ABORDAGENS EM NANOCIENCIA E NANOTECNOLOGIA PARA O

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ABORDAGENS EM NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA PARA O ENSINO MÉDIO
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Ivana Zanella da Silva
Centro Universitário Franciscano (Unifra)
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Solange Binotto Fagan
Centro Universitário Franciscano (Unifra)
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Vanilde Bisognin
Centro Universitário Franciscano (Unifra)
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ABORDAGENS EM NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA 
PARA O ENSINO MÉDIO 
 
 
Ivana Zanella1, Solange B. Fagan1, Vanilde Bisognin 1, 
Eleni Bisognin1 
 
1Área de Ciências Naturais e Tecnológicas, Centro Universitário Franciscano, 97010-032 
Santa Maria, RS, Brasil. (ivanazanella@unifra.com.br) , (sfagan@unifra.br) ,(vanilde@unifra.com.br), 
(eleni@unifra.com.br) 
 
Resumo 
A nanociência e nanotecnologia, ai quais baseiam-se na manipulação da matéria 
em escala nanométrica, estão emergindo como áreas de grande destaque para o 
desenvolvimento científico e tecnológico em um futuro próximo. Estas áreas são definidas 
como multi ou transdisciplinares por natureza. Portanto, a nanociência pode ser um ótimo 
exercício de inter- e multidisciplinaridade no ensino. Várias áreas seguem como básicas 
para as nanociências, dentre elas podemos citar a física, principalmente a física quântica, a 
química de estruturas moléculas, cristalinas ou amorfas. Várias áreas do conhecimento 
convergem quando manipulamos a nanoescala, tendo como conseqüência novos produtos e 
novas implicações na vida humana. Esta multidisciplinaridade enriquece o conhecimento 
nas áreas, mas também coloca um grande paradigma para a área de educação: Como 
trabalhar temas com esta complexidade em diferentes ramos da sociedade, desde o ensino 
fundamental até a sociedade em geral? Desta forma, apresentamos neste artigo a relação 
entre as escalas macroscópica, microscópica e nanometrica. Uma síntese das principais 
potencialidades da escala nanometrica, assim como, duas atividades, as quais envolvem a 
transição da escala macroscópica e microscópica para escala namometrica. Essas 
atividades simples, que ilustram as potencialidades da escala nano, podem ser utilizadas 
com alunos ensino fundamental, médio ou iniciantes nesta fascinante área. Uma das 
principais vantagens do uso tecnológico de materiais na escala nano, deve se ao grande 
aumento de área superficial quando convergimos de uma escala macro para a nano. Esta é 
uma propriedade de grande interesse já que boa parte das aplicações depende do aumento 
da área de contato das partículas consideradas. Este fato é demonstrado, neste trabalho, a 
partir de uma abordagem simplificada de macroestruturas cúbicas e esféricas atingindo suas 
respectivas nanoestruturas, com um aumento substancial na área superficial das estruturas. 
 
Palavras-chave: nanociências, escalas, ensino/aprendizagem 
 
Introdução 
 
A ciência busca constantemente solucionar problemas científicos que 
aliados a novas tecnologias podem modificar drasticamente a vida das pessoas, do 
ponto de vista social, econômico e cultural. Desde o final do século XX uma nova 
perspectiva tecnológica tem sido avaliada, a qual se baseia na manipulação da 
matéria em escala nanométrica, a chamada “nanotecnologia” (TOMA, 2004). 
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Desta forma, podemos definir nanotecnologia como a manipulação de 
estruturas atômicas e moleculares, em escala industrial, que estão presentes em 
uma escala que corresponde a um bilionésimo de metro (10-9m), denominada 
“nano”. Paralelamente, a ciência que envolve o conhecimento das propriedades e 
potencialidades nessa escala nano é denominada “nanociência” (TOMA, 2004) 
A nanotecnologia promete revolucionar a forma como vivemos, nos 
comunicamos e como trabalhamos. Pesquisadores atuantes na área vêem na 
nanotecnologia o potencial para que doenças incuráveis sejam tratadas, materiais 
com propriedades excepcionais nunca observados sejam obtidos, gerando 
perspectivas de grandes mudanças sociais e econômicas (ETC, 2005). Países 
desenvolvidos e em desenvolvimento, como no caso do Brasil, acolhem a 
nanotecnologia como área prioritária e estratégica para a pesquisa e o 
desenvolvimento científico e tecnológico da nação (BRASIL,2008). 
Portanto, é essencial que alunos e professores do ensino básico conheçam 
o que é, a potencialidade e os efeitos da nanociência e da nanotecnologia, visto que 
estas áreas prometem fazer uma nova revolução tecnológica. Diversos países já 
possuem disciplinas que abordam temas específicos de nanociência e 
nanotecnologia, desde o ensino infantil até o ensino médio (COLLEGE, 2008; 
INITIATIVE, 2008) desta forma, retratando a importância de levar essas informações 
na formação do cidadão conhecedor e crítico. 
As orientações curriculares para as áreas de ciências da natureza do 
Ministério da Educação (PCNs, 2008),designam que é essencial a formação 
científica e cultural do cidadão de forma a superar obstáculos que surgem devido as 
novas tendências científicas e tecnológicas. Cita-se que: 
 
