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Uma Introdução à Nanotecnologia

Marco Aurélio C. Pacheco

Produção: Cristina SantiniAndré Vargas

Omar Paranaíba

ICA: Laboratório de Inteligência Computacional AplicadaDepartamento de Engenharia Elétrica

PUC-Rio

Sumário• Introdução

– Porque Nanotecnologia? – O Brasil e Nanotecnologia– Potencial– História – Termos e conceitos– Multidisciplinaridade

• Caminhos da Nanotecnologia– Materiais Inteligentes e

Nanosensores– Nanobots– Nanotubos– Nanoeletrônica

• Single Electron Transistors• Resonant Tunneling Diode• Pontos Quânticos• Eletrônica Molecular

– Computação Quântica • Computação Reversível• Algoritmos com Inspiração

Quântica• Autômatos Celulares com

Pontos Quânticos

• Nanotecnologia Computacional– Simuladores– Algoritmos Genéticos– Evolvable Hardware

• Aplicações de Nanotecnologia– Comerciais– Científicas– Empresas

• Impactos do Uso da Nanotecnologia – Social– Meio Ambiente– Segurança

• Cenário Atual e Futuro– Iniciativas mundiais– Perspectivas– Entidades, Engenharia, cursos, projetos,

governos, investimentos, metas, cenário internacional.

• Referências

Werner Heisenberg

É bastante provável que na história do pensamento humano os desenvolvimentos mais fecundos ocorram, não raro, naqueles

pontos para onde convergem duas linhas diversas de pensamento. Essas linhas talvez possuam raízes em segmentos

bastante distintos da cultura humana, em tempos diversos, em diferentes ambientes culturais ou em tradições religiosas distintas.

Dessa forma, se realmente chegam a um ponto de encontro - isto é, se chegam a se relacionar mutuamente de tal forma que se verifique uma

interação real -, podemos esperar novos e interessantes desenvolvimentos a partir dessa convergência.

Heisenberg foi um dos maiores físicos do século 20.

Conhecido como o fundador da mecânica quântica, a nova física do mundo atômico, e especialmente o princípio da incerteza na teoria quântica.

Eletrônica de Semicondutores e a Nanotecnologia

• 1947-2004; há 57 anos atrás surgia o transistor: micro estrutura em silício, precursora do avanço tecnológico e científico observado no século 21.

• A imagem microscópica do transistor causou tanta perplexidade como a imagem de estruturas nanométricas nos causam hoje.

• 57 anos para chegarmos próximos aos limites dessa tecnologia.

• Dominar a nanotecnologia deverá ser ++ rápido

• Benefícios serão em proporções infinitamente maiores do que os obtidos com transistor.

• Interesse público, pesquisa (Nature, Science), produtos e conferênciasem ascendência

Introdução

"Nano" é um prefixo que vem do grego antigo e significa "anão”

1 nanometro (nm) = 1 bilionésimo do metro, 10-9m

Objetivo da Nanotecnologia:

•Criar, caracterizar, produzir e aplicar estruturas, dispositivos e sistemas, controlando forma e tamanho na escala nanométrica.•Crescente capacidade da tecnologia moderna de ver e manipular átomos e moléculas.

Mas, por que ?

Introdução

Introdução

• Porque manipular átomos e moléculas ?

– Curiosidade científica– Dimensões físicas de dispositivos ULSI– Novos materiais– Novos dispositivos– Nova eletrônica– Produtos mais eficientes– Incontáveis aplicações– Benefícios esperados em:

• Desenvolvimento de remédios• Tratamento de água• Tecnologias de informação e telecomunicações• Materiais mais resistentes e leves

Introdução

Adesivo usando forças de vander Waals e com observação nanoscópia.

Nanoestrutura adesiva capaz de sustentar o peso de uma pessoa

– Novos paradigmas: • Efeitos quânticos passam a ser explorados• Efeitos gravitacionais perdem importância• Propriedades óticas (resposta a estímulo luminoso) podem ser

exploradas• Forças atômicas e moleculares (forças de Van der Waals)• Explora propriedades nanométricas para obter efeitos

macroscópicos. Exemplo:

– O que acontece quando se manipula a matéria nessadimensão ?

• Nanociência: estudo dos fenômenos e da manipulação dos materiais na escala atômica, molecular e macromolecular, onde propriedades são diferentes dos de grande escala.

• Nanotecnologia: projeto, caracterização, produção e aplicação de estruturas, equipamentos e sistemas através do controle da forma e do tamanho em escala nanométrica.

• Mecânica Quântica: Descreve as interações entre matéria e energia em pequena escala (estrutura do átomo e o movimento das partículas atômicas). Em contraste com a mecânica clássica a MQ:

– Estuda fenômenos como quantização, dualidade onda-partícula e o princípio da incerteza e

– a energia radiante que é transmitida na forma de unidades, os quanta(no singular, quantum); fótons no caso da luz.

Introdução >> Definição, termos e conceitos

História da Nanotecnologia: Fatos e acontecimentos relevantes

• Átomos e leis da natureza no mundo atômico foram “pacientemente” descobertos a partir de experimentos especialmente concebidos num processo que levou décadas e envolveu grandes cientistas.

• A nanotecnologia não é nova - os químicos por exemplo sintetizam polímeros (grandes cadeias de moléculas feitas de minúsculas unidades nanoescalares) há muitas décadas; nanopartículas ocorrem naturalmente no leite, combustão e cozimento.

• Só recentemente equipamentos sofisticados foram desenvolvidos para manipular matéria em escala nanométrica (STM em 1981 e AFM em 1986).

Introdução >> Cronologia

• 3.5 bilhões de anos atrás - as primeiras células vivas aparecem. Células possuem biomáquinas nanométricas que têm funções como manipulação de material genético e suprimento de energia.

• 400 A.C. Democritus utiliza a palavra átomo, que significa “indivisível" em grego antigo.


