O que é nanotecnologia? Definição, aplicações e casos de uso

A nanotecnologia é o processo de engenharia de materiais em escala atômica ou molecular.

A nanotecnologia é definida como o campo da ciência que manipula a matéria em uma escala quase atômica para projetar novas estruturas, materiais e dispositivos, prosperando em dimensões de nanoescala.

Este artigo explica a nanotecnologia em detalhes, suas aplicações no mundo real e compartilha alguns casos de uso.

O que é nanotecnologia?

A nanotecnologia refere-se ao campo da ciência que manipula a matéria em uma escala quase atômica para projetar novas estruturas, materiais e dispositivos, prosperando em dimensões de nanoescala. Essa tecnologia é crucial para o progresso e a evolução de várias disciplinas científicas, incluindo medicina, manufatura, energia e ciência e engenharia de materiais.

No sistema métrico, um nanômetro se refere a uma unidade de comprimento. A palavra ‘nano’ é derivada da palavra grega ‘Nanos’, que equivale a ‘anão’ ou algo extremamente pequeno. Tecnicamente, um centímetro = 1/100 de metro, enquanto um nanômetro (nm) = um bilionésimo de metro. Assim, todas as estruturas em nanoescala normalmente têm uma faixa dimensional ou comprimento entre 1 e 100 nanômetros.

Para visualizar melhor o tamanho da nanoescala, vejamos alguns dos exemplos. Se você observar a pele humana com uma lupa, chegará à dimensão milimétrica = 1/1000 de metro. Em vez disso, se você usar um microscópio para estudar a pele, trabalhará em uma escala micrométrica (1/1000 de milímetro), que permite examinar as células da pele. Normalmente, células, bactérias e chips de silício são medidos em micrômetros.

Uma escala nanométrica (10 -9) é menor e usada principalmente para medir átomos e moléculas. Um átomo que compõe toda a matéria ao nosso redor tem uma largura na faixa de 0,1 a 0,5 nm; um cabelo humano tem 50k nm a 100k nm de espessura, uma única cadeia de DNA tem 2,5 nm de largura e uma folha de papel tem 75k nm de espessura. Este minúsculo espaço dimensional representa o mundo em nanoescala.

Por que a nanoescala é relevante?

No século XX, pesquisadores de todo o mundo fizeram uma revelação que mudou fundamentalmente nossa compreensão dos materiais em nanoescala. Conforme os cientistas, os materiais com pelo menos uma faceta, comprimento, largura ou altura na faixa de 1 a 100 nm, tendem a revelar propriedades físicas e químicas distintas em comparação com os mesmos materiais na capacidade de macroescala.

Proponho considerarmos um exemplo de material prateado. Se a dividirmos em proporções menores, cada peça ainda apresenta propriedades básicas como densidade, textura, ponto de ebulição, condutividade térmica e outras, assim como a prata original. No entanto, todas essas propriedades mudam no nível da nanoescala com base no tamanho, forma e composição. Isso implica que as propriedades exibidas pelos materiais em nanoescala não são manifestadas pelo mesmo material em qualquer outro comprimento.

Embora seja difícil definir os parâmetros de tamanho ou composição nos quais as propriedades de um material mudam, as dimensões do material têm sua própria relevância. Por exemplo, o material de ouro expressa cores diferentes em diferentes dimensões em nanoescala. É de cor laranja a 100 nm e verde a 50 nm. No entanto, vale a pena notar que as partículas de ouro apresentam propriedades catalíticas distintas que variam conforme o tamanho do material apenas em comprimentos abaixo de 5 nm.

Desenvolvimento de nanotecnologia

Os materiais nanométricos existem há anos. No entanto, ferramentas e técnicas científicas para observá-los e manipulá-los surgiram apenas nas últimas décadas. Seu desenvolvimento remonta ao século XVII, quando o microscópio óptico foi desenvolvido. O microscópio tornou o mundo invisível dos organismos biológicos visível para os humanos. No entanto, ele tinha um sério gargalo de ampliação, pois o comprimento de onda da luz visível varia entre 400 e 750 nm, o que é muito mais do que qualquer material em nanoescala.

