Uma introdução à nanotecnologia

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Uma Introdução à 
Nanotecnologia
Marco Aurélio C. Pacheco
Produção: 
Cristina Santini
André Vargas
Omar Paranaíba
ICA: Laboratório de Inteligência Computacional Aplicada
Departamento 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 conferências
em 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 van
der 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 nessa
dimensão ?
• 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.
Introdução >>Cronologia 
Diagrama de uma célula
humana
• 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.
Introdução >>Cronologia 
• 1959 Richard Feynman profere a famosa palestra "There's
Plenty of Room at the Bottom", sobre as perspectivas da 
miniaturização: a enciclopédia Britânica poderia ser escrita 
na cabeça de um alfinete.
Introdução >>Cronologia 
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.
Introdução >>Cronologia 
• 1981 G. Binnig e H. Rohrer criam o microscópio de tunelamento “Scanning
Tunneling 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 tunela
da ponta fina à amostra (condutora), 
revelando informação estrutural e 
eletrônica a nível atômico.
Introdução >>Cronologia 
• 1985 Robert F. Curl, Jr., Harold W. Kroto and Richard E. Smalley
descobrem os fulerenos (C60) conhecidos como "buckyballs", que 
medem um nanômetro de diâmetro e recebem o Prêmio Nobel de Química 
em 1996.
Introdução >>Cronologia 
• 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 Lehn
publica "Supramolecular 
Chemistry - Scope and
Perspectives, Molecules -
Supermolecules -
Molecular Devices"
Introdução >>Cronologia 
• 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.
Introdução >>Cronologia 
• 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”
Introdução >>Cronologia 
• 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
Introdução >>Cronologia 
• 1999 James M. Tour da Universidade Rice e Mark A. Reed de Yale
demonstram que moléculas individuais podem funcionar como
switches 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
Introdução >>Cronologia 
• 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 Mechanical
Bond” no Nobel Centennial Symposia “Frontiers of Molecular Science“, 
como reconhecimento ao seu trabalho em nanotecnologia.
Introdução >>Cronologia 
• 2004 Prof. Marco Aurélio Pacheco apresenta palestra sobre 
Nanotecnologia na Semana de Eletrônica da UFRJ.
Introdução >>Cronologia 
Multidisciplinaridade 
Biologia
Nanotecnologia
Química Física
Informática MedicinaEngenharias
"I want people who are very deep in their
discipline and can talk to each
other." 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 
Caminhos da Nanotecnologia 
Nano
Molécula
carbono 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.
Caminhos da Nanotecnologia 
Desenvolvimentos atuais em nanotecnologia e 
possíveis aplicações futuras em 4 grandes categorias:
• 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.
Caminhos da Nanotecnologia 
Desenvolvimentos atuais em nanotecnologia e 
possíveis aplicações futuras em 4 grandes categorias:
Nanomateriais
O 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
Caminhos da Nanotecnologia 
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 filmes
finos 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
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
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
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
http://www.weizmann.ac.il/materials/msg/, http://www.apnano.com/, 
http://nanotechweb.org/articles/news/3/8/2/1/MgO2REVISED
Nanomateriais 2D
• Apresentam novas propriedades elétricas e 
mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados
– Nanotubos de Carbono
– Biopolímeros
– Nanotubos inorgânicos
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
Nanotubo de WS2 (Tungstenio e 
enxofre)
- aplicações: lubrificantes sólidos
Nanomateriais 2D
• Apresentam novas propriedades elétricas e 
mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados
– Nanotubos de Carbono
– Biopolímeros
– Nanotubos inorgânicos
– Nanofios
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
Descoberta recente 
(2004)
Controle sobre o 
crescimento dos 
nanofios:
- Nanofio de nitrito de 
gálio em substrato de 
óxido de magnésio
apresenta forma 
hexagonal
Nanomateriais 2D
• Apresentam novas propriedades elétricas e 
mecânicas, por isso vêm sendo muito pesquisados
– Nanotubos de Carbono
– Biopolímeros
– Nanotubos inorgânicos
– Nanofios
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
Descoberta recente 
(2004)
Controle sobre o 
crescimento dos 
nanofios:
- Nanofio de nitrito de 
gálioem substrato de 
óxido de alumínio lítio
apresenta 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
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Nanotubos
• Tipos: Existem 3 tipos possíveis, de acordo com a 
maneira que a folha foi enrolada:
– Zigzag
– Poltrona
– Espiral
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Nanotubos
• Propriedades: dependem dos seguintes fatores:
– Número de camadas concêntricas;
– Maneira que é enrolado;
– Diâmetro.