Diagrama de uma célulahumana

• 1905 Albert Einstein publica um artigo onde estima que o diâmetro de uma molécula de açúcar é de cerca de um nanômetro.

• 1931 foi desenvolvido o microscópio eletrônico.


• 1959 Richard Feynman profere a famosa palestra "There'sPlenty of Room at the Bottom", sobre as perspectivas da miniaturização: a enciclopédia Britânica poderia ser escrita na cabeça de um alfinete.


Trecho da Palestra de Feynman

“The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the Encyclopaedia Brittanica. Therefore, all it is necessary to

do is to reduce in size all the writing in the Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of an inch---that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in the Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000

times, is still 80 angstroms in diameter---32 atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000 atoms. So, each dot can

easily be adjusted in size as required by the photoengraving, and there is no question that there is

enough room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Brittanica”.

• 1968 Alfred Y. Cho and John Arthur do Laboratórios Bell e seus colegas desenvolvem uma técnica que permite depositar camadas atômicas em uma superfície: a epitaxia molecular – “molecular beam epitaxy (MBE)” – uma das ‘técnicas usadas na litografia: precisão em microescala.

• 1974 N. Taniguchi cria a palavra "nanotecnologia" significando máquinas com tolerância de menos de um mícron.


• 1981 G. Binnig e H. Rohrer criam o microscópio de tunelamento “ScanningTunneling Microscope" (STM), que pode mostrar a imagem de átomos individuais, e recebem o Prêmio Nobel de Física em 1986.

Elétron vence gap de energia e tunelada ponta fina à amostra (condutora), revelando informação estrutural e eletrônica a nível atômico.


• 1985 Robert F. Curl, Jr., Harold W. Kroto and Richard E. Smalleydescobrem os fulerenos (C60) conhecidos como "buckyballs", que medem um nanômetro de diâmetro e recebem o Prêmio Nobel de Química em 1996.


• 1986 K. Eric Drexler publica "Engines of Creation", um livro futuristico que populariza a nanotecnologia. http://www.foresight.org/EOC/index.html

• 1987 Jean-Marie Lehnpublica "Supramolecular Chemistry - Scope andPerspectives, Molecules -Supermolecules -Molecular Devices"


• 1989 Donald M. Eigler da IBM escreve as letras da companhia utilizando átomos de xenônio.

•1991 Sumio Iijima da NEC em Tsukuba, Japão, descobre os nanotubos de carbono.


• 1993 Warren Robinett da Universidade da Carolina do Norte e R. Stanley Williams da Universidade da California em Los Angeles criam um sistema de realidade virtual conectado a um microscópico de tunelamento que permite ao usuário ver e tocar átomos, chamado “The NanoManipulator”


• 1998 O grupo do pesquisador Cees Dekker da Universidade de Tecnologia Delft na Holanda cria um transistor a partir de um nanotubo de carbono.

• http://www.mb.tn.tudelft.nl/nanotubes.html

- transistor de uma molécula: nanotubo de carbono- opera a temperatura ambiente- 2 nanoeletrodos de metal (fonte e dreno) e substrato como porta


• 1999 James M. Tour da Universidade Rice e Mark A. Reed de Yaledemonstram que moléculas individuais podem funcionar comoswitches moleculares. http://www.jmtour.com/

• 2000 A administração Clinton anuncia a "Iniciativa Nacional da Nanotecnologia", que provê financiamento e maior visibilidade à área.

eletrodo

eletrodo


• 2000 Eigler e outros pesquisadores descobrem a miragem quântica. Ao posicionar um átomo magnético em um foco de uma elipse, cria-se uma miragem do mesmo átomo em outro foco, um possível meio de transmitir informação sem fios. http://www.almaden.ibm.com/almaden/media/image_mirage.html

• 2001 J. Fraser Stoddart apresenta palestra “The Nature of the MechanicalBond” no Nobel Centennial Symposia “Frontiers of Molecular Science“, como reconhecimento ao seu trabalho em nanotecnologia.


• 2004 Prof. Marco Aurélio Pacheco apresenta palestra sobre Nanotecnologia na Semana de Eletrônica da UFRJ.


Multidisciplinaridade

Biologia

Nanotecnologia

Química Física

Informática MedicinaEngenharias

"I want people who are very deep in theirdiscipline and can talk to eachother." Stan Williams, Director, Quantum Science Research, Hewlett Packard

Escopo da Nanotecnologia

• A nanociência busca entender efeitos e influências nas propriedades dos materiais.

• A nanotecnologia explora efeitos para criar estruturas, equipamentos e sistemas com novas propriedades e funcionalidades.

• Tamanho de interesse: de 100nm ao nível atômico, 0.2nm– Efeitos

• Área de superfície maior por unidade de massa– Maior reatividade química

• Efeitos quânticos– Novas propriedades óticas, elétricas e magnéticas

• Carbono 60 ou fulereno ou buckyball (1980’s): – moléculas esféricas com 1nm de diâmetro com 60 átomos arranjandos

em 20 hexagonos e 12 pentágonos, como uma bola de futebol.

Caminhos da Nanotecnologia


Nano

Moléculacarbono 60100 milhões de vezes menor

• Nanomateriais• Nanometrologia• Eletrônica, optoeletrônica e computação• Bionanotecnologia

• Novas aplicações são esperadas a curto prazo (5 anos), a médio prazo (5-15) e a longo prazo (>20 anos).

• Possivelmente, algumas aplicações potenciais nunca venham a ser alcançadas e outras, impensáveis atualmente, venham a ter maior impacto.


Desenvolvimentos atuais em nanotecnologia e possíveis aplicações futuras em 4 grandes categorias:

NanomateriaisO que são ?

– São materiais estruturados com ao menos 1 dimensão menor que 100nm – filmes finos; nanofios e nanotubos; pontos quânticos.

