Nanotecnologia um estudo sobre seu histórico

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Nanotecnologia: um estudo sobre seu
histórico, definição e principais
aplicações desta inovadora
tecnologia
Luiz Paulo Cadioli
Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais - USP
Coordenador dos cursos de Engenharia Mecânica e Engenharia de Controle e
Automação e Diretor da Faculdade Politécnica de Matão
e-mail: luiz.cadioli@unianhanguera.edu.br
Luzia Dizulina Salla
Aluna do Curso Superior de Tecnologia em Produção
ênfase-Industrial FATEC - Faculdade de Tecnologia - Centro Paula Souza
e-mail: luziasalla@yahoo.com.br
Resumo
A nanotecnologia vem revolucionando o mundo
da ciência e tecnologia, trazendo grandes expectativas
para o desenvolvimento de países e indústrias. O ponto
inicial da nanotecnologia foi à palestra proferida por
Richard Feynman em 1959, onde o mesmo propôs a
manipulação de átomos e que o homem não necessitava
meramente de aceitar os materiais da forma que a
natureza provê, desde que as leis da natureza não sejam
afetadas. A partir deste momento uma revolução vem
acontecendo na ciência e na engenharia, por se tratar na
habilidade de manipular átomos, compreendida por uma
escala de 10-9 m, visando criar uma nova organização
estrutural, capaz de apresentar comportamentos e
propriedades diferentes dos materiais atualmente
conhecidos. Por se tratar de tecnologia multidisciplinar,
que consiste na área da física, química, biologia e
medicina, o campo de aplicação da nanotecnologia é
vasto, porém os grandes destaques estão na
nanoeletrônica, nanobiotecnologia e nanomateriais.
Palavras-chave: nanotecnologia, átomos,
nanoeletrônica, nanobiotecnologia, nanomateriais.
Abstract
The nanotechnology come be revolution the world
of science and technology, bringing big expectation to
the development of countries and industrials. The initial
point of the nanotechnology went to lecture uttered by
Richard Feynman in 1959, where the same proposed
the manipulation of the atoms and that the man did‘t need
merely to accept the materials in the way that the nature
provides, since the laws of the nature are not affected.
Now one revolution come happening the science and
engineering for be treat ability for mix atoms, understand
scale of 10-9 m, view generate on new structural
organization, able to present comportments and
proprieties from materials nowadays know. For be treat
technology multidisciplinary with consisting physics,
chemistry, biologic and medicine space, the field of
application of the nanotechnology is vast even so the great
prominences are in the nanoeletronics, nanobiotechnology
and materials.
Key-words: Nanotechnology, atoms,
nanoelectronics, nanobiotectechnology, nanomaterials.
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Introdução
No decorrer de sua existência o homem, provou
e continua provando até os dias de hoje que a mudança
é essencial para a sobrevivência. Mudar está ligado ao
processo de inovar.
As transformações no decorrer do tempo
tomaram ritmo intenso e acelerado, com abrangência
mundial. Com a crescente transformação do mundo
contemporâneo, as organizações passam a serem
obrigadas a reestruturar as suas ações e seu
posicionamento competitivo, para se manterem no
mercado, afinal fica claro que o mundo não é o mesmo
de alguns anos atrás.
Um cenário composto por globalização de
mercados, formações de blocos econômicos em diversas
regiões do planeta, além dos avanços tecnológicos
demonstram que estamos inseridos num cenário de alta
mutação, e é neste cenário que a nanotecnologia
encontra-se inserida. Uma tecnologia capaz de parecer
ficção, quando a princípio em 1959 Feynman, proferiu
visionárias palavras, induzindo a concepção que o homem
poderia manipular os átomos e conseqüentemente criar
novas estruturas a fim de obter novos materiais. Hoje a
nanotecnologia apresenta-se como das áreas mais
atraentes e promissoras para o desenvolvimento
tecnológico. A união das varias ciências, torna-a uma
ciência complexa, diferenciada das demais. Suas
aplicações abrangem os mais distintos campos.
O objetivo deste artigo é abordar o aspecto
inovador da nanotecnologia, seu histórico, a definição,
a diferenciação de nanotecnologia e nanociência, uma
ciência interdisciplinar e multidisciplinar, e aplicações
desta inovadora tecnologia.
