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A nanotecnlogia e os nanomateriais

A nanotecnologia é o conjunto de técnicas e processos para a preparação, caracterização manipulação e controle de átomos e moléculas visando construir novos materiais em escala nanométrica, com novas propriedades inerentes as suas dimensões. É a síntese e o controle de materiais com dimensões entre 1 e 100 nm, onde fenômenos singulares permitem novas aplicações. O objetivo central da nanotecnologia é criar novos materiais e desenvolver novos produtos e processos baseados na capacidade tecnológica de ver e manipular átomos e moléculas.

Nanotecnologia x Nanociência

A nanociência é o estudo de novos fenômenos e propriedades que aparecem na nanoescala: efeito quântico e efeito de superfície.  O efeito quântico é quando a estrutura eletrônica normal é substituída por uma série de níveis eletrônicos discretos, provocando limitações no movimento dos elétrons (confinamento quântico). O efeito de superfície é uma maior relação superfície/volume que interfere nas propriedades químicas, como aumento da reatividade, em um material com dimensão de 30 nm apenas 5% dos seus átomos está na superfície enquanto que um material com dimensão de 3 nm apresenta 50% dos seus átomos na superfície,por exemplo. A nanotecnologia é a habilidade de construção de materiais e produtos com controle da funcionalidade.

A nanotecnologia permite o desenvolvimento de diversas tecnologias em nano escala

A nanotecnologia permite o desenvolvimento de diversas tecnologias em nano escala

Classificação dos nanomateriais

Os materiais em escala nanométrica podem ser classificados de acordo com a sua:

  • Dimensão

3D < 100 nm (Exemplos: nanopartículas, fulerenos, dendrímeros, pontos quânticos, etc.).

2D< 100 nm (Exemplos: nanotubos, nanofios, nanofibras, etc.).

1D < 100 nm (Exemplos: filmes, recobrimentos, etc.).

  • Composição de fases

Sólidos multifásicos (Exemplos: compósitos, partículas recobertas, etc.).

Sistemas multifásicos (Exemplos: coloides, aerogels, etc.).

  • Processo de manufatura

Reação em fase gasosa (Exemplos: CVD, condensação atômica, etc.).

Reação em fase líquida (Exemplos: sol-gel, precipitação, etc.).

Processos mecânicos (Exemplos: moagem, deformação plástica, etc.).

Construção de nanomateriais 

Os nanomateriais podem ser construídos com o processo top-down ou bottom-up. O processo top-down envolve mecanismos e estruturas já existentes, que são miniaturizados até escala nanométrica. Ou seja, parte-se de um material bulk, que é fragmentado ou manipulado utilizando-se energia mecânica ou química. Principais técnicas:

  • Moagem mecânica: a severa deformação plástica associada ao atrito mecânico causa o refinamento da estrutura interna dos materiais em pó até escala nanométrica.
  • Processamento mecanoquímico: reações ocorrem durante a moagem.
  • Eletro explosão: aplica-se uma alta corrente, por curto intervalo de tempo, num fio metálico, que alcança elevadas temperaturas, formando um plasma.
  • Sputtering (PVD – Deposição Física de Vapor):bombardeamento de um alvo com íons de um gás inerte (como o argônio) para deslocar átomos do material alvo, que é depositado sobre um substrato.
  • Litografia: padronização de uma superfície por exposição à luz, íons ou elétrons, seguido da gravação (etching) ou deposição de materiais para formação de estruturas nanométricas sobre substratos planares.

O processo bottom-up envolve a construção de estruturas a partir de átomos e moléculas, como em um “lego”, utilizando sínteses químicas ou processos de automontagem (self-assembly). Principais técnicas:

  • CVD – Deposição Química de Vapor: promove-se uma reação química em fase gasosa e o produto formado deposita-se como um filme fino por nucleação e crescimento sobre um substrato aquecido.
  • Sol-gel: produção de nanomateriais em condições brandas e controladas, síntese de óxidos inorgânicos ou compósitos orgânico-inorgânicos através de reações de hidrólise. Formam-se partículas de tamanho coloidal (sol), com posterior formação de uma rede tridimensional (gel).
  • Condensação atômica ou molecular: o material bulk é aquecido em vácuo, produzindo uma corrente de material vaporizado e atomizado, que é direcionado a uma câmara contendo um gás inerte, o rápido resfriamento forma nanopartículas.
  • Hidrólise: envolve a quebra da molécula da água, para formação de nanopartículas óxidas. Nem todos os íons sofrem hidrólise, os metais alcalinos, alcalino-terrosos e terras-raras são muito estáveis em solução e muito iônicos para a hidrólise.
  • Redução química de sais metálicos: nanopartículas metálicas são produzidas pela redução de um sal metálico por um agente redutor apropriado a síntese pode ocorrer na presença de um agente estabilizante formando uma nanopartícula funcionalizada.
  • Processo sono químico: reação influenciada pelo som, radiação de ultrassom. 

Principais nanomateriais e suas aplicações

Os nanomateriais possuem diversas aplicações e funcionalidades que são características de cada nanomaterial específico. Os dendrímeros são macromoléculas monodispersas, altamente ramificadas, sendo que todas as ligações emergem radialmente a partir de um ponto central. Os dendrímeros são reconhecidos como “blocos de construção” bastante versáteis composicional e estruturalmente, em nanoescala controlada. A presença de cavidades internas permite o encapsulamento de moléculas hóspedes, a semelhança de uma micela. Por isso são estudados no campo biomédico para liberação de drogas, terapia genética e como agentes de liberação de contraste de imagem. Também podem atuar como catalisadores altamente seletivos e que permitem transferência rápida e direcional de reagentes e produtos, sendo chamados de nano reatores.

Pontos quânticos ou nanocristais são nanopartículas semicondutoras menores que 10 nm compostas de elementos dos grupos 12-16 ou 13-15. São fluorescentes emitindo luz de diferentes cores em função do tamanho das partículas. Absorvem luz numa larga faixa, os nanocristais conseguem atingir rendimentos quânticos de até 90%. Essas nanopartículas semicondutoras atuam como um poço de potencial energético, possibilitando confinamento de elétrons. As suas principais aplicações estão no setor biomédico, ótico-eletrônico (lasers, LED’s e células solares).

Nanocristais de celulose

Nanocristais de celulose

Nanotubos de carbono são tubos onde as suas paredes são compostas de carbono hexagonal, podem apresentar parede simples ou composta. Dentre inúmeras aplicações podemos citar o armazenamento de hidrogênio (materiais com alta área superficial como nanoestruturas de carbono são substratos adequados para o armazenamento de hidrogênio).

Nanotubos de carbono em multicamadas: mais fortes que o aço, com um sexto do peso

Nanotubos de carbono em multicamadas: mais fortes que o aço, com um sexto do peso

Filmes nanoestruturados servem de base para a criação de superfícies funcionais, que podem ser aplicadas em desenvolvimento de dispositivos eletrônicos, catálise e ótica integrada. A nanotecnologia é um ramo que está avançando muito e conquistando a cada dia novos pesquisadores pelas suas características e aplicações singulares de seus nanomateriais.

 

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Escrito por Jéssica Nascimento

Mestranda em Tecnologia de processos químicos e bioquímicos da Escola de Química - UFRJ. Apaixonada por Química e boa música.

Um comentário

  1. Anderson Luiz Conceição de Santana

    Ótimas publicações, sempre é bom ficar antenado nas inovações tecnológicas

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A nanotecnologia é o conjunto de técnicas e processos para a preparação, caracterização manipulação e controle de átomos e moléculas visando construir novos