• Propriedades– Área de superfície relativa maior– Maior proporção dos átomos estão na superfície:

• 30 nm: 5% dos átomos na superfície• 10 nm: 20%• 3 nm: 50%

– Efeitos quânticos• Importância: a possibilidade de controlar a estrutura dos materiais em

escalas cada vez menores.– As propriedades dos materiais, desde tintas a chips de silício, são

determinadas pela sua estrutura nas escalas micro e nano.– Criar materiais com novas características, funções e aplicações.

• Tipos: Nanomateriais são classificados em 3 categorias: 1D, 2D e 3D


Nanomateriais 1D• Filmes-finos, camadas e superfícies

– Superfícies projetadas para apresentarem características específicas:

• grande área de superfície ou • reatividade a um certo elemento

– Utilizados em áreas como construção de equipamentos eletrônicos, química e engenharia

– Têm aplicações como células combustíveis e catalisadores www.ifm.liu.se/Applphys/ftir/sams.html

– Na indústria de CIs, dispositivos dependem de filmesfinos para operarem

– Superfícies podem ser criadas com base na auto-organização de moléculas

Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais

Nanomateriais 1D• Filmes-finos, camadas e superfícies

– Monolayers – camadas com espessura de um átomo ou molécula


Monocamadas auto-organizáveis- Self Assembled Monolayers (SAM)- substrato de ouro em silício- solução de etanol com o tiol desejado- rápida adsorção das moléculas (segs)- organização > 15hs

http://www.ifm.liu.se/Applphys/ftir/sams.html

Nanomateriais 2D• Apresentam novas propriedades elétricas e

mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados– Nanotubos de Carbono– Biopolímeros


http://www.weizmann.ac.il/materials/msg/, http://www.apnano.com/, http://nanotechweb.org/articles/news/3/8/2/1/MgO2REVISED


mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados– Nanotubos de Carbono– Biopolímeros– Nanotubos inorgânicos


Nanotubo de WS2 (Tungstenio e enxofre)- aplicações: lubrificantes sólidos


mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados– Nanotubos de Carbono– Biopolímeros– Nanotubos inorgânicos– Nanofios


Descoberta recente (2004)Controle sobre o crescimento dos nanofios:- Nanofio de nitrito de gálio em substrato de óxido de magnésioapresenta forma hexagonal


mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados– Nanotubos de Carbono– Biopolímeros– Nanotubos inorgânicos– Nanofios


Descoberta recente (2004)Controle sobre o crescimento dos nanofios:- Nanofio de nitrito de gálio em substrato de óxido de alumínio lítioapresenta forma triangular

Nanotubos• O que são ?

– Estrutura de carbono formada por uma ou múltiplas folhas de grafeno(folha de carbono), primeiramente observados em 1991 por Sumio Iijima.

• Dimensões: – Diâmetro: poucos nanômetros; – Comprimento: micrometros a centímetros

Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 2D

Nanotubos

• Tipos: Existem 3 tipos possíveis, de acordo com a maneira que a folha foi enrolada:

– Zigzag

– Poltrona

– Espiral


Nanotubos• Propriedades: dependem dos seguintes fatores:

– Número de camadas concêntricas;

– Maneira que é enrolado;

– Diâmetro.


Nanotubo atuando como fio numa estrutura de silício

Nanotubos• Propriedades importantes:

– Mecânicas:• Um dos materiais mais “duros” conhecidos (similar a diamantes);• Apresenta resistência mecânica altíssima;• Capaz de suportar peso;• Alta flexibilidade.

– Elétricas:• Transportam bem a corrente elétrica;• Podem atuar com característica metálica, semicondutora ou até

supercondutora.– Térmicas:

• Apresenta altíssima condutividade térmica na direção do eixo do tubo.


Nanotubos• Duas maneiras de preparação de nanotubos:

– Método da Descarga de Arco:• Descargas elétricas são produzidas entre 2 eletrodos de

grafite, promovendo a vaporização; condensação produz os nanotubos.

– Chemical Vapour Deposition:• Um substrato contendo partículas metálicas (Fe, Ni, Co) é

introduzido em um forno sob atmosfera inerte ou redutora;• Introduz-se hidrocarbonetos insaturados (acetileno, benzeno),

que se decompõem;• As partículas dos metais atuam como núcleos de crescimento

dos nanotubos.


Nanotubos• Algumas Aplicações

– Fibras e películas (resistência e condutividade);– Antenas (ganho de recepção);– Sondas e implantes cerebrais para estudo e tratamento de

desordens e danos neurológicos (portáteis e longa vida útil);– Dispositivos emissores de raios-X;– Dispositivos eletrônicos (transistores, diodos, etc );


Nanotubo atuando num Transistor

Nanomateriais 3D• Nanopartículas• Fulerenos – C60• Dendrímeros:

– Formados por auto-organização hierárquica

– Moléculas aplicadas em drugdelivery, portando outras moléculas

– Limpeza de ambiente atravésdo aprisionamento de íonsmetálicos

• Pontos Quânticos


http://www.wag.caltech.edu/gallery/gallery_dendrimer.html#gallery

Ponto Quântico

• Poço de potencial energético capaz de confinar elétrons

• Quantização da energia nas 3 dimensões• Elétrons confinados tem níveis de energia

discretos, semelhante a átomo– Também chamado de “Átomo artificial”

• Dimensões dependem das condições de crescimento (4 - 20 nm)

• Aplicações– Detectores, diodos laser, etc– Computação Quântica – candidato promissor


Pontos QuânticosCaminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 3D

Micrografia de quantum dots em forma de pirâmide, de indio, galio e arsênio.Cada ponto mede cerca 20 nanos de largura e 8 de altura.

Autômatos Celulares com Pontos Quânticos

• Autômatos celulares são modelos robustos e bem estudados.

• Autômato celular são sistemas dinâmicos discretoscujo comportamento é totalmente especificado em termos de relações locais: “universo estilizado”.

