Uma possível definição de Nanotecnologias

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Uma possível definição de Nanotecnologias
«Dossier - Nanotecnologia, essa desconhecida
:: 2008-01-06 Por João Pedro Conde *

João Pedro Conde
João Pedro Conde

Uma possível definição de Nanotecnologias é dizer que estas correspondem ao projecto, caracterização, produção e aplicação de estruturas, dispositivos e sistemas em que a dimensão, forma ou função são controladas à escala nanométrica (http://www.nanotec.org.uk/). O foco científico e as aplicações tecnológicas das Nanotecnologias centram-se em quatro grandes áreas: (i) produtos nanoestruturados e nanomateriais; (ii) nanoelectrónica, optoelectrónica e tecnologias da informação; (iii) aplicações em Lab-on-a-chip e engenharia química de micro-processos; e (iv) nanobiotecnologia e nanomedicina.

*Departamento de Engenharia Química e Biológica, Instituto Superior Técnico


Uma parte significativa da comunidade científica nas áreas das ciências e das engenharias em todo o mundo tem sido atraída para orientar a sua investigação para uma ou várias vertentes destas áreas das Nanotecnologias.

Se, por um lado, esta orientação é natural uma vez que a maioria das propriedades físicas, químicas, ou biológicas são controladas a escalas dimensionais entre 1 e 100 nanómetros, outro aspecto importante tem a ver com a abertura de novas áreas científicas menos exploradas, e com a motivação para trabalhar em áreas interdisciplinares, como tendem a ser as áreas das Nanotecnologias, onde a nova investigação poderá ter um maior impacto do que nas áreas de trabalho mais clássicas.

Os cientistas portugueses também têm participado com entusiasmo no desenvolvimento da investigação em Nanotecnologias, e temos grupos e institutos a trabalhar activamente em todas as grandes áreas referidas acima.

A maior parte dos países com impacto na produção científica e tecnológica mundial têm grandes projectos estruturantes para o desenvolvimento da investigação em Nanotecnologias, quer através de projectos de investigação, quer através de actividades universitárias de formação e de novos departamentos, quer através de novos laboratórios e infraestruturas.

Em Portugal, esta área não aparece como independente nas áreas de trabalho das instituições que gerem a investigação científica e tecnológica. No entanto, foi decidido, a alto nível entre os governos de Portugal e de Espanha, a formação de um grande laboratório, o Laboratório Internacional Ibérico de Nanotecnologia, com sede em Braga, junto à Universidade do Minho. Um investimento numa infraestrutura científica numa área de ponta e interdisciplinar, com áreas laboratoriais elevadas (acima dos 10000 m2) e um grande número de investigadores (na ordem das centenas), tem de ser considerado positivo.

Se houver possibilidade de jovens investigadores formarem novos grupos de investigação interdisciplinares em áreas de ponta no Laboratório, tal seria de louvar numa situação de grande saturação das universidades em termos de contratação, com o consequente envelhecimento dos seus professores e menor capacidade de inovar quer do ponto de vista científico, quer organizacional.

 Se fôr instalada uma infraestrutura que permita apoiar as actividades científicas nestas áreas por parte dos investigadores portugueses, dando-lhes acesso a equipamentos difíceis de suportar por grupos e laboratórios mais pequenos, o impacto do Laboratório Internacional será muito positivo. Se parte do investimento em Nanotecnologias não esquecer os excelentes grupos portugueses que já desenvolvem actividades de ponta nestas áreas, e que deverão poder consolidar-se e expandir as suas actividades, dos nanomateriais à nanoelectrónica e à nanomedicina, o impacto será também positivo.

Finalmente, e mais importante, o Laboratório Internacional deverá ser um exemplo de excelência a nível mundial nas áreas a que escolher dedicar-se, e criar uma escola que não só dure muitos anos, mas que seja flexível para enfrentar os desafios do futuro. Este é um desafio enorme e que, além da continuidade dos recursos financeiros de vulto absolutamente indispensaveis para cumprir esta visão, repousa sobretudo nas pessoas que o vão organizar, e depois nos investigadores que o irão lançar.

Giro....

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De que falamos quando falamos de nanotecnologia?
«Dossier - Nanotecnologia, essa desconhecida
:: 2008-01-14 Por Pedro Alpuim *

Pedro Alpuim

De que falamos quando falamos de nanotecnologia? Provavelmente a resposta depende da área de trabalho de quem responde, o que só traduz o carácter largamente interdisciplinar do assunto. Certo é que o termo tem um significado cada vez mais preciso para um número maior de pessoas, e não apenas para gente oriunda da comunidade científica...