(…) A crescente presença da ciência e da tecnologia nas 
atividades produtivas e nas relações sociais, por exemplo, que, como 
conseqüência, estabelece um ciclo permanente de mudanças, provocando 
rupturas rápidas, precisa ser considerada. Comparados com as mudanças 
significativas observadas nos séculos passados – como a máquina a vapor 
ou o motor a explosão –, cuja difusão se dava de modo lento e por um largo 
período de tempo, os avanços do conhecimento que se observam neste 
século criam possibilidades de intervenção em áreas inexploradas (…) 
(PCNs, 2008). 
 
Portanto, a partir da exploração da nanoescala, neste trabalho, buscamos 
mostrar o que é, o potencial e as implicações da nanociência e nanotecnologia, 
fazendo uma abordagem sobre a relação entre escalas macro, micro e nano. 
 
Macroscópico, Microscópico E O Limite Nanométrico 
 
Inicialmente definiremos as principais características das dimensões macro, 
micro e nano. O termo macroscópico é geralmente utilizado na descrição de objetos 
físicos que podem ser mensurados e observados a olho nu. De forma geral, 
podemos avaliar como macroscópicas as escalas de comprimento que variam de 1 
mm até 1 km. Na física, a macroscopia pode ser uma peculiaridade aplicada 
relativamente a quem está na condição de observador. 
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Por outro lado, a percepção microscópicapode demonstrar características 
mais gerais da composição do material em uma escala de comprimento que varia de 
1 mm a alguns mm (1 mícron corresponde a 10-6 m). Um dos exemplos típicos são 
as células sanguíneas, como as hemáceas que constituem o sangue e que estão em 
uma escala de alguns mícrons. 
Já a nanoescala vai além, nesta dimensão denotamos a composição 
atômica e molecular de qualquer material presente na natureza. Nesta escala 
estamos tratando de sistemas com dimensões de alguns nanometros (10-9m) a 
alguns Ângstrons (10-10 m). 
 
 
Figura 1: Esquema relacionando as escalas macro -, micro- e nanométrica, com seus 
respectivos exemplos. 
 
A Figura 1 apresenta um esquema relacionando as escalas macro-, micro - e 
nanométrica com exemplos específicos e reais. Podemos citar na escala 
nanométrica moléculas como o fulereno (KROTO et al., 1985), a qual é uma 
molécula orgânica que tem sido alvo de muitas pesquisas para aplicações 
nanotecnológicas e a porfirina que é uma molécula também presente na 
hemoglobina e é responsável pelo transporte dos gases no sangue. Por outro lado, 
na escala microscópica podemos citar as células vivas presentes no nosso 
organismo, como por exemplo, as hemáceas, como mostra a Figura 1. 
Quando estamos interessados em manipular, de alguma forma, a matéria 
em uma escala nanométrica temos, como conseqüência, a nanociência e a 
nanotecnologia, as quais buscam, respectivamente, explorar o potencial científico e 
tecnológico nessa nova dimensão. O prefixo nano foi popularizado a partir dos anos 
80, a partir de especulações com bases científicas contidas no livro "Engines of 
Creation" (Motores da Criação) de Eric Drexler (DREXLER, 1986), o qual baseia-se 
em uma tecnologia molecular, onde seria possível a construção átomo a átomo de 
dispositivos inovadores para o ser humano. 
Podemos obter materiais para serem aplicados na nanotecnologia, os 
denominados nanomateriais, a partir de duas abordagens: (i) de baixo para cima, do 
inglês bottom-up, que trata da agregação de átomos e moléculas de forma auto-
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organizada, ou seja, desenha-se estruturas moleculares de acordo com a 
necessidade de aplicação científica ou tecnológica e (ii) de cima para baixo, do 
inglês up-bottom, que retrata a obtenção de nanomateriais por meio da redução do 
tamanho das estruturas macro - ou microscópicas (POOLE, 2003). Na próxima seção 
usaremos alguns exemplos no qual trataremos, especificamente, da obtenção de 
nanoestruturas na abordagem de cima para baixo. 
Podemos destacar que a grande aplicabilidade da nanotecnologia é devido a 
sua relação multidisciplinar. Várias áreas do conhecimento convergem quando 
manipulamos a nanoescala, tendo como conseqüência novos produtos e novas 
implicações na vida humana. 
 