• Espaço representado por um grid onde cada célula contém poucos bits de dados;

• Tempo é discreto e as leis do “universo” são expressas através de regras (uma tabela);

• A cada passo, cada célula computa o seu novo estado a partir dos seus vizinhos mais próximos.

• Assim, as regras são locais e uniformes.


Autômatos Celulares com Pontos Quânticos• Proposto por Lent et al (EUA, 1992)• Células possuem 5 pontos quânticos com 2 elétrons

– Pontos próximos o suficiente para permitir efeito túnel dos elétrons entre pontos quânticos (efeito quântico de transição de estados energéticos proibidos na Mec. Clássica)

– Barreiras entre células são suficientes para suprimir efeito túnel intercelular

– Elétrons (e- e-) ficam localizados em posições opostas

Os dois estados (P) estáveis de um ponto quântico

P= +1 P= -1



• Interação Coulombiana (repulsão) entre as células faz com que o estado de uma célula afete o de uma outra adjacente a ela.

• A curva de resposta de duas células é calculada pela equação de Schröndinger para duas partículas.

• A saturação não-linear causada por essa curva de resposta tem o mesmo papel do ganho na eletrônica digital


Curva de respostadas célulaspróximas P1 e P2 a zero graus Kelvin(-273,16 C)

• Curva de resposta se torna linear com aumento da temperatura

Autômatos Celulares com Pontos QuânticosCaminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 3D


• Ponto quântico é informação (elétron confinado).• A informação é quem trafega; não o elétron.• Permite construir dispositivos lógicos.• “Majority Logic Gate”: maioria das entradas define saída.

1111

1011

1101

0001

1110

0010

0100

0000

C SBA

Tabela Verdade


Força de repulsão do estadomajoritário define saída


• “Majority Logic Gate” é um elemento lógico fundamental

• Permite construir: AND OR

1111

1011

1101

0001

1110

0010

0100

0000

C SBA

Tabela Verdade


Fazendo:

A=0: B AND C

A=1: B OR C

Autômatos Celulares com Pontos Quânticos• Porta NOT


0 1

•Interação entre as células faz com que o estado de uma célula afete o de uma outra adjacente a ela, levando à inversão de estado.


• Modelos mais complexos podem ser construídos a partir da porta lógica fundamental

Full AdderS= A plus B plus Ci-1Ci



• Importante Conceito de propagação do estado: • aplicação de entrada, perturba estado do sistema

Circuito com Autômatos Celulares com Pontos

QuânticosLeitura estável na saída



• Conceito de propagação do estado: a aplicação de entrada, perturba estado do sistema


Quânticos


Quânticos é perturbadoAplicação de uma

nova entrada



• Conceito de propagação do estado: a aplicação de entrada, perturba estado do sistema


Quânticos


Quânticos

Circuito estabiliza


QuânticosNova leitura


Autômatos Celulares com Pontos Quânticos• Podem ser novo paradigma de arquitetura de

computadores?– AC paradigma lógico; AC com PQ paradigma físico

• Há dificuldades de operação em temperatura ambiente– Curva de resposta se torna linear com aumento da temperatura.– Solução: Computação molecular.

• Pontos quânticos moleculares• Menor dimensão -> Minimiza efeito térmico

• Aplicações de autômatos celulares em nanotecnologia– Simulações químicas e físicas

• Interações entre partículas são geralmente simples• Comportamento global porém é complexo• Autômatos celulares são semelhantes:

– regras simples fazem emergir um comportamento complexo.


• Aplicações atuais– Cosméticos e protetores solares

• Dióxido de Titânio, transparente e reflete UV

– Compostos utilizando nanopartículas e nanotubos

– Plásticos e cerâmicas• Carro: amortecedores, faróis, circuitos, tinta

– Ferramentas mais forte e afiadas


http://www.plastics-car.com/applications/exterior.html#bumpers, http://www.activglass.com/Pages/howframe.html

Aplicações de Nanomateriais

• Aplicações atuais– Superfícies

• Janela auto-limpante




1. Vidro recebe cobertura que é ativada pela luz UV2. Cobertura quebra as moléculas orgânicas e reduz a aderência da sujeira inorgânica3. As partículas de sujeira são carregadas pela chuva


• Aplicações atuais– Sensores

• Língua Eletrônica (http://www.embrapa.br/linhas_acao/temas/equip_soft/lingua.htm)


Sensor diferencia sem dificuldade os padrões básicos de paladar doce, salgado, azedo e amargo, em concentrações abaixo do limite de detecção do ser humano.


Aplicações de Nanomateriais• Aplicações Médio Prazo

– Células combustíveis– Displays– Baterias– Aditivos– Catalisadores– Tintas / Meio ambiente


• Tintas / Meio ambiente• ECOPAINT - Captura energia do sol para neutralizar poluição (gases

nitróxidos que causam problemas respiratórios e ativam o efeito estufa) http://www.newscientist.com/news/news.jsp?id=ns99994636


.

•Partículas de dióxido de titânio absorvem luz UV•Nitróxidos são convertidos em ácido nítrico•O ácido reage com carbonato de cálcio, liberando água e CO2


• Aplicações longo prazo– Compostos com nanotubos de carbono– Lubrificantes– Materiais magnéticos– Implantes médicos– Cerâmica nanocristalina– Purificação da água– Trajes militares



• Aplicações longo prazo– Materiais magnéticos

Nanoímãs contra o câncer e o HIV(http://www.unb.br/acs/bcopauta/nanotecnologia1.htm)

• Fluido Magnético Biocompatível (FMB) (partículas magnéticas de escala nanométrica) pode auxiliar na condução de drogas de combate a doenças como Aids e câncer.

• No caso do câncer, anticorpos para a célula cancerosa são associados às nanopartículas magnéticas.