A nanotecnologia foi antes de mais uma visão! E o primeiro visionário foi o Nobel da Física, tocador de bongo e abridor de cofres nas horas vagas, Richard P. Feynman que a transmitiu num célebre seminário no California Institute of Technology, em 1959.

* Departamento de Física da Universidade do Minho


O que Feynman nos disse é que a escala a que a engenharia costuma fabricar as máquinas, utensílios e outras obras de arte tecnológicas tem sido ditada pela escala das dimensões humanas mas não terá que ser assim no futuro (em 1959).

Há outras escalas, às quais é possível trabalhar, muito menores do que a escala humana (1 nanometro = 1/1 000 000 000 m). E Feynman exemplificou mostrando como seria possível, sem perda de definição, escrever os 24 volumes da Enciclopédia Britânica na cabeça de um alfinete.

Vemos assim que em 1959 já existia, em linhas gerais, a teoria necessária para fazer nanotecnologia. Mas para passar à prática eram precisas ferramentas tecnológicas apropriadas. Estas surgiram, digamos, de três proveniências distintas.

A primeira foi a microelectrónica que trouxe a miniaturização dos circuitos integrados (em 1958 Jack Kilby, da Texas Instruments e prémio Nobel da Física em 2000 e Robert Noyce, co-fundador da Intel, inventam, com 6 meses de diferença, de modo independente e complementar o circuito integrado); trouxe também o aumento da capacidade de armazenamento de informação (v.g. Albert Fert e Peter Gründberg, prémios Nobel da Física 2007, com a descoberta da magneto-resistência gigante, GMR); e trouxe a rapidez de cálculo.

A segunda contribuição foi a descoberta do microscópio electrónico de transmissão, TEM (Ernst Ruska), e do microscópio de varrimento de efeito de túnel, STM (Gerd Biinnig e Heinrich Rohrer), que valeram aos seus descobridores o Nobel da Física de 1986. O STM e ferramentas dele derivadas, como o microscópio de força atómica, AFM, permitiram pela primeira vez a observação de átomos na superfície de um sólido e, mais tarde, a sua manipulação.

A terceira contribuição foi o desvendar da tecnologia de recombinação de ADN, que permite obter qualquer proteína pelo controlo dos planos genéticos para o seu fabrico, e a elucidação dos processos genéticos ao nível molecular (v.g. Mario R. Capecchi, Oliver Smithies e Martin J. Evans, prémios Nobel da Medicina 2007 pela descoberta da técnica de recombinação homóloga do DNA em células de mamíferos – os dois primeiros – e pelo uso de células estaminais para garantir que as modificações genéticas daí resultantes se estendem a todas as células de um organismo animal).

 É interessante notar que, embora operando à mesma escala nanométrica (as dimensões típicas do canal de um transístor N ou PMOS de um processador Pentium® Core2 da última geração da Intel são 45 nanómetros, que é a mesma ordem de grandeza de muitas moléculas orgânicas) a abordagem usada no fabrico da microelectrónica é em certa medida o oposto do que acontece na biosíntese de proteínas. A primeira é chamada top-down enquanto que a segunda se designa bottom-up.

Top-down é a abordagem clássica da engenharia que consiste em transferir, usando ferramentas adequadas que o reduzem (também pode ser aumentado se as ferramentas forem de amplificação) um padrão concebido à escala humana num suporte à mesma escala (um desenho, um molde, uma ideia na cabeça); enquanto que bottom-up é o modo normal de operação da natureza quando auto-constrói as suas nanomáquinas (o exemplo mais sofisticado é a formação de um ser vivo – cujo organismo é composto por milhares de nanomáquinas responsáveis pelas funções vitais - a partir de um embrião com duas células).

Temos então sucessos retumbantes de ambas as abordagens em nanotecnologia, como sejam a última geração de processadores Intel ou IBM ou as unidades magnéticas de armazenamento de informação que viabilizam as tecnologias de última geração de telemóveis (3G) ou de música MP3, no caso da abordagem “clássica” top-down; e, como exemplo de tecnologia bottom up, temos os diversos nanofármacos mais recentes para o tratamento do cancro baseados em lipossomas, ou em anti-corpos e seus conjugados, ou em moléculas de polímero e proteína ou ainda em nanopartículas obtidos por manipulação molecular.