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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.
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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.
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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 ); 
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Nanotubo atuando num 
Transistor
Nanomateriais 3D
• Nanopartículas
• Fulerenos – C60
• Dendrímeros: 
– Formados por auto-
organização hierárquica
– Moléculas aplicadas em drug
delivery, portando outras 
moléculas
– Limpeza de ambiente através
do aprisionamento de íons
metálicos
• Pontos Quânticos
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http://www.wag.caltech.edu/gallery/gallery_dendrimer.html#gallery
Nanomateriais 3D
• Nanopartículas
• Fulerenos – C60
• Dendrímeros: 
– Formados por auto-
organização hierárquica
– Moléculas aplicadas em drug
delivery, portando outras 
moléculas
– Limpeza de ambiente através
do aprisionamento de íons
metálicos
• Pontos Quânticos
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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
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Pontos Quânticos
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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 discretos
cujo 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.
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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
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Autômatos Celulares com Pontos Quânticos
• 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
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 3D
Curva de resposta
das células
próximas P1 e P2 a 
zero graus Kelvin
(-273,16 C)
• Curva de resposta se torna linear com aumento da 
temperatura
Autômatos Celulares com Pontos Quânticos
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Autômatos Celulares com Pontos Quânticos
• 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
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 3D
Força de repulsão do estado
majoritário define saída
Autômatos Celulares com Pontos Quânticos
• “Majority Logic Gate” é um elemento lógico 
fundamental
• Permite construir: AND OR
1111
1011
1101
0001
1110
0010
0100
0000
C SBA
Tabela Verdade
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 3D
Fazendo:
A=0: B AND C
A=1: B OR C
Autômatos Celulares com Pontos Quânticos
• Porta NOT
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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.
Autômatos Celulares com Pontos Quânticos
• Modelos mais complexos podem ser construídos a partir da porta 
lógica fundamental
Full Adder
S= A plus B plus Ci-1
Ci
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Autômatos Celulares com Pontos Quânticos
• Importante Conceito de propagação do estado: 
• aplicação de entrada, perturba estado do sistema
Circuito com Autômatos 
Celulares com Pontos 
Quânticos
Leitura estável na saída
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 3D
Autômatos Celulares com Pontos Quânticos
• Conceito de propagação do estado: a aplicação de 
entrada, perturba estado do sistema
Circuito com Autômatos 
Celulares com Pontos 
Quânticos
Circuito com Autômatos 
Celulares com Pontos 
Quânticos é perturbado
Aplicação de uma 
nova entrada
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 3DAutômatos Celulares com Pontos Quânticos
• Conceito de propagação do estado: a aplicação de 
entrada, perturba estado do sistema
Circuito com Autômatos 
Celulares com Pontos 
Quânticos
Circuito com Autômatos 
Celulares com Pontos 
Quânticos
Circuito estabiliza
Circuito com Autômatos 
Celulares com Pontos 
Quânticos
Nova leitura
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 3D
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.
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais >> Nanomateriais 3D
• 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
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
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
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
Aplicações de Nanomateriais
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
1. Vidro recebe cobertura que é ativada pela luz UV
2. Cobertura quebra as moléculas orgânicas e reduz a aderência da sujeira inorgânica
3. As partículas de sujeira são carregadas pela chuva
Aplicações de Nanomateriais
• Aplicações atuais
– Sensores
• Língua Eletrônica (http://www.embrapa.br/linhas_acao/temas/equip_soft/lingua.htm)
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
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 de Nanomateriais
• Aplicações Médio Prazo
– Células combustíveis
– Displays
– Baterias
– Aditivos
– Catalisadores
– Tintas / Meio ambiente
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
Aplicações de Nanomateriais
• Aplicações Médio Prazo
– Células combustíveis
– Displays
– Baterias
– Aditivos
– Catalisadores
– Tintas / Meio ambiente
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
• 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
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
. 
