Introducao a nanociencia

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Imagens nanoscópicas
Cristiano Fantini
Departamento de Física, UFMG
 Introdução à Nanociência
....artificial
Circuito 
integrado
 1 cm2
 
Interconexões em circuitos integrados
 1 mm
 
Nanotubos de Carbono
 2 nm
Átomos em uma suprfície
 0,2-0,5mm
Formiga: 10.000.000 nm
Ácaro: 200.000 nm
Fio de cabelo:
 
 50.000 nm
Glóbulo Vermelho
 2.000 nm 
 DNA
 2-12 nm
Átomos de Si
0,2 nm
Luz visível: 700-400 nm
Nano  anão
Nano  1 bilionésimo
1 nm = 10-9 m
1 ns = 10-9 s
Nanomateriais
Materiais que possuem graus estruturais da ordem de 1nm e que tenha propriedades físicas relacionadas a essa baixa dimensionalidade.
Nanociência e Nanotecnologia
O estudo do controle, manipulação e fenômenos da matéria em escala nanométrica, cujas propriedades diferem das observadas em maior escala. 
Tecnologia desenvolvida a partir de nanomateriais
	1959: Richard Feynman postula que um dia será possível manipular a matéria na escala atômica.
	1981: Binnig e Rohrer – desenvolvimento do microscópio de varredura e primeira observação de átomos individuais .
	1989: Escrita da palavra “IBM” com 35 átomos de xenônio. 
	1991: Iijima – síntese de nanotubos de carbono. 
	1998: Transistor baseado em nanotubos de carbono.
	2004: Descoberta do Grafeno (Prêmio Nobel de Física 2010)
Quando foi o início da era Nano?
"Os princípios da física, pelo que eu posso perceber, não falam contra a possibilidade de manipular as coisas átomo por átomo. Não seria uma violação da lei; é algo que, teoricamente, pode ser feito mas que, na prática, nunca foi levado a cabo porque somos grandes demais" - Richard Feynman.
O primeiro motor minúsculo do mundo
Richard Feynman olhando o micromotor construído por William McLellan (esquerda) que venceu o desafio para construir o primeiro motor menor que 1/64 de uma polegada. A fotografia do motor em um microscópio óptico (direita).
Microscópio de varredura por sonda (SPM)
Oxidação elétrica de um metal pela ponta do microscópio 
DF-UFMG
1989: Escrita da palavra “IBM” com 35 	 átomos de xenônio
Todo o conteúdo de uma enciclopédia cabe na cabeça de um alfinete
Escrevendo com um microscópio de varredura
Microscópio Eletrônico
Limite de resolução dado pelo comprimento de onda do feixe de elétrons 
(Comprimento de onda de de Broglie)
Feixes de Nanotubos de Carbono
Alteração das propriedades dos materiais com a diminuição de seu tamanho (ópticas, elétricas, mecânicas, magnéticas, térmicas, físico-químicas, etc.)
Física dos nanomateriais
	 Confinamento quântico
	 Aumento da área específica
 (Área/Volume)
Confinamento quântico
O confinamento quântico leva à quantização dos vetores de onda dos elétrons e consequentemente a modificações na estrutura eletrônica dos materiais.
Condições de contorno nas funções de onda dos elétrons semelhantes a ondas em cordas.
Cubo com 1.000 átomos (10 átomos em cada lado)
	 488 (quase metade) dos átomos estão na 	 superfície 
Cubo com 1021 átomos (107 átomos por lado)
	0.00006 % dos átomos estão na superfície 
Aumento da área específica
	 Alterações nas estruturas cristalina e eletrônica.
	 Modificação das propriedades físicas (magnéticas, ópticas, eletrônicas, mecânicas, térmicas).
	 Aumento da interação do material com a vizinhança.
Curral Quântico: A natureza ondulatória dos elétrons se torna visível em um microscópio de tunelamento. Os elétrons estão confinados em um anel de 48 átomos de ferro em uma superfície de cobre. 
Claro exemplo de Confinamento quântico!
Confinamento de eletrons em pontos quânticos: a côr depende do tamanho das partículas semicondutoras
Nanociência: Conclusões
	 Estudo de novas propriedades de materiais na escala nanoscópica (propriedades elétricas, magnéticas, óticas, mecânicas, etc.)
	Confinamento quântico e aumento da área específica resultam em modificações das propriedades físicas de nanomateriais.
	O controle das propriedades físicas em escala nanométrica leva ao desenvolvimento de novos dispositivos que façam uso das propriedades que ocorrem na escala nanométrica.
p
h
=
l