Como será a nanotecnologia no futuro? É possível que a combinação de ambas as técnicas para o fabrico de nanomáquinas capazes de fazer todo o tipo de tarefas num mundo dominado pela nanotecnologia venha a provar ser a melhor solução

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Há muito espaço lá em baixo!
Dossier - Nanotecnologia, essa desconhecida
:: 2008-01-15 Por Senentxu Lanceros-Méndez *

Senentxu Lanceros-Méndez
Senentxu Lanceros-Méndez

Numa conferência já clássica pronunciada em 1959, “There´s Plenty of Room at the Bottom” [Há muito espaço lá em baixo], Richard Feynman nos abriu as mentes ao conceito da nanotecnologia. Existem definições mais ou menos ambíguas ou abrangentes, mas parece consensual a definição de nanotecnologia como o estudo, desenho, criação, síntese, manipulação e aplicação de materiais, dispositivos e sistemas funcionais através do controlo da matéria a nanoescala –um nanómetro é a milionésima parte de um milímetro. As dimensões dos sistemas a escala nanométrica oscilam entre 1 e 100 nm.

*  Departamento de Física, Universidade do Minho



Trata-se de um regímen amplamente interdisciplinar no qual a física, a química, a biologia, tecnologias da informação, engenharia, etc convergem para criar a nanociência, ciência a partir da qual surge a nanotecnologia, como um conjunto de técnicas utilizadas para manipular a matéria a escala dos átomos e as moléculas, permitindo, deste modo, a fabricação de novos materiais e dispositivos.

Na sua famosa conferencia R. Feynman perguntou-se o que aconteceria se pudéssemos manipular os átomos? Hoje em dia começamos a dar resposta à pergunta: quando se manipula a matéria a esta escala, aparecem fenómenos e propriedades totalmente novas, os fenómenos de superfície cobram grande relevância; as propriedades físicas e químicas da matéria mudam à escala nanométrica: a condutividade eléctrica, a cor, a elasticidade, a reactividade, entre outras propriedades, comportam-se de maneira diferente que nos mesmos elementos a maior escala.

Parece consensual que se trata de uma ciência que está a tomar protagonismo e relevância neste novo século, até ao ponto de estar na base de uma nova revolução industrial. Fala-se da nanotecnologia como uma "tecnologia de objectivos gerais", pois terá um impacto significativo na maioria de indústrias e áreas da sociedade, tanto no que diz respeito aos produtos como aos meios de produção, tal como já aconteceu com a electricidade ou as tecnologias da informação e comunicação.

A nanotecnologia se tem materializado já em algumas aplicações nas áreas da fotografia, revestimentos duros, auto-limpáveis, farmácia, cosmética e sensores, entre outros. Em mais ou menos tempo aumentarão as aplicações com materiais resistentes e ligeiros construídos com polímeros reforçados com nanoparticulas, músculos artificiais fabricados com nanomateriais, novas aplicações informáticas com componentes mais rápidos, têxteis inteligentes, implantes inteligentes, ou sensores moleculares capazes de detectar e, eventualmente, destruir tumores e outras doenças, entre muitas outras.

A nanotecnologia está, de forma geral, na fase de melhorar e controlar os métodos necessários para a fabricação de nanoestruturas. Em paralelo com o domínio e desenvolvimento das técnicas de fabricação, continuará o desenvolvimento do conhecimento das propriedades electrónicas, ópticas, magnéticas, químicas, destes sistemas. O conhecimento científico começa a plasmar-se em algumas aplicações, não entanto será nos próximos 5 a 10 anos quando se espera que apareçam numerosos produtos que comecem a ser comercializados. A partir de aí a nanotecnologia consolidar-se-á como indústria.

Este percurso dependerá em muito da existência de aplicações práticas que atraiam o investimento privado, a redução dos custos de processos e equipamento, assim como de uma política que fomente seu desenvolvimento. Neste sentido o Laboratório Internacional Ibérico de Nanotecnologia (INL), com sede em Braga, junto à Universidade do Minho é uma óptima noticia.

Trata-se de um investimento numa grande infra-estrutura científica – tanto em superfície como em número de investigadores- numa área emergente e, por tanto, no momento apropriado.

Voltando ao primeiro parágrafo, com o INL poderemos dizer tentando, modestamente, parafrasear ao R. Feynman “There are Plenty of Room in There” [Há muito espaço lá dentro] – mais de 10000 m2 de laboratórios. Espaço físico e espaço para a investigação e o desenvolvimento interdisciplinar; espaço para a mobilização, para a colaboração e para o dinamismo. O que se espera do Instituto e para o Instituto são objectivos claros, muito trabalho e independência; assim como planificação e financiamento adequados. Que atinga a excelência na suas áreas de intervenção e que dê exemplo dela. Se assim for…. o sucesso estaria garantido e esse “espaço lá dentro” e o que lá se fizer poderá ser de grande importância para o desenvolvimento científico e tecnológico de Portugal e as jovens gerações. Como é o “espaço lá em baixo” que nos mostrou Feynman para a ciência e a tecnologia.