 
 
Figura 2: Esquema relacionando a nanotecnologia com diferentes áreas do conhecimento. 
 
A Figura 2 mostra a convergência de algumas áreas do conhecimento em 
torno da nanociência e nanotecnologia. As áreas de química, física e biologia estão 
engajadas na pesquisa de novas nanoestruturas, sua manipulação, bem como seu 
potencial biológico. Já as engenharias buscam o aproveitamento destes 
nanomateriais em aplicações tecnológicas específicas, baseadas nas suas 
propriedades físico-químicas excepcionais. A computação e a matemática buscam 
criar modelos virtuais abrindo a possibilidade de síntese ou novas aplicações de 
nanomateriais. Uma das áreas de conhecimento promissoras relacionadas com a 
nanotecnologia é a área de ciências da saúde, onde se busca o uso de 
nanomateriais com potencial biológico para o tratamento e diagnóstico de doenças, 
bem como na aplicação cosmética. Paralelamente, com o surgimento dos primeiros 
produtos da nanotecnologia, inicia-se a discussão em torno do seu impacto 
ambiental (efeito das nanoestruturas sintéticas), de legislação e ética com o uso da 
nanotecnologia e sua implicação social e humana, e do ponto de vista econômico, 
relacionado ao domínio da nanotecnologia (TOMA, 2004; ETC, 2005). 
 
 
 
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Partindo De Macro, Micro E Chegando A Nanoestruturas 
 
A obtenção de nanoestruturas tem se tornado um ponto essencial para o 
desenvolvimento efetivo da nanociência e da nanotecnologia. Conforme destacamos 
anteriormente, existem duas abordagens que podem ser tratadas neste sentido. 
Podemos obter nanoestruturas a partir de técnicas de baixo para cima (bottom-up) 
ou de cima para baixo (up-bottom). Neste trabalho, para tornar mais evidente o 
potencial da nanoescala avaliaremos a obtenção de sistemas nanoestruturados em 
diferentes dimensões a partir de um sistema macro - ou microscópico. 
Considere inicialmente o caso de um cubo de aresta L, onde L é dado em 
centímetros, conforme mostra a Figura 3. Neste caso o cubo representa um sistema 
macroscópico em três dimensões (3D), já que ocupa as três coordenadas (x, y, z). 
Se agora, a pa rtir deste cubo, selecionarmos somente uma face, classificamos esta 
como uma estrutura bidimensional (2D), já que ocupa um plano de coordenadas 
(x,y). Da mesma forma, elegendo uma aresta deste cubo, a qual tem uma única 
dimensão definida (y), temos uma estrutura unidimensional (1D). Por outro lado, se 
escolhemos um único ponto estamos nos referindo a estruturas sem dimensão (0D). 
O limite da dimensionalidade em um, dois ou três eixos abre diversas possibilidades 
de engenharia de novas estruturas. 
 
 
Figura 3 : Esquema relacionando as diferentes dimensões em um cubo, de 3 a 0D. 
 