• Injetados na corrente sangüínea, os anticorpos presentes no FMB grudam na célula atingida pelo tumor.

• Quando o paciente é exposto a um campo magnético externoalternado, a partícula presa à célula acompanha o movimento da força, vibrando.

• Ao vibrar, é criado um atrito que aumenta a temperatura celular, provocando uma citólise (morte da célula).



• Aplicações longo prazo– Trajes militares


http://web.mit.edu/isn/

• No campo de batalha do futuro, os soldados estarão usando uniformes - armaduras. • Acionando-se uma chave, o uniforme se transforma: de confortável e macio em armadura durável, leve e flexível.


Recebeu US$ 50 milhões para criar o uniforme de batalha do século 21

Nanometrologia• Definição: ciência responsável pela medição em

escala nanométrica– Medidas de comprimento ou tamanho; força, massa e

propriedades elétricas

• O avanço das técnicas de medição possibilita o desenvolvimento de novos materiais, processos industriais e produtos

Caminhos da Nanotecnologia >> Nanometrologia

Nanometrologia• Instrumentos

– que utilizam feixe de elétrons• TEM – Transmission electron microscopy• SEM - Scanning electron microscopy

– que utilizam “pontas de prova”• SPM - Scanning probe microscopy• STM - Scanning tunneling microscopy• AFM – atomic force microscopy

– que utilizam feixe de laser• Optical tweezers

Caminhos da Nanotecnologia >> Nanometrologia

Eletrônica, optoeletrônica e computaçãoCenário• Mercado atual de tecnologia (IT) – 1 trilhão de dolares

– Expectativa – 3 trilhões em 2020

• Número de transistores nos chips de computador– 1971

• Intel 4004: 2300 transistores / 0.8 milhões de ciclos por segundo– 2003

• Intel Xeon: 108 milhões de transistores / 3000 milhões de ciclos por segundo

• ITRS 2003 (International Technology Roadmap for Semiconductors)– Documento de consenso mundial faz previsões sobre a indústria

de semicondutores para os próximos 15 anos.


Eletrônica, optoeletrônica e computação• Aplicações atuais

– Chips de computadores• Miniaturização: em 1971 o Intel 4004 usava tecnologia de 10.000

nm (10 microns). Os chips de 2007 e 2013 deverão ser construídos com tecnologias de 65nm e 32nm respectivamente.

– Armazenamento de informação• Memória e armazenamento de dados

– Optoeletrônica


Eletrônica, optoeletrônica e computação• Aplicações futuras

– Aplicações que seguem as tendências atuais• Miniaturização• Optoeletrônica• Computação quântica e criptografia quântica• Computação Reversível• Sensores

– Aplicações que exploram tecnologias e materiais alternativos

• Eletrônica baseada em plásticos• Utilização de moléculas como elementos funcionais em circuitos• Sensores moleculares


Computação Reversível• Na computação convencional (irreversível) as

portas lógicas eliminam informação de entrada:• C= A OR B • A energia de uma das entradas é dissipada (calor).

• Princípio de Landauer– Qualquer manipulação lógica e irreversível de

informação aumenta a entropia do sistema, em conseqüência, aumenta a temperatura.

• Circuitos atuais apagam informação sempre que executam uma operação– Operações irreversíveis– Eliminação da informação é ineficiente: dissipa calor

Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras

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Computação Reversível

• Tendência atual:– Circuitos integrados com menor dimensão e mais

componentes;– Clock em freqüências mais altas;– Maior dissipação de calor por área;

• Energia custa dinheiro• Sistemas portáteis (laptops) têm baterias de pouca duração ($)• Superaquecimento de circuitos integrados

• Como resolver este problema ?– Lógica reversível– Informação de entrada não deve ser apagada; deve ser

armazenada– Portas devem ter número de saídas igual ao número

de entradas


Computação Reversível• Porta Fredkin (Controlled Swap)• Lógica: A troca com B, se C=‘1’• C não é eliminada

F

CAB

CA*

B*

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 1 01 0 11 1 1

C A B C A* B*


Computação Reversível• Porta Toffoli= inversor com controle duplo• A=A’ se C1=C2=‘1’

T

C1

C2

A

C1

C2

A’

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 11 1 0

C1 C2 A C1 C2 A’



• Portas Toffoli e Fredkin são universais– É possível criar portas AND, OR e NOT usando essas

outras duas portas;– Portanto, é possível criar computadores reversíveis

universais;



Layout de gate reversível em silício observado em um microscópio ótico



gate observado em um SEM (Scanning Electron Microscope)


Computação Reversível• Será que a Lei de Moore (crescimento exponencial no

número de transistores por circuito integrado) implica na necessidade do uso de computação reversível ?

• Computação reversível é mais complexa– O que fazer com os bits que “sobram” ?– Onde armazenar a informação ?

• MIT desenvolve uma linguagem reversível de alto nível (“R”).

• Indústria de laptops mostra interesse nesse tipo de sistema computacional.





• Eletrônica baseada em plásticos• Utilização de moléculas como elementos funcionais em circuitos• Sensores moleculares


Computação Quântica• Princípios da mecânica quântica• Dualidade onda-matéria

– Corpos com massa muito pequena (fótons, elétrons)• Mecânica clássica perde a validade• Efeitos quânticos:

– Entanglement (Emaranhamento),– Superposição de estados

• Dualidade onda-matéria: as vezes se comportam como onda, outras vezes, como partícula, conforme a observação.

• Heisenberg: “A função de onda representa parcialmente um fato e parcialmente nosso conhecimento sobre o fato.”

– Corpos com massa muito grande• Efeitos não são percebidos• Mecânica clássica oferece bons resultados


Computação Quântica• Superposição de Estados

– Corpos de massa pequena assumem múltiplos estados simultaneamente

– Observação = colapso da superposição– Redução a um único estado– Corpo tem probabilidade para assumir cada um dos estados– Exemplo: o gato de Schrödinger` (decaimento radioativo)


Detector dedecaimentoaciona martelo

Átomo de Nitrogênio-13(10mins)

Gás venenoso

O gato está meio vivo e meio morto.Observação colapsa estados para vivo ou morto.

