A Toshiba mostra um protótipo de um wafer de silício de 90 nanômetros. Veja mais imagens de nanotecnologia. Yoshikazu Tsuno / AFP / Getty Images p Em 1965, o engenheiro Gordon Moore previu que o número de transistores em um circuito integrado - um precursor do microprocessador - dobraria aproximadamente a cada dois anos. Hoje, nós chamamos isso de previsão lei de Moore , embora não seja realmente uma lei científica. A Lei de Moore é mais uma profecia auto-realizável sobre a indústria de computadores. Os fabricantes de microprocessadores se esforçam para cumprir a previsão, porque se eles não o fizerem, seus concorrentes o farão [fonte:Intel].
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p Para encaixar mais transistores em um chip, os engenheiros precisam projetar transistores menores. O primeiro chip tinha cerca de 2, 200 transistores nele. Hoje, centenas de milhões de transistores podem caber em um único chip de microprocessador. Mesmo assim, as empresas estão determinadas a criar transistores cada vez mais pequenos, amontoando mais em chips menores. Já existem chips de computador com transistores em nanoescala (a nanoescala está entre 1 e 100 nanômetros - um nanômetro é um bilionésimo de metro). Os futuros transistores terão que ser ainda menores. p Insira o nanofio, uma estrutura que tem uma incrível relação comprimento x largura . Os nanofios podem ser incrivelmente finos - é possível criar um nanofio com o diâmetro de apenas um nanômetro, embora engenheiros e cientistas tendam a trabalhar com nanofios que têm entre 30 e 60 nanômetros de largura. Os cientistas esperam que em breve possamos usar nanofios para criar os menores transistores ainda, embora existam alguns obstáculos muito difíceis no caminho. p Neste artigo, veremos as propriedades dos nanofios. Aprenderemos como os engenheiros constroem nanofios e o progresso que fizeram em direção à criação de chips eletrônicos usando transistores de nanofios. Na última seção, veremos algumas das aplicações potenciais para nanofios, incluindo alguns usos médicos. p Na próxima seção, vamos examinar as propriedades dos nanofios. p p Quão fino é fino?
O cabelo humano tem geralmente entre 60 e 120 micrômetros de largura. Vamos supor que você encontrou um cabelo excepcionalmente fino com uma largura de 60 micrômetros. Um micrômetro é 1, 000 nanômetros, então você teria que cortar aquele cabelo pelo menos 60, 000 vezes no sentido do comprimento para fazer um fio de um nanômetro de espessura.
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HowStuffWorks 2007 p Dependendo do que é feito, um nanofio pode ter as propriedades de um isolante, um semicondutor ou um metal. Isoladores não carregam carga elétrica, enquanto os metais carregam cargas elétricas muito bem. Os semicondutores ficam entre os dois, carregando uma carga nas condições certas. Organizando os fios semicondutores na configuração adequada, engenheiros podem criar transistores, que atua como um trocar ou um amplificador .
p Algumas propriedades interessantes - e contra-intuitivas - que os nanofios possuem são devido à pequena escala. Quando você trabalha com objetos que estão em nanoescala ou menores, você começa a entrar no reino da mecânica quântica. A mecânica quântica pode ser confusa até mesmo para especialistas na área, e muitas vezes desafia a física clássica (também conhecida como física newtoniana).
