceitual da nanotecnologia se deve principalmente aos cientistas: Richard Feynman, Norio Taniguchi, Eric Drexler.

        Em 1959, o físico e Nobel norte-americano Richard Feynman proferiu na reunião anual da American Physical Society, realizada no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), a palestra intitulada “There’s plenty of room at the bottom” (“Há mais espaços lá embaixo”). Feynman discutiu as possibilidades, vantagens e mudanças com a obtenção de materiais em nanoescala. Usou como exemplo, a possibilidade de condensar na cabeça de um alfinete, os 24 volumes da Enciclopédia Britânica, com isso sugeriu a realização de várias descobertas na obtenção de materiais em escala atômica e molecular. E também se referiu aos objetos e áreas científicas, que poderiam utilizar esse desenvolvimento da tecnologia em nanoescala, tais como computadores mais rápidos e avanços nas ciências biológicas.
O cientista Norio Taniguchi foi o primeiro a cunhar o termo nanotecnologia e definiu como a manipulação em escala atômica para a obtenção de materiais, numa conferência em 1974. Enquanto o escritor e cientista Eric Drexler, do Foresight Institute, se referiu à construção de máquinas em escala molecular, e ampliou o conceito de nanotecnologia no seu livro Engines of Creation.        

        Mas apesar da palavra nanotecnologia ser recente, esta área da ciência vem se desenvolvendo a séculos, como por exemplo, na utilização de impurezas em nanoescala para alterar a cor de cerâmicos como o vidro. Na Idade Média a indústria Romana já usava aditivos metálicos em escala nanométrica para produzir vidros de diversas cores, que surgiam basicamente pela resposta ao efeito do espalhamento de luz em nanopartículas. Atualmente, graças ao conhecimento científico, sabe-se que a causa da dependência de cor é decorrente da condutividade dos estados vibracionais dos elétrons de superfície. Como por exemplo, esferas de dióxido de silício (SiO2) com 120 nm de diâmetro, recobertas por uma camada nanométrica de ouro refletem diferentes cores, que são baseadas nas diferentes espessuras das camadas de ouro. Portanto, apesar de os Romanos utilizarem pós nanométricos para aplicações específicas, a tecnologia ainda não era compreendida pela ótica da ciência. [4]

        A nanotecnologia também se desenvolveu graças a contribuição de avanços experimentais como o desenvolvimento de microscópios capazes de enxergarem em escala atômica, o estudo de colóides e seus fenômenos de interface, e ganharam um 'boost' com a descoberta de nanoestruturas alotrópicas como os nanotubos de carbono e fulerenos (nanoesferas de carbono).

        O primeiro microscópio a enxergar o átomo e portanto as nanoestruturas foi o microscópio de varredura por tunelamento, desenvolvido em 1981 por Gerd Binning e  Heinrich Roher que trabalhavam na IBM. Em seguida foi também fabricado o primeiro microscópio de força atômica que também é capaz de detectar nanoestruturas. Entretanto o microscópio mais utilizado para analise de nanoestruturas atualmente e que fornece imagem mais rica em detalhes é o microscópio eletrônico de transmissão (MET) cujo desenvolvimento data do início do século XX mas que foi aprimorado o suficiente para resolução de aproximadamente 1nm nos anos 80 junto com os outros microscópios de alta resolução.