Histórico
Em dezembro de 1959, em uma palestra no
Instituto de Tecnologia da Califórnia, intitulada como “Há
muito espaço lá embaixo”, hoje tomada como ponto
inicial da nanotecnologia, o então físico Richard
Feynman, proferiu visionárias palavras a seus colegas
da Sociedade Americana de Física. Foram usadas
aproximadamente sete mil palavras para traduzir idéias
que, no princípio pareciam ficção. Porem ninguém era
capaz de imaginar que estas palavras seriam capazes de
alterar profundamente a imagem do mundo.
As palavras de Feynman (1959), apud.
Fargan (2005) foram:
 Não tenho receio em considerar como questão
final se, por fim um futuro distante, nos pudermos
arranjar os átomos da maneira que quisermos
(...). O que aconteceria se pudéssemos arranjar
os átomos um por um, do jeito que quiséssemos?
Feynman (1959), apud. Da Silva (2005) foi além,
proferindo os seguintes dizeres:
Os princípios da física, pelo que eu posso
perceber, não falam contra a possibilidade de
manipular as coisas átomos por átomos. 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.
Feynman ainda propôs, no decorrer desta
palestra colocar os vinte quatro volumes da Enciclopédia
Britânica na cabeça de um alfinete, causando grande
repercussão entre os presentes. Para ele, o mundo não
era lugar para pequenas idéias, mas sim para grandes
idéias, acreditando que assim como o homem aprendeu
a manipular o barro, utilizando este como elemento
essencial na fabricação de tijolos, e com esses construir
casas, o homem também é capaz de manipular
diretamente os átomos e a partir desta manipulação
construir novos materiais que não ocorrem de forma
natural.
A idéia transmitida, é que manipular átomos e
conseqüentemente produzir novos materiais, é apenas
questão de conhecimento e disponibilidade de tecnologia
para tornar realidade. O homem não precisa aceitar os
materiais que a natureza fornece como os únicos e
possíveis no universo, desde que as leis da natureza não
sejam violadas.
Hoje o físico Richard Feynman, é considerado o
“Pai da Nanotecnologia”, devido a sua ampla visão
futurística, apresentada em 1959, sobre a capacidade
de manipulação dos átomos, atualmente realidade.
A figura 2.1 mostra Richard Feynman,
considerado como pai da nanotecnologia.
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Em 1974, o professor Norio Taniguchi, da
Universidade de Ciência de Tóquio cria a palavra
“nanotecnologia”, designando-a como o conjunto de
estudos e aplicações referentes aos objetos e processos
na escala de nanômetro.
Gerd Binning e Heinrich Roherer no ano de
1981, no laboratório da IBM em Zurique, na Suíça, cria
um aparelho com capacidade de enxergar átomos, ou
seja, o microscópio de varredura por tunelamento
(STM). Este microscópio se caracteriza por uma
minúscula ponta feita de material condutor que percorre
ou varre toda a superfície a ser analisada, a ponta e o
substrato onde se deposita a amostra ficam ligados por
um circuito. Aplica-se então uma tensão elétrica no
circuito e abaixa a ponta do microscópio até quase
encostar na amostra, a distância entre a ponta e a amostra
é de apenas alguns nanômetros. Se os elétrons, que
apenas deveriam passar da amostra para a ponta, se as
duas estivessem encostadas pulariam pelo ar, tunelando
e conseqüentemente fechando o circuito entre a ponta e
a amostra, criando uma corrente com voltagem
infinitamente pequena, da ordem de alguns nanoampéres.
Com o microscópio de varredura por tunelamento,
passou a se enxergar átomos, nunca vistos ou imaginados
anteriormente, além de conseguir manipulá-los.
O microscópio de varredura por tunelamento,
valeu a seus inventores em 1986, o Prêmio Nobel da
Física.
No ano de 1986,Eric Drexler, o primeiro
cientista a doutorar-se em nanotecnologia, populariza o
conceito de nanotecnologia, através de seu livro“Engines
of Creation”. Apesar deste livro possuir uma visão de
ficção científica, o mesmo é baseado num trabalho sério
desenvolvido pelo cientista.