p Por exemplo, normalmente, um elétron não pode passar por um isolante. Se o isolador for fino o suficiente, no entanto, o elétron pode passar de um lado do isolador para o outro. É chamado tunelamento de elétrons , mas o nome não dá uma ideia de como esse processo pode ser estranho. O elétron passa de um lado do isolador para o outro sem realmente penetrar no próprio isolador ou ocupar o espaço dentro do isolador. Você pode dizer que ele se teletransporta de um lado para o outro. Você pode evitar o tunelamento de elétrons usando camadas mais espessas de isolante, uma vez que os elétrons só podem viajar por distâncias muito pequenas. p Outra propriedade interessante é que alguns nanofios são condutores balísticos . Em condutores normais, os elétrons colidem com os átomos do material condutor. Isso desacelera os elétrons conforme eles viajam e cria calor como um subproduto. Em condutores balísticos, os elétrons podem viajar através do condutor sem colisões. Os nanofios podem conduzir eletricidade de forma eficiente, sem o subproduto do calor intenso. p Na nanoescala, os elementos podem exibir propriedades muito diferentes do que esperamos. Por exemplo, a granel, ouro tem um ponto de fusão de mais de 1, 000 graus Celsius. Ao reduzir o ouro a granel ao tamanho de nanopartículas, você diminui seu ponto de fusão, porque quando você reduz qualquer partícula para a nanoescala, há um aumento significativo na proporção superfície-volume. Também, em nanoescala, ouro se comporta como um semicondutor, mas na forma em massa é um condutor. p Outros elementos também se comportam de maneira estranha em nanoescala. A granel, o alumínio não é magnético, mas aglomerados muito pequenos de átomos de alumínio são magnéticos. As propriedades elementares com as quais estamos familiarizados em nossa experiência cotidiana - e a maneira como esperamos que se comportem - podem não se aplicar quando reduzimos esses elementos ao tamanho de um nanômetro. p Ainda estamos aprendendo sobre as diferentes propriedades de vários elementos em nanoescala. Alguns elementos, como silício, não muda muito no nível da nanoescala. Isso os torna ideais para transistores e outras aplicações. Outros ainda são misteriosos, e pode exibir propriedades que não podemos prever agora. p Na próxima seção, vamos descobrir como os engenheiros fazem nanofios. Nanotubos de carbono e pontos quânticos
Nanofios são apenas uma estrutura empolgante que engenheiros e cientistas estão explorando em nanoescala. Dois outros objetos em nanoescala importantes são os nanotubos de carbono e os pontos quânticos. Um nanotubo de carbono é uma estrutura cilíndrica que se parece com uma folha enrolada de grafite. Suas propriedades dependem de como você rola o grafite no cilindro - rolando os átomos de carbono de uma maneira, você pode criar um semicondutor. Mas enrolá-los de outra maneira pode tornar um material 100 vezes mais resistente do que o aço. Os pontos quânticos são coleções de átomos que juntos agem como um átomo gigante - embora por gigante ainda estejamos falando de nanoescala. Os pontos quânticos são semicondutores.
Cabos de fibra ótica David Ritter, SXC p Especialistas em nanociência falam sobre duas abordagens diferentes para construir coisas em nanoescala:o abordagem de cima para baixo e a abordagem de baixo para cima . Uma abordagem de cima para baixo significa essencialmente que você pega uma grande quantidade do material que planeja usar para os nanofios e corta até atingir o tamanho certo. Uma abordagem de baixo para cima é um processo de montagem em que partículas menores se unem para formar uma estrutura maior.
p Embora possamos construir nanofios usando qualquer abordagem, ninguém encontrou uma maneira de viabilizar a produção em massa. Agora mesmo, cientistas e engenheiros teriam que gastar muito tempo para fazer uma fração do número de nanofios de que seriam necessários para um chip microprocessador. Um desafio ainda maior é encontrar uma maneira de organizar os nanofios de maneira adequada depois de construídos. As pequenas escalas tornam muito difícil construir transistores automaticamente - agora, os engenheiros geralmente colocam os fios no lugar com ferramentas enquanto observam tudo por meio de um microscópio poderoso.
p Um exemplo de abordagem de cima para baixo é a maneira como os cientistas fazem nanofios de fibra óptica. Os fios de fibra óptica transportam informações na forma de luz. Para fazer um nanofio de fibra óptica, os engenheiros começam com um cabo de fibra óptica comum. Existem algumas abordagens diferentes para reduzir um cabo de fibra óptica à nanoescala. Os cientistas poderiam aquecer uma haste feita de safira, enrole o cabo em volta da haste, e puxe o cabo, esticando-o para criar um nanofio. Outro método usa um minúsculo forno feito de um pequeno cilindro de safira. Os cientistas puxam o cabo de fibra óptica através do forno e o esticam em um nanofio fino. Um terceiro procedimento chamado escova de chama usa uma chama sob o cabo de fibra óptica enquanto os cientistas o esticam [fonte:Gilberto Brambilla e Fei Xu]. p Na próxima seção, veremos como os cientistas podem desenvolver nanofios de baixo para cima. Olhando para a nanoescala
O microscópio de um nanocientista não é o mesmo tipo que você encontrará no laboratório de química de um colégio. Quando você desce para a escala atômica, você está lidando com tamanhos que são realmente menores do que o comprimento de onda da luz visível. Em vez de, um nanocientista poderia usar um Microscópio de tunelamento de varredura ou um microscópio de força atômica . Microscópios de tunelamento de varredura usam uma corrente elétrica fraca para sondar o material escaneado. Microscópios de força atômica fazem a varredura de superfícies com uma ponta incrivelmente fina. Ambos os microscópios enviam dados para um computador, que reúne as informações e as projeta graficamente em um monitor.
