Notação Científica na Nanociência e Nanotecnologia

Prévia do material em texto

Trabalho de Física 
Aluno: Lucas Henrique de Souza Paiva 
Turma: Técnico Integrado – ADM 1 
Professor: Aloisio do Carmo Eloi 
 
Nanotecnologia e Nanociência: a importância da notação científica para 
representar valores muito pequenos 
Define-se como nanociência o estudo das propriedades de objetos de 
dimensões físicas muito pequenas. Mais especificamente, dispositivos que 
possuam ao menos uma de suas dimensões menor ou aproximadamente a uma 
dezena de nanômetros. A origem dos termos tem o grego como base, onde nano 
significa “anão”. Esse prefixo é utilizado na ciência para fazer referência a uma 
parte em um bilhão, ou seja, 1 nanômetro (1 nm) corresponde a um bilionésimo 
de um metro (unidade padrão de medida adotada pelo Sistema Internacional de 
Unidades). Portanto, 1 nanômetro corresponde a 1x10−9 metro ou 0,000000001 
metro. Já a nanotecnologia é definida como a área de aplicação tecnológica de 
objetos de escala nanoscópica. Percebe-se certa dificuldade em compreender 
esses avanços das nanociências, pois as medidas com as quais se trabalham 
são muito pequenas, possuindo dimensões milhares de vezes menores que os 
objetos microscópicos, a título de comparação. 
Embora o interesse humano pelo estudo de objetos nanométricos seja 
recente, bem como sua aplicação para o desenvolvimento de novas tecnologias, 
podemos afirmar que a nanotecnologia está presente no planeta há bilhões de 
anos, evidenciada no processo de formação dos átomos e na junção de 
pequenas moléculas que, ao se organizarem em estruturas mais complexas, 
deram origem à vida no planeta. Há mais de 2.500 anos, os filósofos gregos 
buscavam explicações para a composição de tudo o que existe no mundo, 
definindo princípios fundamentais responsáveis pela constituição da physis. 
Atribui-se à palestra “Há mais espaços lá embaixo”, ocorrida em 1959 no Instituto 
de Tecnologia da Califórnia, e aos estudos de Richard Feynman, físico teórico 
norte-americano, o surgimento do interesse explícito pela investigação e 
desenvolvimento tecnológico de dispositivos em escala nanométrica. O 
estudioso defendia a ideia de que não precisamos aceitar os materiais como são 
produzidos pela natureza como os únicos possíveis, pois a partir da manipulação 
direta dos átomos é possível construir novos materiais que não são encontrados 
de forma natural. Feynman sugeriu que um dia o homem conseguiria manipular 
objetos de dimensões atômicas e construir estruturas de dimensões 
nanométricas segundo seus interesses. Pode-se dizer que o físico acertou em 
sua previsão, porém, ela só começou a se realizar no início da década de 1980, 
quando físicos europeus desenvolveram os microscópios de varredura por 
sonda, dentre os quais atualmente estão incluídos os microscópios de 
tunelamento e o microscópio de força atômica. Esses microscópicos funcionam 
mapeando objetos de dimensões atômicas a partir da utilização de uma agulha 
extremamente afiada, que consegue examinar a estrutura da amostra analisada. 
Como resultado do deslocamento altamente preciso da agulha, torna-se possível 
analisar a distribuição dos átomos constituintes do material, bem como sua 
natureza. Com o avanço da tecnologia, principalmente nos últimos 20 anos, o 
uso de equipamentos desse tipo se difundiu, podendo ser encontrado em 
diversos centros de pesquisa no Brasil. Posteriormente, foram criados os 
microscópios eletrônicos de alta resolução, que auxiliam na visualização dos 
átomos e detalhes de objetos em escalas nanométricas, permitindo a elaboração 
de modelos representativos fieis dessas estruturas. 
 
Imagem 1 – Fotografia de Richard Feynman 
 
Fonte: https://www3.unicentro.br/petfisica/2016/05/15/richard-feynman/ 
Imagem 2 – Microscópio de 
tunelamento 
Imagem 3 – Microscópio de força atômica 
 
Fonte: 
https://agencia.fapesp.br/microscopio
-de-tunelamento-entra-em-
funcionamento-na-unicamp/27211/ 
Fonte: 
https://www.analiticaweb.com.br/p.php?tit=microscop
io-de-forca-atomica&Bid=p59a072fde798e 
 
É possível obter materiais em escala nanométrica de duas maneiras, 
sendo elas: 
1. O procedimento “de baixo para cima” ou “top-down”; 
2. O procedimento “de cima para baixo” ou “bottom-up”. 
O primeiro processo consiste na construção do material a partir da junção 
de seus elementos básicos, ou seja, átomos e moléculas. Já o segundo método, 
consiste em eliminar o excesso de material existente em uma amostra maior, 
como ocorre nas técnicas de litografia, na qual é realizada uma série de etapas 
de corrosão química com extrema precisão para a formação do objeto 
nanométrico. 
 