Com a introdução do microscópio eletrônico em 1931, essa limitação do espectro de luz visível foi resolvida. Avançando para 1981, foi introduzido o primeiro microscópio de tunelamento de varredura (STM), que não apenas permitia aos profissionais visualizar objetos minúsculos, mas também mexer com qualidades únicas de objetos que variavam de acordo com seu tamanho, forma e composição.

Hoje, STM e microscópios eletrônicos são unidades vitais em laboratórios de nanotecnologia, ao trazerem à vida o mundo das partículas em nanoescala de 0,05 nm ou de tamanho menor. Esses instrumentos avançados são cruciais para capturar as propriedades dinâmicas mostradas pelos nanomateriais e aproveitá-las para resolver problemas modernos, como melhorar a eficiência de combustível, construir computadores avançados, projetar equipamentos complexos de diagnóstico médico ou promover o uso de fontes de energia renováveis.

As 6 principais aplicações de nanotecnologia

A nanotecnologia penetrou em todas as esferas da vida, desde o processamento de alimentos e a administração eficiente de medicamentos até o design de pequenos transistores usados ​​por chips eletrônicos. Com a proliferação de dispositivos IoT recentemente, as aplicações de nanotecnologia cresceram significativamente. De acordo com um relatório de outubro de 2022 da MarketWatch, o mercado global de nanotecnologia atingiu uma avaliação de US$ 1,97 bilhão em 2021 e estima-se que suba para US$ 34,3 bilhões até o final de 2030.

Embora a nanotecnologia tenha aplicações multidisciplinares, vejamos as seis principais áreas onde as nanotecnologias têm um impacto significativo hoje.

1. Nanomateriais

Os avanços na nanotecnologia levaram ao desenvolvimento de nanomateriais usados em aplicações do dia-a-dia, desde tecidos, cosméticos e roupas esportivas até visores de câmeras e óculos. Com a ajuda da nanotecnologia, as propriedades dos materiais podem ser ajustadas para torná-los duráveis ​​e mais fortes, ter melhor condutividade elétrica e térmica e assim por diante. Normalmente, no setor de vestuário, os tecidos podem ser produzidos sem rugas e resistentes ao crescimento microbacteriano.

Os nanomateriais também são um componente importante das baterias de íons de lítio. Por exemplo, uma empresa de nanotecnologia, a Nano One Materials Corp., uniu-se à Johnson Matthey, uma empresa de tecnologia sustentável, para desenvolver nanomateriais de baixo custo que seriam usados ​​especificamente em baterias de íons de lítio. Essas baterias podem encontrar aplicações em veículos elétricos, eletrônicos de consumo ou até mesmo no domínio do armazenamento de energia.

2. Medicina

No setor de saúde, a nanotecnologia é amplamente utilizada ao exercitar técnicas de terapia, projetar diagnósticos e desenvolver sistemas eficientes de administração de medicamentos. Por exemplo, a Medlab Clinical Limited, uma empresa de biotecnologia, desenvolveu o NanoCelle, uma plataforma de administração de medicamentos que cria nanopartículas e as ingere diretamente na corrente sanguínea do paciente por meio da mucosa oral e bucal (bochecha). Recentemente, a Medlab recebeu uma subvenção do governo de New South Wales (NSW) para desenvolver uma vacina nasal para COVID-19, que será entregue por meio desta plataforma NanoCelle não invasiva.

A nanotecnologia também é empregada para desenvolver medicamentos antivirais. Por exemplo, a NanoViricides é uma empresa que projeta nanomateriais usados ​​especificamente para terapia antiviral. A empresa também desenvolve nanomedicamentos que podem combater infecções virais, como as observadas na gripe, HIV/AIDS ou dengue.

3. Indústria alimentícia

Na indústria de alimentos, a nanotecnologia é aplicada para intensificar o sabor e a cor dos alimentos durante as etapas de processamento dos alimentos. Também é vital para a preservação de alimentos, pois os micróbios podem reduzir significativamente a vida útil dos alimentos. Considerando as consequências, soluções de embalagens de alimentos baseadas em nanotecnologia são usadas para manter a segurança e a qualidade dos produtos alimentícios.