O exemplo citado para obtenção de estruturas de diferentes dimensões, a 
partir de um cubo, é claramente observado em alguns compostos na natureza ou 
estruturas sintetizadas. O carbono é um dos elementos químicos mais versáteis já 
conhecidos na natureza, o qual forma estruturas identificadas de 3 a 0D. A Figura 4 
mostra alguns dos compostos formados a partir de carbono puro, os quais podem 
ser classificados em: 
- 3D, no caso da estrutura tipo diamante (transparente) e do grafite (do nosso 
lápis); 
- 2D, no caso da nanoestrutura do grafeno, que é um plano macroscópico em 
duas dimensões e nanoscópico em uma, ou seja, a largura de uma camada 
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de grafeno é de nanometros (espessura atômica), tamanho este que é 
desprezível comparado com o tamanho dos outros dois eixos; 
- 1D, no caso dos nanotubos de carbono, onde o comprimento pode chegar a 
alguns centímetros mas o diâmetro desta estrutura tubular é da ordem de 
alguns nanometros; 
- 0D, no caso dos fulerenos, que são estruturas esféricas formadas por alguns 
átomos de carbono, os quais possuem diâmetro de dimensão nanométrica, o 
que pode ser considerado como uma estrutura pontual quando comparados 
com macroestruturas, por isso denominados de zero dimensional. 
 
Figura 4: Diferentes dimensões observadas em estruturas de carbono de 3 a 0D. 
 
 
Efeito De Área Superficial Em Nanoestruturas 
 
Uma das grandes potencialidades dos nanomateriais está associada ao 
aumento, de forma acentuada, da área superficial da estrutura quando reduzimos o 
tamanho desta, ouseja, quando passamos de uma escala macro - ou micro- para a 
nanoescala. Este fato faz com que estas nanoestruturas tenham uma grande 
expectativa de aplicação em termos de sensores de moléculas de interesse químico 
(remoção de gases tóxicos, transporte de medicamentos no organismo, etc) ou 
biológicos (interação com proteínas, detectores de vírus, aminoácidos, etc.) (SOUZA 
FILHO, 2007). Ou seja, com uma quantidade reduzida de material base 
(nanoestruturas) podemos aumentar gradativamente a interação com as estruturas 
de interesse. 
Desta forma, podemos conhecer o domínio dos efeitos de superfície na 
escala nano usando, como exemplo, um cubo e uma esfera de dimensão 3D 
atingindo a dimensão 0D, como descrito a seguir. 
Considere um cubo maciço de 1 cm de aresta (L). Dividindo este em N 
cubos idênticos até atingir uma escala da ordem de nanometros, como mostra a 
Tabela 1, podemos avaliar a variação da área superficial, considerando o volume 
total e a massa constante. 
 
 
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Tabela 1: Número, aresta, área superficial e escala dos cubos partindo da escala 
macroscópica até a escala nanométrica. 
Número cubos Aresta do cubo Área 
Superficial 
Escala 
1 1cm 6 cm2 macro 
1.000 = 10 3 0,1cm 60 cm2 macro 
1.000.000 = 10 6 0,01cm 600 cm2 macro 
1.000.000.000 = 10 9 0,001cm = 10 mm 6.000 cm2 micro 
1.000.000.000.000 = 1012 0,0001cm = 1 mm 60.000 cm2 micro 
1.000.000.000.000.000 = 1015 0,00001cm = 100 nm 600.000 cm2 nano 
1.000.000.000.000.000.000 = 1018 0,000001 cm = 10 nm 6.000.000 cm2 nano 
1.000.000.000.000.000.000.000 =1021 0,0000001 cm = 1nm 60.000.000 cm2 nano 
 
 
O volume (VC) e a área superficial (SC) do cubo são dados por VC= L3 e SC = 
6L2, respectivamente (Figura 5). Portanto, a razão entre o volume e a área 
superficial neste caso será dada por: 
SC/VC = 6/L. (1) 
 
Como estamos considerando o volume do cubo constante, então a variação 
da área superficial é inversamente proporcional a aresta do cubo formado. A partir 
da Tabela 1, a qual relaciona o número de cubos com as suas respectivas arestas e 
áreas superficiais, observamos o aumento substancial da área superficial com a 
redução da escala, conforme preconiza a equação (1). Considerando um átomo em 
cada face do cubo e que cada um destes átomos tenha a capacidade de detectar 
uma molécula (exemplo de um sensor químico ou biológico), então em um cubo de 
1cm 3 (escala macro) teremos somente 6 partículas absorvidas (detectadas). Mas, se 
dividirmos este cubo em 1021 cubos idênticos com aresta de 1nm (volume de 1nm3) 
teremos, para o mesmo volume total (1cm3), 6 x 1021 partículas detectadas. 
 
 
Figura 5: Esquema ilustrativo de um cubo de lado L e de uma esfera de raio R. 
 