•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 de Nanomateriais
• Aplicações longo prazo
– Compostos com nanotubos de carbono
– Lubrificantes
– Materiais magnéticos
– Implantes médicos
– Cerâmica nanocristalina
– Purificação da água
– Trajes militares
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
Aplicações de Nanomateriais
• Aplicações longo prazo
– Compostos com nanotubos de carbono
– Lubrificantes
– Materiais magnéticos
– Implantes médicos
– Cerâmica nanocristalina
– Purificação da água
– Trajes militares
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
Aplicações de Nanomateriais
• 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 externo
alternado, 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).
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
Aplicações de Nanomateriais
• Aplicações longo prazo
– Trajes militares
Caminhos da Nanotecnologia >> Nanomateriais
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.
Aplicações de Nanomateriais
Recebeu US$ 50 milhões para criar o uniforme de batalha do século 21
• Nanomateriais
• Nanometrologia
• Eletrônica, optoeletrônica e computação
• Bionanotecnologia
Caminhos da Nanotecnologia 
Desenvolvimentos atuais em nanotecnologia e 
possíveis aplicações futuras em 4 grandes categorias:
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
• Nanomateriais
• Nanometrologia
• Eletrônica, optoeletrônica e computação
• Bionanotecnologia
Caminhos da Nanotecnologia 
Desenvolvimentos atuais em nanotecnologia e 
possíveis aplicações futuras em 4 grandes categorias:
Eletrônica, optoeletrônica e computação
Cenário
• 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.
Caminhos da Nanotecnologia
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
Caminhos da Nanotecnologia
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
Caminhos da Nanotecnologia
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
Caminhos da Nanotecnologia
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 
0
1
1
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
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
Computação Reversível
• Porta Fredkin (Controlled Swap)
• Lógica: A troca com B, se C=‘1’
• C não é eliminada
F
C
A
B
C
A*
B*
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 1 0
1 0 1
1 1 1
C A B C A* B*
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
Computação Reversível
• Porta Toffoli= inversor com controle duplo
• A=A’ se C1=C2=‘1’
T
C1
C2
A
C1
C2
A’
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 1
1 1 0
C1 C2 A C1 C2 A’
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
Computação Reversível
• 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;
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
Computação Reversível
Layout de gate reversível em silício observado em um microscópio ótico
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
Computação Reversível
gate observado em um SEM (Scanning Electron Microscope)
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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.
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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
Caminhos da Nanotecnologia
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
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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)
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
Detector de
decaimento
aciona 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.
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
• 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%
Computação Quântica
10 βαψ +=
2α
2β
122 =+ βα
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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 da
chave em números primos em computadores quânticos
(ou 8 meses num grid de milhares de PCs)
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
( )1100
2
1 +=ψ
Não é um teleporte real
Esqueça “Jornada nas Estrelas”
Não é possível trafegar informações 
acima da velocidade da luz
Computação Quântica
NMR: Nuclear Magnetic Ressonance que 
controla o spin dos elétrons
Primeiro computador quântico de 7 bits, IBM, 
2001 (tubo ensaio com fulereno), executou
algoritmo de Shor
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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 moléculascomo elementos funcionais em circuitos
• Sensores moleculares
• Nanoeletrônica
Caminhos da Nanotecnologia
• 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
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
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
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
Ex: transistor molecular
Caminhos da Nanotecnologia >> Eletrônica >> Aplicações Futuras 
Nanoeletrônica - Eletrônica Molecular
• Nanomateriais
• Nanometrologia
• Eletrônica, optoeletrônica e computação
• Bionanotecnologia
Caminhos da Nanotecnologia 
Desenvolvimentos atuais em nanotecnologia e 
possíveis aplicações futuras em 4 grandes categorias:
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)
Caminhos da Nanotecnologia
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)
Caminhos da Nanotecnologia
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
Caminhos da Nanotecnologia
Bionanotecnologia e Nanomedicina
– Lab-on-a-chip technologies: 
análises feitas em um chip
Caminhos da Nanotecnologia
NASA researchers customize 
"lab-on-a-chip" technology to 
help protect future space
explorers and detect life
forms on Mars
http://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
Caminhos da Nanotecnologia
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.