Além disso, durante o processo de cultivo agrícola, os agricultores agora podem usar nanomateriais, pois isso tende a controlar o uso de pesticidas nas plantações e, ainda assim, fornecer nutrientes essenciais a elas. Assim, desde a produção, processamento e preservação de alimentos até a embalagem, a nanotecnologia tornou-se uma parte indispensável da ciência alimentar.

4. Setor eletrônico

O ritmo do avanço tecnológico derrubou a conhecida Lei de Moore, que prevê que o número de transistores em chips de silício cresce 2x a cada ano. Os circuitos ficaram cada vez menores em um ritmo rápido. Por exemplo, em 2015, a gigante da tecnologia IBM revelou que usaria transistores de tamanho de 7 nm. Alguns anos depois, a organização anunciou o lançamento de um chip de 5 nm. Em 2021, a empresa divulgou que havia criado um chip de 2 nm que apresentava desempenho 45% superior aos chips de 7 nm projetados anteriormente.

Da mesma forma, a Samsung, líder em telecomunicações, projetou um processo de nanotecnologia que dá aos minúsculos chips mais poder do que os chips de última geração. Em meados de 2021, a Samsung fez parceria com a Synopsys para promover a tecnologia geral de 3 nm que pode beneficiar aplicativos de IA, dispositivos 5G e aplicativos de computação de alto desempenho. Em 2022, a empresa de semicondutores encomendou a produção em massa de chips de 3 nm que consumiam 45% menos energia e 23% de desempenho aprimorado em relação aos chips de 5 nm, como os chips M1 e M2 da Apple.

5. Espaço energético

No setor de energia, a nanotecnologia é usada principalmente para desenvolver soluções de armazenamento de energia e avançar nos processos de recuperação de petróleo e gás. Por exemplo, a PyroGenesis Canada, uma empresa de tecnologia, usa técnicas baseadas em plasma para ajudar empresas de petróleo e gás a projetar soluções sustentáveis ​​para exploração e produção de petróleo e gás. Essa abordagem baseada em plasma também é adotada por várias indústrias de manufatura e empresas de impressão 3D.

Além disso, na área de energia renovável, a nanotecnologia é empregada para elevar o desempenho das células solares. Por exemplo, o Oak Ridge National Laboratory, um laboratório nacional nos EUA, desenvolveu ‘nanocones’ de óxido de zinco, aumentando a eficiência geral das células solares.

6. Ambiente

A nanotecnologia é fundamental quando se trata de desenvolver aplicações ambientais. Por exemplo, o Instituto Internacional de Nanotecnologia, que promove a pesquisa em nanociência nos Estados Unidos, criou uma membrana nanocomposta que absorve e libera poluentes da água, como fosfatos. A membrana ajuda a controlar a poluição de fosfato em rios, lagos e outros corpos d’água.

A nanotecnologia também é usada no tratamento da qualidade do ar. Por exemplo, a Nanomatrix Materials, uma empresa indiana, projetou filtros AC que dependem da nanotecnologia de grafeno-prata para manter o ar interno limpo e, simultaneamente, proteger os usuários contra vírus transmitidos pelo ar. Em outras palavras, os condicionadores de ar típicos são transformados em purificadores de ar.

Esses purificadores também ajudam a resolver o problema da COVID-19. Em 2020, a Ben Gurion University of the Negev (BGU) em Israel colaborou com a Rice University e desenvolveu filtros de ar à base de grafeno capazes de autoesterilizar e purificar o ar circundante. Esses filtros também ajudam na descontaminação de corpos d’água.

Casos de Uso de Nanotecnologia

Hoje, as inovações nanotecnológicas tornaram-se uma parte inevitável de nossas vidas cotidianas. Nossos lares invariavelmente revelam um toque nanotecnológico, pois produtos de uso rotineiro, como cosméticos, tecidos, móveis, adesivos e até tintas veiculares, são consequência da engenharia de nanomateriais.

Vejamos alguns casos de uso da nanotecnologia.

1. Produtos cosméticos

Nanopartículas, como dióxido de titânio e óxido de zinco, são adicionadas a produtos cosméticos, como protetores solares, porque bloqueiam a luz ultravioleta. Essas partículas finas são capazes de absorver e espalhar a luz visível. Como resultado, os protetores solares modernos parecem leves e transparentes quando aplicados na pele.