Imagem 4 – Ilustração representativa dos processos de construção de nanomateriais, onde 
top-down é o procedimento “de baixo para cima” e bottom-up é o procedimento “de cima para 
baixo” 
 
Fonte: https://www.researchgate.net/figure/Figura-41-Abordagens-de-nanofabricacao-top-
down-e-bottom-up-Reproduzido-de-12_fig10_327894109 
A nanociência está presente em diversos objetos do nosso cotidiano, como 
nos chips e processadores de eletrônicos, em medicamentos que ingerimos, 
band-aids, bolas de tênis, tintura de automóveis, filtro solar, preservativos, 
secadores de cabelo, bebedouros, dentre muitos outros. Uma área que 
apresenta significativos desenvolvimentos na nanociência é a nanomedicina, 
que elabora protótipos idênticos aos sistemas fisiológicos, sendo utilizados em 
aplicações diversas e livres de danos ao paciente, como na reversão de 
infecções sanguíneas e na formação de células, tecidos e órgãos artificiais, que 
têm potencial para aumentar a eficiência do sequenciamento genético e, dessa 
forma, facilitar a detecção de enfermidades clínicas e possibilitar tratamentos 
precoces. 
 
Imagem 5 – Chip com nanotubos de 
carbono 
Imagem 6 – Anti-inflamatório nanomolecular 
 
Fonte: 
https://revistapesquisa.fapesp.br/um-chip-
com-nanotubos-de-carbono/ 
 
Fonte: https://medicinasa.com.br/ems-bexai/ 
Imagem 7 – Band-aid. Possui elementos 
da nanociência em sua composição 
Imagem 8 – Tintura de automóvel. Possui 
elementos da nanociência em sua composição 
 
Fonte: 
https://www.shutterstock.com/pt/search/ba
ndaid 
Fonte: 
https://www.tecmundo.com.br/nanotecnologia/2
3661-9-objetos-cotidianos-que-usam-
nanotecnologia.htm 
 
No entanto, apesar dos inúmeros benefícios oriundos desse avanço 
tecnológico, a sociedade científica tem suas preocupações sobre os efeitos 
futuros desse processo desenvolvimentista em escala nanométrica, tendo visto 
que os conhecimentos obtidos na área podem ser apropriados por alguns grupos 
em prejuízo de outros. Ainda não se sabe ao certo os rumos que a 
nanotecnologia pode tomar, podendo fugir do controle de seus criadores ou até 
mesmo na elaboração de novas armas. Dessa forma, para que o potencial das 
nanociências sejam explorados para o bem da humanidade, se faz necessária a 
melhor informação do público leigo e o adequado controle social das atividades 
científicas, a fim de evitar possíveis catástrofes e/ou eventos negativos para o 
mundo. 
Como forma de contornar os problemas de trabalhar com números muito 
pequenos e facilitar os cálculos e representações, utiliza-se a representação por 
notação científica na nanociência, na nanotecnologia, na física, na química, na 
biologia, na matemática, na economia, na engenharia e em diversas outras áreas 
que manipulam números extremamente pequenos ou demasiadamente grandes, 
como a física quântica e a astronomia, respectivamente. A notação científica é 
uma convenção para representar números a partir da multiplicação de números 
maiores ou iguais a 1 e menores que 10 por potências de base 10, transmitindo 
os algarismos significativos e a ordem de grandeza de uma medida. 
Os registros apontam que o físico, matemático e inventor grego 
Arquimedes foi o primeiro a tentar representar números muito extensos. 
Conhecido como o “pai da notação científica”, descreveu na sua obra “O 
contadorde Areia”, no século III a.C., seu método representativo para estimar 
quantos grãos de areia seriam necessários para preencher o universo. 
 
Imagem 9 – Matemático grego Arquimedes 
 
Fonte: http://arquimedesgrego.blogspot.com/2011/11/arquimedes-de-siracusa_16.html 
 
A notação científica é escrita na forma N = a*10n, onde ‘N’ representa o 
resultado obtido em notação científica, ‘a’ é um número maior ou igual a 1 e 
menor que 10, e ‘n’ representa o expoente da potência de base 10 ou sua ordem 
de grandeza, sendo negativo para expressar números compreendidos entre 0 e 
1. É importante destacar que a ordem de grandeza nesse tipo de representação 
precisa ser um número inteiro. Além da simplicidade para representar números 
muito pequenos ou muito grandes, a notação científica facilita os cálculos entre 
números de ordens de grandeza diferentes, sendo um recurso fundamental na 
apresentação da quantidade de algarismos significativos, resultando em maior 
fidelidade à representação numérica. 
 