Computação Quântica

• “Nenhum computador clássico pode simular sistemas quânticos sem incorrer em uma perda de performance exponencial” – Richard Feynman

• Exemplo: na simulação de superposição de estados tem-se:– Para 1 fóton -> 2 estados possíveis;– Para 2 fótons -> 4 estados possíveis;– Para 1000 fótons -> 21000

• Simulação torna-se inviável.


• Mas, se usarmos um computador que apresente os efeitos quânticos ?

• Computador apresenta Bits com superposição de estados:– O bit pode assumir o valor 0 e 1 ao mesmo tempo– Observar o bit colapsa o seu estado– Quantum bit : Q-bit– Superposição de estados pode ser representada por:

– - é a probabilidade do bit ser 0– - é a probabilidade do bit ser 1– A soma das probabilidades = 100%


10 βαψ +=

2α2β

122 =+ βα


Computação Quântica• Fatoração em números primos

– Complexidade exponencial em computadores clássicos– Complexidade polinomial em computadores quânticos– Algoritmo de Shor (1994) – fatoração de números primos

• Exemplo: número com 4096 bits– Milhões de anos em um computador clássico– Algumas horas em um computador quântico

– Shor estimulou a pesquisa na área de computação quântica

– Exemplo: criptografia empregada por sites de bancos(RSA128) pode ser burlada usando-se a fatoração dachave em números primos em computadores quânticos(ou 8 meses num grid de milhares de PCs)


Computação Quântica• Teleporte Quântico

– Emaranhamento: efeito quântico que associa o estado de uma partícula a outra através de um circuito quântico

– Seja um registrador quântico de 2 bits; se os bits estão emaranhados, a observação de um dos bits, define o estado do outro

– Propriedade de emaranhamento pode ser usada para teleportar o estado de um terceiro bit


( )11002

1+=ψ

Não é um teleporte realEsqueça “Jornada nas Estrelas”Não é possível trafegar informações acima da velocidade da luz


NMR: Nuclear Magnetic Ressonance que controla o spin dos elétrons

Primeiro computador quântico de 7 bits, IBM, 2001 (tubo ensaio com fulereno), executoualgoritmo de Shor





• Eletrônica baseada em plásticos• Utilização de moléculas como elementos funcionais em circuitos• Sensores moleculares• Nanoeletrônica


• Por quê? Para quê? – Lei de Moore: Moore observou um crescimento exponencial no número de

transistores por circuito integrado e previu a continuação desta tendência


Nanoeletrônica

• Por quê? Para quê? – a atual tecnologia CMOS baseada em silício deverá

conseguir atender as necessidades de miniaturização da eletrônica pelos próximos 10 ou 15 anos

– Nova tecnologia: nanoeletrônica• Demanda novo enfoque para materiais e arquitetura.• Deverá lidar eficazmente, e de forma economicamente viável,

com a integridade dos sinais e com os problemas de aquecimento criados por transistores construídos em tão alta densidade


Nanoeletrônica

SET: Transistor mono-elétron:• é o mais sensível equipamento de medida de carga elétrica

• Gate Voltage: aplicado entre o substrato de Silício (P+) e a ilha de alumínio -> mudança nos níveis de energia discretos da ilha de alumínio

• Tunelamento através das barreiras de potencial entre a fonte, a ilha e o dreno, possibilitando a passagem de corrente elétrica


Nanoeletrônica - Single Electron Transistor

http://www.glue.umd.edu/~bekane/QC/QC@UMD's_LPS_Single%20Electron%20Transistor.htm

• Single Electron Transistor– Elemento utilizado na construção de circuitos – Processam informação através da manipulação de um

único elétron– Potencial: tamanho reduzido e baixa dissipação – O próximo desafio é a fabricação em larga escala de

SETs confiáveis sobre silício, utilizando processos compatíveis com a tecnologia CMOS.

– A primeira aplicação para os SETs deverá ser em memórias de computador e em metrologia, viabilizando termômetros primários e eletrômetros super sensíveis.

– http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/010110040123.html


Nanoeletrônica

Nanoeletrônica• Abordagens da Eletrônica Molecular • Top-down

– Redução dos equipamentos CMOS até o limite de miniaturização, quando ocorre a corrente de tunelamento através do óxido entre a fonte e o dreno

• Bottom-up– Manipulação de uma ou um pequeno conjunto de

moléculas para implementar computação


Ex: transistor molecular


Nanoeletrônica - Eletrônica Molecular

Bionanotecnologia e Nanomedicina• As máquinas nanométricas mais completas e funcionais

que conhecemos são as máquinas moleculares que regulam e controlam os sistemas biológicos.

• Bionanotecnologia se refere às propriedades em escala molecular e às aplicações de nanoestruturas biológicas– Engenharia de tecidos– Motores moleculares– Biomoléculas para sensores– Drug delivery– Descoberta de novos medicamentos– Resolução de imagem celular e sub-celular, com resolução maior

que MRI (magnetic resonance imaging)


Bionanotecnologia e Nanomedicina• Aplicações atuais e futuras

– Lab-on-a-chip technologies– Eletrônica, computação e comunicações– Self-assembly– Drug delivery– Novos medicamentos– Imagem– Tratamento do câncer– Implantes e próteses


Bionanotecnologia e Nanomedicina– Lab-on-a-chip technologies: análises feitas em um chip


NASA researchers customize "lab-on-a-chip" technology to help protect future spaceexplorers and detect lifeforms on Marshttp://www.msfc.nasa.gov/news/news/photos/2004/photos04-156.html

Bionanotecnologia e Nanomedicina• Aplicações atuais e futuras

– Lab-on-a-chip technologies– Eletrônica, computação e comunicações– Self-assembly– Drug delivery– Novos medicamentos– Imagem– Tratamento do câncer– Implantes e próteses– Nanobots


Nanobots• Princípio introduzido por Eric Drexler• Robôs em nanoescala capazes de construir robôs

semelhantes• Auto-replicação• “Utility fog” – conjunto de nanorobôs capazes de

mudar sua forma macroscópica formando objetos de interesse: caneta, chave, etc

• Elemento mais ficcional da nanotecnologia• Perigos potenciais ?