A nanotecnologia que Drexler, propõe é a
nanotecnologia que é considerada a nanotecnologia
molecular, que pressupõe a construção de átomo a
átomo. O ápice da nanotecnologia para Drexler, é o
Montador Universal, que é um dispositivo capaz de acatar
instruções do programador, construindo átomo a átomo
qualquer máquina imaginada pela mente humana.
Em seu livro, Drexler mencionava a construção
de um assemblador molecular, que seria uma espécie de
máquina minúscula que primeiro manipularia os átomos
de forma a construir outra máquina idêntica a si própria
e depois se replicaria quantas vezes que fossem
necessárias, objetivando produzir uma força de trabalho
capaz da produção em larga escala em nível atômico.
Esta abordagem próxima da ficção científica , faz
com que cientistas mais interessados na prática da
nanotecnologia, tenham uma certa desconfiança da visão
de Drexler.
Ainda no ano de 1986, Gerd Bining inventou uma
ponta do microscópio capaz de enxergar qualquer coisa.
Junto à ponta, foi acoplado um pequeno pedaço de
diamante que contorna os átomos exercendo uma
pressão pequena, o suficiente para não destruí-la .Este
ficou conhecido como o microscópio de força atômica
(AFM), conforme mostra a figura 2.2, a ponta do
microscópio de força atômica. Conforme o pedaço de
diamante se move quando encontra saliência, move-se
também a ponta, gerando assim imagens como no STM.
O AFM possibilita ver os átomos e além disso move-los
um a um, quando aplicada uma tensão elétrica
extremamente forte entre a ponta do microscópio e a
amostra, fazendo com que um átomo salte e grude na
ponta. Porém se a polaridade da corrente for invertida,
o átomo volta para baixo com força, ficando encaixado
neste ponto.
Em 1989, Donald M. Eigler da IBM na
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Califórnia, nos Estados Unidos, escreve as letras da
companhia, utilizando 35 átomos de xenônio, mostrando
que estruturas poderiam ser construídas átomos por
átomos ou moléculas por moléculas. Ele alinhou os
átomos xenônio para escrever o logotipo da empresa
sobre uma superfície de níquel. Isto ocasionou um imenso
interesse entre os cientistas, na busca de se conseguir o
melhor domínio da técnica de manipular o átomo.
No ano de 1991, o professor Sumio Iijama, da
NEC, em Tsukuba no Japão descobre os nanotubos de
carbono.
Segundo (DURÁN, MATTOSO E DE MORAIS
2006, p.17) “Os nanotubos de carbono vem
revolucionando a nanotecnologia por exibirem resistência
mecânica extremamente alta e propriedades de
aplicações singulares como, por exemplo, ao serem
utilizados como nanopinças no posicionamento de
átomos e moléculas.
Para (GOUVÊA 2004) “Os nanotubos de
carbono podem ser usados como condutores ou
semicondutores. E são sólidos. A produção desses
nanotubos de carbono, mudou radicalmente a percepção
da aplicação mais difundida de produtos nanos. Com
esses desenvolvimentos a nanotecnologia estava criada.”
A nanotecnologia se apresenta como uma
promissora tecnologia, contudo nos últimos anos, grande
quantidade de estudos vem sendo realizados com sentido
de concretizar novas idéias, que surgem nesta área. A
nanotecnologia caminha de forma continua e de rápida
ascensão.
Definição de nanotecnologia
A nanotecnologia vem revolucionando o mundo
científico, trazendo consigo esperanças revolucionárias
a este setor que se caracteriza pela diversificação. Mas
afinal o que é nanotecnologia?
“Nanotecnologia é um conjunto de ações de
pesquisa, desenvolvimento e inovação que são obtidas
graças ás especiais propriedades da matéria organizada
a partir de estruturas de dimensões nanométricas”.
(MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA
(MCT), DESENVOLVIMENTO DA NANO-
CIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA PPA 2004-2007).
Segundo Toma e Araki (2005) nano - significa
“anão” em grego, sendo um prefixo usado na notação
cientifica, utilizado para expressar um bilionésimo
(10-9). Um nanômetro (nm) equivale a 10-9, ou seja, um
bilionésimo de metro.