Nanotecnologia Computacional
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. 
Nanotecnologia Computacional
O Que é Evolvable Hardware?
Área queinvestiga 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”
Nanotecnologia Computacional
Processo de Síntese Evolucionária
avaliação 
Sistema 
Evolucionário
Simulador 
componentes componentes 
objetivos objetivos 
estruturaestrutura
HardwareHardware
SintetizadoSintetizado
Nanotecnologia Computacional
Algoritmos Algoritmos 
GenéticosGenéticos
Nanotecnologia Computacional
Conceitos BásicosConceitos BásicosConceitos Básicos
ÎAlgoritmo de busca/otimizaçãobusca/otimização
inspirado na seleção naturalseleção natural e 
reprodução genéticagenética.
Nanotecnologia Computacional
Conceitos BásicosConceitos BásicosConceitos Básicos
ÎAlgoritmo de busca/otimização
inspirado na seleção natural e 
reprodução genética.
ÎCombina sobrevivência do mais aptosobrevivência do mais apto e 
cruzamentocruzamento aleatório de informação
Nanotecnologia Computacional
• 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
Nanotecnologia Computacional
Cromossoma Palavra Aptidão
A 100100 1296
B 010010 324
C 010110 484
D 000001 1
f( )
Pais
ReproduçãoFilhos
Avaliação
dos Filhos
Crossover
Mutação
Ciclo do Algoritmo GenéticoCiclo do Algoritmo Genético
Nanotecnologia Computacional
Cromossoma Palavra Aptidão
A 100100 1296
B 010010 324
C 010110 484
D 000001 1
f( )
Pais
ReproduçãoFilhos
Avaliação
dos Filhos
Ciclo do Algoritmo GenéticoCiclo do Algoritmo Genético
Evolução
Nanotecnologia Computacional
Evolução dos Indivíduos
Melhor Indivíduo
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
1 7
1
3
1
9
2
5
3
1
3
7
4
3
4
9
Gerações
f
(
t
)
Evolução Evolução ÎÎ
Nanotecnologia Computacional
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 atacando
uma célula
Rotas de exposição aos nanomateriais
Impactos 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 da Nanotecnologia >> Saúde Humana 
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 detalhados
possam identificar os reais danos dessas partículas.
Impactos da Nanotecnologia >> Saúde Humana 
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 da Nanotecnologia >> Saúde Humana 
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 Brasil
Em 2002:
ƒ Proposta do Relatório Tundisi: criação de um Instituto 
Virtual
ƒ Ação do CNPq: Quatro redes de nanotecnologia
ƒ Editais Ciência e Tecnologia na área de Nano
ƒ Ação do PADCT: 3 Institutos do Milênio em Nano (em um 
total de 15)
ƒ Proposta de criação de um Centro de Referência
ƒ Indicadores: mais de 300 doutores, 1000 artigos publicados 
e vinte patentes em 2002.
ƒ Rápido crescimento, pesquisas e projetos em empresas.
ƒ Mobilização dos pesquisadores em torno da nanotecnologia
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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.
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• 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 Brasil
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Previsão
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Considerando investimentos de R$ 60 milhões por ano
Investimentos Reais 2003
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Estimativas do Grupo de Trabalho
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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 da
Eletrônica 2004, www.ica.ele.puc-rio.br
– Biblioteca com coletânea de publicações em
Nanotecnologia, www.ica.ele.puc-rio.br, em breve…
FIM