2. Tecidos

As nanopartículas, como a sílica, exibem propriedades repelentes à água. Eles são pulverizados na superfície do tecido ou tecidos para garantir que a água não entre no tecido. É amplamente utilizado em guarda-chuvas e capas de chuva.

Roupas como camisetas, calças e até meias têm nanopartículas de prata pulverizada sobre elas devido às suas propriedades antibacterianas. Essas nanopartículas tendem a matar micróbios que evocam odores fortes, permitindo que o vestuário seja usado por mais tempo sem precisar ser lavado. Além disso, partículas ultrafinas de dióxido de titânio são usadas para tornar os tecidos de algodão sem rugas.

3. Móveis

Nanopartículas como prata, cobre e zinco são aplicadas em móveis domésticos porque podem combater pragas ou fungos que se desenvolvem com o tempo. Além disso, partículas de dióxido de titânio também são aplicadas em alguns casos, ao atuar como repelente de poeira e contaminantes.

A aplicação de revestimentos e vernizes à base de nanomateriais pode prolongar a vida útil de qualquer móvel e, simultaneamente, reduzir os custos de manutenção. De acordo com um estudo de pesquisa do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), a inflamabilidade de móveis estofados reduz em 35% quando revestidos com nanofibras de carbono.

4. Adesivos

A nanotecnologia é frequentemente usada para desenvolver adesivos duráveis. Geralmente, os adesivos ficam menos pegajosos em temperaturas mais altas. No entanto, a nanocola desenvolvida por pesquisadores americanos aproveita as cadeias moleculares para aderir às superfícies e torná-las capazes de suportar altas temperaturas, ao contrário dos adesivos tradicionais. Esses adesivos desenvolvidos têm apenas 1 nm de espessura, sendo adequados para chips eletrônicos e máquinas normalmente expostas a altas temperaturas.

5. Revestimentos veiculares

Os veículos têm revestimentos nanocerâmicos que se misturam com selantes para protegê-los da luz ultravioleta e dos contaminantes. Esses nanocoatings também protegem os veículos de excrementos de pássaros compostos de ácido úrico.

A Nanorepel, uma empresa de nanotecnologia que produz revestimentos de proteção de superfície para carros, desenvolveu um revestimento de alto desempenho que não apenas protege os carros de resíduos de pássaros, mas, quando aplicado em componentes de estofamento de carros, fica livre de manchas e manchas sujas.

6. Esportes

Na indústria esportiva, nanomateriais como nanotubos de carbono ou nanopartículas de sílica são aplicados a equipamentos esportivos para melhorar o desempenho. Esses materiais são essenciais para a durabilidade do equipamento, ao reduzirem o desgaste e o peso do equipamento, ampliando sua resistência geral. Assim, tacos de golfe, skates, raquetes de tênis e bicicletas esportivas parecem mais leves quando usados ​​por esportistas.

Além disso, as nanoargilas aplicadas no interior das bolas de tênis otimizam o ressalto da bola e evitam vazamentos, se houver. Como resultado, essas bolas de tênis podem suportar ralis mais longos durante uma partida.

Conclusão

A nanotecnologia fornece um caminho para estudar e projetar novos materiais que melhoram nossas vidas. No entanto, vale a pena notar que a nanotecnologia não se refere a produtos típicos, como chips eletrônicos ou smartphones. Em vez disso, define um processo que explora as propriedades dos nanomateriais para projetar e desenvolver tais produtos e dispositivos.

Em 1908, Henry Ford teve a ideia de introduzir linhas de montagem em fábricas de automóveis. Como resultado, o custo de produção baixou significativamente e o produto final tornou-se substancialmente acessível. Assim, os cidadãos americanos comuns poderiam comprar automóveis mais baratos, mas novos. A estrutura aprimorada da fabricação de automóveis acabou levando à revolução industrial como nenhuma outra.

Da mesma forma, a nanotecnologia tem grande potencial para iniciar outra revolução industrial, ao ter um impacto quantificável em diferentes setores, como saúde, meio ambiente, vestuário, etc. Somente o tempo revelará como nos adaptaremos aos avanços da nanotecnologia no futuro.

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