Para Durán, Mattoso e De Morais (2006), a
tecnologia significa prática do conhecimento, estudo ou
ciência, em grego podendo ser geralmente descrita como
aplicações do método cientifico com objetivos práticos
e comerciais. Portanto, a nanotecnologia significa de
maneira geral, a habilidade de manipulação dos átomos
na escala compreendida entre 0,1 e100 nm, visando criar
estruturas maiores fundamentalmente com nova
organização estrutural e, normalmente com fins
comerciais. Estas estruturas alteradas proporcionarão
materiais nunca antes imaginados pelo ser humano, além
de que estes materiais modificarão de maneira complexa
as formas de produção de empresas de todos os setores.
Através da figura 2.3 uma seqüência de imagens
será apresentada, que vai deste a pele da mão aos átomos
do DNA, a margem dimensional de cada imagem
apresentada é 10 vezes menor que a anterior. A figura
levará a conhecer um nanômetro, através de
comparações.
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Modificar o arranjo de átomos e moléculas ou seja
realizar sensíveis modificações no arranjo estrutural,
poderão levar os materiais a apresentarem características
não presentes nos tradicionais. Essas alterações
estruturais podem afetar características físicas, químicas,
mecânicas e biológicas que poderão levar a criação de
matérias com características incomparáveis. De acordo
com Toma (2005), apud. Sant‘Anna (2005), prova de
que formas diferentes de estruturas moleculares podem
alterar características de uma substância, é o exemplo
da concha do mar e do giz, pois ambos são feitos de
carbonato de cálcio, porém a concha tem uma estrutura
molecular diferente e 30 mil vezes mais dura que a do
giz. Toma é ciente de que se o homem conseguir manipular
o carbonato de cálcio, poderá obter um giz muito mais
resistente do que os existentes hoje.
O mesmo aconteceria com o diamante e o grafite.
O diamante é a substância mais dura conhecida, na qual
elétrons que estão entre os átomos de carbono, formam
uma ligação covalente, em 3D. Já o grafite também se
encontra unido fortemente através de ligações covalentes,
mas apenas em um plano, fazendo com que estes átomos
de carbono empilhem-se uns aos outros, pois as forças
de união destes átomos são muito fracas. O homem
manipulando os átomos do grafite, poderá um grafite
com estrutura diferente podendo render resistência e
qualidade.
A nanotecnologia é uma tecnologia baseada em
dimensões nanométricas. Cujas aplicações visam ampliar
a capacidade humana de manipular a matéria até os
limites do átomo.
Contudo para o sucesso da nanotecnologia,
levando-se em consideração o seu aspecto científico,
até o seu desenvolvimento tecnológico, o domínio de
algumas etapas é essencial.
De acordo com Brum (2002) as etapas são:
• A síntese dos materiais nano
É necessário sintetizar novos materiais com as
dimensões nanométricas (formados por centenas ou
mesmo milhares de átomos), na forma desejada, com
precisão (nanométrica ou sub-nanométrica) e, se for
desejada uma aplicação tecnológica viável, é necessário
ser capaz de reproduzir o processo com alta tecnologia.
• A caracterização e análise dos
nanomateriais
É necessário conhecer com precisão as
propriedades intrínsicas dos nanomateriais, como
composição, estrutura, morfologia, e como isso pode
ser utilizado para gerar materiais com propriedades pré-
estabelecidas.
• A manipulação de nanoobjetos
Esta etapa é essencial para a formação de
estruturas e sistemas que possam integrar-se para realizar
funções complexas e também integrar-se com o mundo
macroscópico, com o qual estamos habituados e
podemos operar diretamente.
Nanociência e nanotecnologia
Existe uma clara distinçãoentre o termo
Nanotecnologia: um estudo sobre seu histórico, definição e principais aplicações desta inovadora tecnologia
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nanociência e nanotecnologia, porém o termo
nanotecnologia por ser uma expressão mais comum é
mais usado. Muitas vezes quando as pessoas falam de
nanotecnologia, estão falando de pesquisa científica, ou
seja estão falando de nanociência.
Segundo Pacheco et. al (2005), a nanociência
refere-se aos estudos dos fenômenos e da manipulação
dos materiais em escala atômica, molecular e
macromolecular, onde as propriedades diferem dos de
grande escala. A nanotecnologia refere-se a o projeto,
caracterização, produção e aplicação de estruturas,
equipamentos e sistemas através do controle e da forma
e do tamanho em escala nanométrica.