– “Grey goo”: gosma cinzenta – auto-replicação descontrolada de nanobots com consumo de matéria prima.

Caminhos da Nanotecnologia >> Bionanotecnologia

Caminhos da Nanotecnologia >> Bionanotecnologia

Nanoengrenagens

Nanobots

Nanotecnologia Computacional• Nanotecnologia Computacional compreende as

seguintes linhas científicas de atuação:– Eletrônica Molecular– Computação Quântica– Autômatos Celulares de Pontos Quânticos– Suporte Computacional à Nanotecnologia:

• Simuladores, • Modelos, • Síntese de Estruturas e Dispositivos,• Inferência de Propriedades.

Nanotecnologia Computacional

Nanotecnologia Computacional• Computação Quântica – Pode ser uma solução para problemas com

complexidade exponencial devido a suas propriedades físicas. A idéia é investigar técnicas inteligentes inspiradas na computação quântica(e.g. Algoritmos Genéticos e Redes Neurais com Inspiração Quântica).

• Inferência de propriedades - Redes neurais e sistemas neuro-fuzzy podem inferir propriedades de componentes em escala nanométrica, a partir de dados experimentais, (moduladores, sensores, etc), permitindo prever características e desempenho antes de fabricá-los.

• Síntese e Otimização de estruturas e parâmetros - Síntese em escala nanométrica por meio de computação evolucionária e simulação. A evolução permite projetar (arquitetura e características), de forma rápida e eficiente, estruturas e dispositivos nanométricos que atendam a uma determinada especificação.


Simuladores• Simuladores em nanotecnologia cada vez mais disponíveis na Internet. • Fazem muitas aproximações, devido ao tratamento quântico

computacionalmente intensivo. • Físicos e químicos, que buscam maior precisão, rodam seus experimentos

em grandes grids de computadores. • Exemplos de simuladores

– TRANSIESTA, http://www.trasiesta.com; – NanoHub, http://www.nanohub.org; – GAMESS, http://www.gamess.com.

• Métodos da química computacional disponíveis permitem modelar diversos processadores e estruturas moleculares com acurácia suficiente para determinar o quão bem eles funcionam (medida de aptidão de cada projeto).

• Acoplando algoritmos da computação evolucionária a esses simuladores, pode-se, tão facilmente como já é feito com circuitos (Evolvable Hardware), sintetizar por evolução baseada na aptidão de soluções, dispositivos e sistemas, identificando novas estruturas e otimizando valores de parâmetros.


O Que é Evolvable Hardware?

Área que investiga a aplicação de Computação Evolucionária no projeto, otimização ou

síntese de sistemas:

• Circuitos eletrônicos;• Robôs;• Estruturas nas áreas de civil, mecânica, etc;• Nanoestruturas e nanodispositivos

“Evoluir ao invés de projetar”


Processo de Síntese Evolucionária

avaliação

Sistema Evolucionário

Simulador

componentes componentes

objetivos objetivos

estruturaestrutura

HardwareHardwareSintetizadoSintetizado


Algoritmos Algoritmos GenéticosGenéticos


Conceitos BásicosConceitos BásicosConceitos Básicos

Algoritmo de busca/otimizaçãobusca/otimizaçãoinspirado na seleção naturalseleção natural e reprodução genéticagenética.


Conceitos BásicosConceitos BásicosConceitos Básicos

Algoritmo de busca/otimizaçãoinspirado na seleção natural e reprodução genética.

Combina sobrevivência do mais aptosobrevivência do mais apto e cruzamentocruzamento aleatório de informação


• Indivíduo• Cromossoma• Reprodução Sexual• Mutação• População• Gerações• Meio Ambiente

• Solução• Representação• Operador Cruzamento• Operador Mutação• Conjunto de Soluções• Ciclos• Problema

Analogia com a NaturezaAnalogia com a NaturezaAnalogia com a Natureza

Evolução NaturalEvolução Natural AlgAlg. Genéticos. Genéticos


Cromossoma Palavra AptidãoA 100100 1296B 010010 324C 010110 484D 000001 1

f( )

Pais

ReproduçãoFilhos

Avaliaçãodos Filhos

Crossover

Mutação

Ciclo do Algoritmo GenéticoCiclo do Algoritmo Genético


Cromossoma Palavra AptidãoA 100100 1296B 010010 324C 010110 484D 000001 1

f( )

Pais

ReproduçãoFilhos

Avaliaçãodos Filhos

Ciclo do Algoritmo GenéticoCiclo do Algoritmo Genético

Evolução


Evolução dos Indivíduos

Melhor Indivíduo

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

1 7 13 19 25 31 37 43 49

Gerações

f(t)

Evolução Evolução


Impactos da Nanotecnologia• Pode a nanotecnologia ser usada para fins militares?• Quais os danos ambientais da nanotecnologia?• Impactos sócio-econômicos?• Nanobots irão destruir o mundo?

Impactos da Nanotecnologia

• Surge a preocupação sobre os impactos negativos causados pela nanotecnologia.

• Muito pouco se sabe sobre o dano que esses novos materiais podem causar.

• Ainda não há respostas precisas para todas essas questões.

Impactos à saúde• O fato de nanopartículas serem da mesma escala física

de componentes celulares, sugere que essas partículas podem iludir as defesas naturais e danificar as células.

