Nano

As palavras soavam como que saídas da boca de um visionário: "Não tenho receio de considerar como questão final se, por fim — no futuro distante — nós pudermos arranjar os átomos da maneira que quisermos (...). O que aconteceria se pudéssemos arranjar os átomos, um por um, do jeito que quiséssemos?" Na época em que o físico americano e aprendiz de profeta Richard Feynman (1918-1988) devaneou diante de uma platéia incrédula, o mundo não era lugar para pequenas idéias. Em dezembro de 1959, quando Feynman preferiu as visionárias palavras na palestra "Há muito lugar no fundo" para seus colegas da Sociedade Americana de Física, os computadores ainda eram geringonças que ocupavam metade das salas em que eram colocados. Feynman falava em mexer átomos num tempo em que ninguém sequer tinha visto um deles. Trinta anos depois, o sonho do físico ganhou forma na ciência do muito pequeno, a nanotecnologia, assim chamada porque seus objetos de estudo costumam ser medidos em nanômetros — 1 milhão de vezes menor que 1 milímetro.

O que aconteceria se pudéssemos mover átomos?, perguntava Feynman. Respondem os cientistas que os manipulam hoje: podem-se construir supercomputadores que caibam no bolso, gravar bibliotecas inteiras em superfícies de centímetros quadrados, colocar microssondas para fazer testes sangüíneos dentro do corpo humano. Tudo isso ainda é suposição, previsão, talvez sonho. "A preocupação fundamental não é a aplicação das descobertas na prática, mas a pesquisa pela pesquisa. Os resultados disso só se tornarão visíveis dentro de uma década", disse a SUPERINTERESSANTE o físico americano K. Eric Drexler, da Universidade Stanford, o papa da nanotecnologia. O mundo futuro imaginado por Drexler, em que se construirão aparelhos ou substâncias molécula por molécula, é ridicularizado por alguns de seus colegas cientistas — da mesma forma que a maioria dos físicos presentes à palestra de Feynman acreditava que ele estava simplesmente brincando.

Tentar prever o que é possível fazer ao nível dos átomos é tão difícil quanto entender a natureza lá embaixo. A nanotecnologia só existe hoje como prática porque, há quase sessenta anos, os cientistas que estudavam a matéria derrubaram sólidos conceitos da Física clássica e criaram a Física quântica, em que as partículas como os fótons e os elétrons não se comportam como no mundo de gente grande. O microscópio de varredura por efeito túnel (scanning tunnelling microscope, ou STM), a ferramenta fundamental para a entrada no pequeno mundo, é filho direto da Física quântica.

Lá, onde os átomos se contam às unidades, os elétrons sofrem de dupla personalidade — comportam-se ao mesmo tempo como partículas e como ondas (mais ou menos como se fossem ao mesmo tempo balas de um revólver e onda do mar). Isso é inadmissível para a Física clássica, mas perfeitamente aceitável para a Física quântica, mesmo que não se compreenda muito bem o porquê. A clássica imagem do átomo como um núcleo de prótons e nêutrons, em torno do qual os elétrons circulam em órbitas, também foi por água abaixo. O aspecto mais importante da Física quântica para os nanocientistas é a descoberta de que os elétrons às vezes andam por onde não deveriam.

Normalmente, os elétrons param de se mover quando não têm energia para transpor uma barreira à sua frente. No reino da Física quântica, no entanto, há determinadas circunstâncias em que os elétrons encontram uma barreira tão fina que há probabilidade de que eles simplesmente a ignorem e sigam em frente e o chamado efeito túnel. Seria apenas mais uma descoberta teórica se, em 1981, uma equipe do laboratório da IBM em Zurique, na Suíça, não tivesse transformado essa maluquice do elétron num aparelho de enxergar átomos — ele mesmo, o microscópio de efeito túnel. O invento valeu a Gerd Binnig e Heinrich Rohrer o Prêmio Nobel de Física, em 1986.

Esse microscópio nada mais é do que uma minúscula ponta feita de material condutor que percorre — ou varre — toda a superfície da amostra a ser analisada. A ponta e o substrato onde se deposita a amostra ficam ligadas por um circuito. Aplica-se uma tensão elétrica no circuito e abaixa - se a ponta do microscópio até quase encostar na amostra. É um "quase" imperceptível ao olho humano, pois a distancia entre a ponta e a amostra chega a alguns nanômetros. Pois os elétrons, que só deveriam passar da amostra para a ponta se as duas estivessem encostadas, simplesmente pulam pelo ar mesmo — tunelam — , fechando o circuito entre a ponta e a amostra, e criando uma corrente com uma voltagem infinitamente pequena.

É um grande salto para o elétron e um grande passo para a humanidade. Com o microscópio de efeito túnel, passou-se a enxergar os átomos, antes jamais vistos, e, melhor ainda, conseguiu-se manipulá-los.. E certo que dizer "enxergar" átomos chega a ser uma licença poética, pois o que se vê é uma imagem simulada da variação da corrente elétrica. O levantar e abaixar da ponta do microscópio é uma operação que exige precisão muito além do que qualquer mão humana ou mecânica possa alcançar. Esse trabalho é feito pelos cristais piezoelétricos, como o quartzo, que se expandem ou encolhem quando recebem tensão elétrica (sim, mexem-se apenas alguns nanômetros). Há três cristais: o do eixo z (que se move para cima e para baixo), o x (para a frente e para trás) e o y (para a esquerda e para a direita).

Quando a ponta do microscópio começa a varrer a amostra, movendo-se nos eixos x e y, o eixo z fica na mesma Porém, quando a ponta encontra uma pequena montanha pela frente, ou seja, um átomo mais alto que os outros, a voltagem da corrente elétrica aumenta, pois a distancia em relação à amostra diminui. No modo de operação mais comum, o de voltagem constante, o eixo z deve portanto receber um alteração de tensão, para que se contraia e suspenda a ponta do microscópio de modo a fazer a voltagem retornar ao valor prévio. A variação da tensão do cristal z resulta num gráfico, que é transformado em imagem — está pronta a fotografia dos átomos.

Obviamente, o microscópio de efeito túnel só funciona com amostras de materiais condutores ou semicondutores; do contrário, não haveria passagem de corrente elétrica. Materiais isolantes, como vidro ou células vivas, seriam invisíveis ao STM. Que o pequeno mundo não se perca por isso — o mesmo Gerd Binnig deu um jeitinho e inventou uma ponta