Nanotecnologia, uma ciência inter e
multidisciplinar
Diferentemente das demais tecnologias e ciências
existentes, que se resumem em se utilizar de disciplinas
específicas, a nanotecnologia é inter e multidisciplinar,
devido sua complexidade e abrangência.
Geralmente a nanociência é designada como uma
ciência transversal ou horizontal, por se infiltrar
virtualmente em todos os setores tecnológicos. A união
de diferentes domínios da ciência e o beneficiamento com
uma abordagem interdisciplinar ou convergente, visam
resultar em inovações capazes de contribuir com a
solução de muitos problemas enfrentados pela
sociedade.
Segundo Borschiver et. al (2005)
As áreas de aplicação da nanotecnologia
abrangem praticamente todos os setores
industriais e de serviços. A multiplicidade de
aplicações é imensa e demanda de
conhecimentos multidisciplinares, baseados na
física, química, biologia, ciência e engenharia de
materiais, computação, entre outras áreas, que
visam estender a capacidade humana de
manipular a matéria até os limites do átomo.
Para Duran , Mattoso e De Morais (2006)
A nanotecnologia é claramente uma área de
pesquisa e desenvolvimento muito ampla e
interdisciplinar uma vez que se baseia nos mais
diversificados tipos de materiais (polímeros,
cerâmicas, metais, semicondutores, compósitos
e biomateriais), estruturados em escala
nanométricas - nanoestruturados - de modo a
formar blocos de construção (building blocks)
como clusters, nanopartículas, nanotubos e
nanofibras, que por sua vez são formados
através de átomos ou moléculas. Dessa forma,
a síntese controlada desses blocos de
construção e subseqüente arranjo para formar
materiais ou dispositivos nanoestruturados
constituem os objetivos centrais da
nanotecnologia.
De acordo com Fortunato (2005), a
nanotecnologia é verdadeiramente uma ciência
multidisciplinar, pois os cientistas de materiais, os
engenheiros eletrônicos e mecânicos e os investigadores
médicos estão trabalhando em conjunto com os
biologistas, físicos e químicos. A união da investigação à
nanoescala deve-se a necessidade de partilhar o
conhecimento sobre ferramentas e técnicas, assim como
sobre conhecimentos parciais em matéria de interações
atômicas e moleculares, nesta nova fronteira científica.
Rapidamente estão para convergir diferentes áreas de
investigação de novos e potentes conceitos e
capacidades, tais como representações por imagens e a
manipulação à escala atômica, a auto-montagem e as
relações biológicas estrutura-função, a par das
ferramentas de informática cada vez mais poderosas.
A união de diferentes áreas na busca de inovações
imagináveis podem resultar para a sociedade, em amplos
benefícios em todos os setores.
Áreas e principais campos de aplicação
O poder da nanotecnologia e seu potencial de
influenciar decisivamente no futuro da humanidade, se
reside na vasta área de aplicações possíveis, tais como:
aumentar a capacidade de armazenamento e
processamento de dados dos computadores, criar novos
mecanismos para a produção de medicamentos, criar
materiais mais leves, baratos e mais resistentes, economia
de energia, proteção ao meio ambiente, menor uso de
matérias primas escassas.
A nanotecnologia apresenta seus principais
campos de aplicação, estes vêm ganhando destaque
mundialmente, sendo eles: nanoeletrônica,
nanobiotecnologia e nanomateriais.
Estes campos se apresentam como base de
sustentação para o desenvolvimento da nanotecnologia.
Nanotecnologia: um estudo sobre seu histórico, definição e principais aplicações desta inovadora tecnologia
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Nanoeletrônica
No ano de 1965, o norte americano Gordon
Moore, co-fundador da empresa norte-americana Intel,
previu a capacidade de integração na eletrônica ou seja,
colocar vários componentes eletrônicos em uma
determinada área, duplicando a cada ano.