 
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A variação da área superficial com o tamanho das partículas também pode 
ser relacionada com outras estruturas geométricas, como as esféricas. Seja uma 
esfera maciça de ouro de raio (R) 2,31 cm, com massa de 1 kg e densidade de 19,3 
g/cm3, sendo que o volume e a área superficial da esfera são dados por VE=4pR3/3 e 
SE= 4pR2, respectivamente. A razão entre a área superficial e o volume da esfera é 
dado por: 
SE/VE = 3/R. (2) 
 
Tabela 2 : Número, raio, área superficial e escala das esferas começando em uma da escala 
macroscópica até a escala nanométrica. 
Número de esferas Raio da esfera Área Superficial Escala 
1 = 100 2,31 cm 6,7012 x 10 -3 m2 macro 
10 = 10 1 0,00231m = 2,31 mm 6,7012 x 10 -2 m2 macro 
100 = 102 0,000231 m = 231 mm 6,7012 x 10 -1 m2 micro 
1.000 = 103 0,0000231 m = 23,1mm 6,7012 m2 micro 
10.000 = 10 4 0,00000231 m = 2,31 mm 6,7012 x 101 m2 micro 
100.000 = 10 5 0,000000231 m = 231 nm 6,7012 x 102 m2 nano 
1.000.000 = 106 0,0000000231 m = 23,1 nm 6,7012 x 103 m2 nano 
10.000.000 = 107 0,00000000231 m = 2,31 nm 6,7012 x 104 m2 nano 
100.000.000 = 108 0,000000000231 m = 0,231 nm 6,7012 x 105 m2 nano 
 
Como a densidade e a massa da esfera de ouro são constantes, 
conseqüentemente o volume também o será e a variação da área superficial será 
inversamente proporcional ao raio da esfera. A Tabela 2 mostra esta relação onde a 
esfera inicial é dividida em N esferas idênticas até os raios atingirem uma escala 
nanométrica. 
Levando em conta o alto custo do ouro (aproximadamente R$ 50,00 o 
grama) neste caso temos que com uma quantidade reduzida da amostra, o que é 
economicamente vantajoso, o mesmo rendimento. Além do fato que esses 
nanomateriais podem ser utilizados para a construção de dispositivos menores, 
aumentando também a gama de aplicabilidade. 
 
Conclusões 
Através de uma abordagem simples apresentamos algumas potencialidades 
da nanociência e da nanotecnologia. Uma propriedade de grande interesse 
tecnológico, oriunda da nanotecnologia, é o aumento de área superficial quando 
convergimos de uma escala macroscópica ou microscópica para a escala 
nanometrica. Nesta linha, sugerimos duas atividades, através das quais podemos 
partir de uma escala macroscópica atingirmos o limite nanométrico, ou seja, de 
macroestruturas cúbicas e esféricas para nanoestruturas cúbicas e esféricas com 
um grande aumento na área superficial das estruturas. As duas atividades 
apresentadas podem ser aplicadas tanto para alunos do ensino médio, assim como 
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para alunos do ensino básico, visto que não envolvem conceitos e nem álgebra 
sofisticados. 
 
 
Referências 
 
BRASIL. Ministério da Ciência e Tecnologia - MCT, disponível em 
http://www.mct.gov.br, 2008. 
COLLEGE, St Helena Secondary , Disponível em http://www.sthelena.vic.edu.au/. 
DREXLER, E. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, Anchor 
Books, New York, 1986. 
ETC, Grupo. Nanotecnologia - os Riscos da Tecnologia do Futuro, L & PM, Porto 
Alegre, 2005. 
INITIATIVE, National Nanotechnology, disponível em 
http://www.nano.gov/html/edu/home_edu.html, 2008 
 KROTO, H. W; HEATH, J. R.;OBRIEN, S. C.; CURL, R. F.; SMALLEY, R. E. Nature, 
318, 162,1985. 
PCNs, Orientações Curriculares para o Ensino Médio. MEC. Disponível em 
http://www.mec.gov.br/s eb, 2008. 
POOLE, C. P.; OWENS, F. J. Introduction to Nanotecnology Willey Int., Hoboken, 
2003. 
SOUZA FILHO, A. G.; FAGAN, S. B. Química Nova, 30, 1695, 2007. 
TOMA, E. H. O Mundo Nanométrico: a dimensão do novo século, Oficina de Textos, 
São Paulo, 2004. 
 
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