p Vários laboratórios criaram transistores usando nanofios, mas sua criação requer muito tempo e mão de obra. Os transistores nanofios têm um desempenho tão bom ou melhor do que os transistores de corrente. Se os cientistas puderem encontrar uma maneira de projetar uma maneira de produzir e conectar transistores de nanofios de forma eficiente, vai pavimentar o caminho para menores, microprocessadores mais rápidos, o que permitirá que a indústria de computadores acompanhe a Lei de Moore. Os chips de computador continuarão a ficar menores e mais poderosos. p A pesquisa na produção de nanofios continua em todo o mundo. Muitos cientistas acreditam que é apenas uma questão de tempo até que alguém encontre uma maneira viável de produzir nanofios e transistores de nanofios em massa. Esperançosamente, se e quando chegarmos a esse ponto, também teremos uma maneira de organizar os nanofios da maneira que quisermos, para que possamos usá-los em todo o seu potencial. p Na próxima seção, aprenderemos sobre as aplicações potenciais da tecnologia de nanofios. Nanofios caseiros da natureza
Até recentemente, os cientistas acreditavam que todos os nanofios eram feitos pelo homem, mas, há alguns anos, os biólogos descobriram que as bactérias podem desenvolver seus próprios nanofios. Uma bactéria chamada Geobacter sulfurreducens despeja elétrons em átomos de metal (os elétrons são um subproduto do consumo de combustível da bactéria). Se houver escassez de metal no ambiente da bactéria, vai crescer um apêndice de nanofio para conduzir elétrons ao metal mais próximo, permitindo que a bactéria consuma mais combustível. Os cientistas esperam construir células de combustível orgânicas usando bactérias como Geobacter sulfurreducens para produzir eletricidade.
O CEO da Intel, Paul Ortelli, tem uma placa de chips de computador com circuitos de 32 nanômetros. Justin Sullivan / Getty Images p Talvez o uso mais óbvio dos nanofios seja na eletrônica. Alguns nanofios são condutores ou semicondutores muito bons, e seu tamanho minúsculo significa que os fabricantes poderiam colocar milhões de transistores a mais em um único microprocessador. Como resultado, a velocidade do computador aumentaria dramaticamente.
p Os nanofios podem desempenhar um papel importante no campo dos computadores quânticos. Uma equipe de pesquisadores da Holanda criou nanofios a partir de arsenieto de índio e os anexou a eletrodos de alumínio . Em temperaturas próximas do zero absoluto, o alumínio se torna um supercondutor, o que significa que pode conduzir eletricidade sem qualquer resistência. Os nanofios também se tornaram supercondutores devido ao efeito de proximidade . Os pesquisadores conseguiram controlar a supercondutividade dos nanofios executando várias tensões no substrato sob os fios [fonte:New Scientist].
p Os nanofios também podem desempenhar um papel importante em dispositivos de tamanho nano, como nanorrobôs . Os médicos poderiam usar os nanorrobôs para tratar doenças como o câncer. Alguns projetos de nanorrobôs têm sistemas de energia a bordo, o que exigiria estruturas como nanofios para gerar e conduzir energia. p Usando piezoelétrico material, nanocientistas podem criar nanofios que geram eletricidade a partir de energia cinética . O efeito piezoelétrico é um fenômeno que certos materiais exibem - quando você aplica força física a um material piezoelétrico, ele emite uma carga elétrica. Se você aplicar uma carga elétrica a este mesmo material, ele vibra. Nanofios piezoelétricos podem fornecer energia para sistemas nanométricos no futuro, embora no momento não haja aplicações práticas. p Existem centenas de outras aplicações potenciais de nanofios na eletrônica. Pesquisadores no Japão estão trabalhando em interruptores atômicos que podem substituir os interruptores semicondutores em dispositivos eletrônicos. Cientistas do Laboratório Nacional de Energia Renovável esperam que coaxial nanofios irá melhorar a eficiência energética das células solares. Porque ainda estamos aprendendo sobre as propriedades dos nanofios e outras estruturas em nanoescala, pode haver milhares de aplicativos que ainda nem consideramos. p Para saber mais sobre nanofios e tópicos relacionados, siga os links na próxima página. Nanofios em Medicina
Nem todas as aplicações de nanofios estão no campo da eletrônica. Na Universidade de Arkansas, pesquisadores estão usando nanofios para revestir implantes de titânio. Os médicos descobriram que o tecido muscular às vezes não adere bem ao titânio, mas quando revestido com os nanofios, o tecido pode se ancorar ao implante, reduzindo o risco de falha do implante.
p Cientistas do Instituto Gladstone de Doenças Cardiovasculares estão fazendo experiências com nanofios e células-tronco. Eles esperam que, ao passar uma corrente elétrica por um nanofio na célula-tronco, possam direcionar como a célula se diferencia [fonte:Berkeley Lab]. consulte Mais informação