A relação empírica sobre capacidade de integração
na eletrônica, conhecida como lei de Moore, perderá de
seu sentido, pois o processo de miniaturização na
eletrônica á base de silício (elemento químico de maior
uso na fabricação de processadores e chips), poderá
chegar ao limite em um período de 10 a 15 anos,
podendo ser interrompido por problemas que surgem
quando se trabalha com a matéria sólida em dimensões
atômicas e moleculares. Contudo o processo pode
perder seu sentido, mas a evolução não será suspensa,
a nanotecnologia molecular, que atua no processo
contrário a miniaturização, os nanosistemas e dispositivos
passarão a ser montados a partir de átomos e moléculas.
Segundo Fortunato (2005), o objetivo na
nanoeletrônica é prosseguir o desenvolvimento em
microeletrônica de ultra-alta compactação e
miniaturização, especialmente para as tecnologias de
informação e computação, mas a escalas
significativamente mais pequenas, permitindo a
manipulação de quantidades de informação
extremamente grandes associadas a rápidas velocidades
de processamento. Para Pacheco et. al (2005), a
nanoeletrônica deverá lidar eficazmente e de forma viável
economicamente com a integridade dos sinais e com os
problemas de aquecimento criados por transistores
construídos em alta densidade.
A nanotecnologia apresenta-se como uma
estratégia para a eletrônica, continuar ativamente no
mercado, se baseando em uma tecnologia capaz de
oferecer economia, melhor qualidade, aumento na
velocidade e quantidade de informações.
Nanobiotecnologia
A nanobiotecnologia refere-se a aplicação da
nanotecnologia na ciência da vida. A mesma é resultado
da combinação de pesquisas nas áreas da nanotecnologia
com a biomedicina.
De acordo com Fortunato (2005),o objetivo da
nanobiotecnologia é combinar a engenharia à nanoescala
com a biologia para manipular sistemas vivos ou construir
materiais biologicamente inspirados a nível molecular.
Promover novos bionanosensores para apoiar a
investigação à escala molecular e implementar novas
técnicas de diagnóstico.
Para Duran e De Azevedo (2004), as ciências
físicas são responsáveis por oferecerem ferramentas pra
síntese e fabricação de equipamentos para medir as
características de células e componentes sub celulares e
de materiais úteis em biologia celular e molecular, a
biologia por sua vez oferece a janela nas mais sofisticadas
estruturas que já existem (movimento: flagelos;
informação: DNA; catalise: enzimas; isolantes elétricos:
mielina; reconhecimento molecular; anticorpos, etc).
contudo cabe a nanotecnologia, prover meios para
diagnósticos prematuros e melhorar o diagnóstico de
doenças, levando a melhores tratamentos, além de se
mostrar como uma tecnologia promissora com objetivo
em aumentar a eficiência do processo de
desenvolvimento de fármacos.
Nanomateriais
Através de um controle da microestrutura em
escala nanométrica, surgem os nanomateriais que
aparecem como um novo tipo de material, que apresenta
novas e distintas propriedades, processabilidades e
capacidades. A função destes nanomateriais segundo
Fortunato (2005), é controlar com precisão a morfologia
à dimensão nanométrica das substâncias ou partículas
para produzir materiais nanoestruturados. Ao envolver
todos estes domínios que se sobrepõem, os instrumentos
medem e manipulam estruturas ultrapequenas, como
sejam por exemplo os microscópios de resolução à escala
nanométrica.
As aplicações dos nanomateriais são imensas
podendo ser empregadasna construção de nanotubos,
biosensores, nanocápsulas, entre outros.
Os nanomateriais provocarão uma revolução na
indústria, por apresentarem materiais com capacidades
distintas, dos utilizados atualmente.
Conclusão
O que no princípio parecia ficção, hoje é realidade,
o homem já é capaz de manipular os átomos, visando a
obtenção de novas e complexas estruturas. A
nanotecnologia, um dos grandes e mais promissores
ramos da ciência, já se encontra presente no dia-a-dia.
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Suas aplicações encontram-se presentes em diversos
setores, porém as áreas de maior destaque atualmente é
a nanoeletrônica, nanobiotecnologia e nanomateriais. O
caráter interdisciplinar e multidisciplinar garante a
nanotecnologia ser uma tecnologia plenamente inovadora,
trazendo benefícios imagináveis a todos as áreas do
conhecimento humano. Cabe ao homem adaptar-se a
esta inovadora tecnologia.
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