Impactos da Nanotecnologia >> Saúde Humana

Vírus atacandouma célula

Rotas de exposição aos nanomateriaisImpactos da Nanotecnologia >> Saúde Humana

Impactos à Saúde• Estudos já realizados sobre outras partículas tóxicas

fornecem informações importantes:

– Minerais de Quartzo

– Asbestos ou Amiantos

– Partículas associadas à poluição do ar


Impactos à Saúde• Suposição: A inalação de nanopartículas, tais como

nanotubos, pode gerar danos aos pulmões.• Pesquisadores e técnicos devem trabalhar com todo

cuidado possível, até que estudos mais detalhadospossam identificar os reais danos dessas partículas.


Impactos à Saúde• O contato com a pele também pode trazer problemas.• Já existem protetores solar utilizando nanopartículas

(dióxido de titânio), sem recomendações sobre riscos.• Mais informações deverão ser obtidas no futuro próximo.


Impactos ao Meio Ambiente

• Há pouco estudo nessa área.

• Estudo apresentado pela American Chemical Society mostra que bucky balls (C60) (bolas de carbono-fulerenos) podem ser prejudiciais a animais aquáticos, causando danos no cérebro.

• Muito ainda deve ser feito para entender os impactos nos mares, rios, florestas e animais.

Impactos da Nanotecnologia >> Meio Ambiente e Outras Espécies

Impactos Sociais• O desenvolvimento de produtos com tecnologia

nano pode criar mudanças significativas nos planos social e econômico.

• Haverá criação de empregos em novas áreas, mas outros irão desaparecer.

• O avanço da nanotecnologia pode possibilitar que países em desenvolvimento entrem em compasso com países desenvolvidos, mas pode também aumentar as diferenças entres estes: “Nanodivide” ??

Impactos da Nanotecnologia >> Social e Ético

Impactos Sociais• Pode haver um aumento significativo e

incontrolável da aquisição de informações, podendo gerar problemas incalculáveis.

• O uso em equipamentos militares podem desenvolver muito o poderio militar de algumas nações.

• O uso das características maléficas da nanotecnologia (se comprovadas) poderia gerar uma onda de nanoterrorismos comparada ao bio-terrorismo e às armas químicas.

Impactos da Nanotecnologia >> Social e Ético

Leis

• Os governos devem criar leis para controlar e tornar seguro o desenvolvimento da nanotecnologia.

• Criar grupos de trabalho que possam pesquisar profundamente o impacto dos desenvolvimentos.

• Assegurar que apenas produtos seguros possam ser comercializados.

Impactos da Nanotecnologia >> Regularização

Nanotecnologia no Brasil

• Há produção científica significativa no Brasil;– manipulação de nano-objetos, nanoeletrônica, nanomagnetismo,

nanoquímica e nanobiotecnologia, incluindo os nanofármacos, a nanocatálise e as estruturas nanopoliméricas.

• Projetos executados por empresas, isoladamente, ou em cooperação com universidades ou institutos de pesquisa.

Cenário Atual e Futuro >> Brasil

Nanotecnologia no BrasilEm 2002:

Proposta do Relatório Tundisi: criação de um Instituto VirtualAção do CNPq: Quatro redes de nanotecnologiaEditais Ciência e Tecnologia na área de NanoAção do PADCT: 3 Institutos do Milênio em Nano (em um total de 15)Proposta de criação de um Centro de ReferênciaIndicadores: mais de 300 doutores, 1000 artigos publicados e vinte patentes em 2002.Rápido crescimento, pesquisas e projetos em empresas.Mobilização dos pesquisadores em torno da nanotecnologia


Nanotecnologia no Brasil• Políticas pouco agressivas e pouco focadas em

investimentos;

• Brasil, de forma modesta, segue a tendência mundial;

• Há oportunidade de ingressar na nova era, em fase com os países desenvolvidos;

• Programa do governo pretende impulsionar vários setores da economia.


• Objetivos:

– Geração de novos conhecimentos;

– Desenvolvimento tecnológico e inovação;

– Formação de recursos humanos em alta tecnologia;

– Formação e manutenção de uma rede nacional de laboratórios e facilidades de pesquisa;

– Agregação de valor e tecnologia a produtos industriais;

– Criação de empresas inovadoras;

– Atualização curricular de cursos nas áreas afins à Nanotecnologia;

– Informação da sociedade sobre os impactos da Nanotecnologia.

Nanotecnologia no BrasilCenário Atual e Futuro >> Brasil

PrevisãoCenário Atual e Futuro >> Brasil

Considerando investimentos de R$ 60 milhões por ano

Investimentos Reais 2003Cenário Atual e Futuro >> Brasil

Estimativas do Grupo de TrabalhoCenário Atual e Futuro >> Brasil

Investimentos Públicos para P&D em Nanotecnologia

Country Expenditure on nanoscience and nanotechnologies Europe

Current funding for nanotechnology R&D is about 1 billion euros, two-thirds of which comes from national and regional programmes.

Japan

Funding rose from $400M in 2001 to $800M in 2003 and is expected to rise by a further 20% in 2004.

USA

The USA’s 21st Century Nanotechnology Research and Development Act (passed in 2003) allocated nearly $3.7 billion to nanotechnology from 2005 to 2008 (which excludes a substantial defence-related expenditure). This compares with $750M in 2003.

UK With the launch of its nanotechnology strategy in 2003, the UK Government pledged £45M per year from 2003 to 2009.

• Referências– Nanoscience and nanotechnologies:

opportunities and uncertainties, The Royal Society, http://www.nanotec.org.uk/index.htm

– Uma Introdução à Nanotecnologia, Semana daEletrônica 2004, www.ica.ele.puc-rio.br

– Biblioteca com coletânea de publicações emNanotecnologia, www.ica.ele.puc-rio.br, em breve…

usos nanotecnologia.pdf

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