Número por extenso 
Número 
em 
notação 
científica 
Qtd. de 
algarismos 
após ou 
antes da 
vírgula 
700.000 7,0x105 5 
3.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 3,0x1033 33 
0,0008 8,0x10-4 4 
0,0000000000000000000000000000000000000000000000002 2,0x10-49 49 
 
Experiência 
Cálculo da espessura de um traço de grafite 
Uma experiência interessante é calcular a espessura de um traço de grafite 
de uma lapiseira por meio da medida de sua resistência elétrica. O grafite é uma 
superposição de lâminas de apenas um átomo de espessura. Em cada lâmina, 
os átomos formam anéis hexagonais tomando o aspecto de uma colmeia. Cada 
átomo de carbono está ligado a outros três. Os carbonos do diamante, 
entretanto, estão ligados a quatro átomos, formando, assim, outra estrutura 
parecida com uma pirâmide. Ao conferir esses cálculos foi encontrado o valor de 
17,34 nm para a espessura do traço de grafite! Bem próximo do valor obtido pelo 
autor de um dos textos de referência (Schulz, 2007) para esse experimento. 
Como a separação dos planos de átomos de carbono no grafite é de 0,34 nm, 
palavras escritas têm a espessura de apenas 51 camadas atômicas! Isso é 
nanociência a um custo muito baixo. Traços a lapiseira podem ser interessantes 
além de ser um exemplo de uma espessura na escala da nanociência. 
 
Material necessário: 
 Uma lapiseira 0,5mm (diâmetro); 
 Minas de grafite 0,5 mm x 6 cm (diâmetro x largura); 
 Multímetro; 
 Folha de papel; 
 Régua pequena. 
 
Procedimento: 
1. Fazer uma medida da resistência de uma ou mais minas de grafite (pode-
se fazer uma média). Calcular a resistividade elétrica (ρ) da mina de grafite 
através da fórmula: 
 
R = ρ x L/A (1) 
 
Onde R é a resistência medida, L o comprimento da mina (6 cm), A é a 
área da secção transversal (π*r2), onde r = 0,25 mm, já que o diâmetro da mina 
é 0,5mm. 
2. Fazer um traço forte (repassando o traço três a quatro vezes) em uma 
folha de papel com 6 cm de comprimento como a mina de grafite. 
3. Realizar a medida de resistência no traço. 
Através da resistividade elétrica (ρ) do grafite calculada, juntamente com 
valor da resistência do traço, obtém-se a altura (h) do traço. Lembrando que o 
traço remete ao formato de um paralelepípedo com largura de aproximadamente 
0,5 mm, o mesmo diâmetro da mina. 
4. Repetir o experimento alterando a intensidade do traço, assim como os 
tipos de minas de grafite (0,7 mm, 0,9 mm e 1,0 mm). Comparar também o valor 
da resistividade experimental e o teórico (transversal e longitudinal às camadas 
de grafite). 
 
Imagem 10 – Representação do traço de grafite 
 
Montagem que representa as dimensões do traço de grafite. 
Fonte: a mesma do experimento, indicada abaixo. 
 
Fonte: CARVALHO, Alexandre Barbosa Melo de. Introdução a Nanociência e 
Nanotecnologia para o Ensino Médio. Orientador: Prof. Ricardo Cunha Michel. 
2008. 63 p. Trabalho de conclusão de curso (Licenciatura em Química) - 
Universidade Federal do Rio de Janeiro - Centro de Tecnologia - Instituto de 
Química, Rio de Janeiro, 2008. 
Adaptado de Newcombe, 2006 / Schulz, 2007. 
 
 
Referências 
 
9 objetos cotidianos que usam nanotecnologia. [S. l.], 17 maio 2012. Disponível em: 
https://www.tecmundo.com.br/nanotecnologia/23661-9-objetos-cotidianos-que-usam-
nanotecnologia.htm. Acesso em: 29 jul. 2021. 
 
 
CARVALHO, Alexandre Barbosa Melo de. Introdução a Nanociência e Nanotecnologia para o 
Ensino Médio. Orientador: Prof. Ricardo Cunha Michel. 2008. 63 p. Trabalho de conclusão de 
curso (Licenciatura em Química) - Universidade Federal do Rio de Janeiro - Centro de Tecnologia 
- Instituto de Química, Rio de Janeiro, 2008. Acesso em: 29 jul. 2021. 
 
 
Já ouviu falar em nanotecnologia na medicina? Veja suas aplicações! [S. l.], 26 set. 2019. 
Disponível em: https://blog.radcare.com.br/ja-ouviu-falar-em-nanotecnologia-na-medicina-veja-
suas-aplicacoes/. Acesso em: 29 jul. 2021. 
 
 
MARTINS, Maria do Carmo. Notação científica: uma forma eficaz de representar e operar com 
pequenos e grandes números. Correio dos Açores, p. 16-16, 2015. Acesso em: 29 jul. 2021. 
 
 
MELO, Celso Pinto de; PIMENTA, Marcos. Nanociências e nanotecnologia. Parcerias 
estratégicas, v. 9, n. 18, p. 09-22, 2010. Acesso em: 29 jul. 2021. 
 
 
NANÔMETRO. [S. l.], 31 maio 2020. Disponível em: 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Nan%C3%B3metro. Acesso em: 29 jul. 2021. 
NOTAÇÃO científica. [S. l.], 12 dez. 2020. Disponível em: 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Nota%C3%A7%C3%A3o_cient%C3%ADfica. Acesso em: 29 jul. 
2021.