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Edição
1967, 2 de agosto de 2006
Ciências
da Natureza, Matemática e suas Tecnologias - Física
e Química
Visões
do nanomundo
Analise
e debata com os estudantes os modelos que explicam o universo
das pequenas coisas
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 Nanotecnologia
e microscópio de tunelamento
Examinar
os papéis da ciência e da tecnologia
de escala nanométrica e compreender
o funcionamento dos microscópios de
varredura |
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VEJA
trata de um tema explorado com freqüência nos meios
de comunicação, mas que nem sempre apresenta
uma linha divisória nítida entre informação
e promoção para o leitor. Você, professor,
tem aí uma excelente oportunidade para discutir os
papéis dos cientistas e dos tecnólogos, além
de explorar em maiores detalhes a ciência e a tecnologia
de escala nanométrica.
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Esquema
de um microscópio de tunelamento (STM)
Nos
microscópios de varredura, a superfície
da amostra é examinada ponto a ponto. A “imagem”
é obtida após análise dos dados
relativos à interação de um feixe
ou de um elemento do próprio microscópio
com a amostra. A variação de corrente,
indicada no gráfico, corresponde ao “relevo”
da superfície da prova. A distância entre
a ponta da sonda, que deve ter a dimensão de
um átomo, e a prova deve ser de cerca de 1 nanômetro.
Nessas condições, elétrons fluem
por tunelamento da amostra para a sonda.
Os valores dessa corrente são usados para formar
a “imagem” da superfície.
| Jardim |
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Atividades
1ª
aula - Proceda à leitura da reportagem com a turma
e destaque alguns pontos relevantes para discussão.
Lembre que, não por acaso, Richard Feynman, o “patrono”
da nanociência, foi um dos mais influentes físicos
do século XX. Esse é o ponto de partida para
uma panorâmica sobre a história da nanociência,
que pode se estender desde as concepções dos
antigos gregos (Leucipo, Demócrito, Epicuro etc.) até
as atuais representações quânticas.
Não deixe de explicar que trabalhamos sempre com padrões
físicos, tanto para o átomo como para as partículas
subatômicas. Ressalte a “volatilidade” do
conceito de elétron, que varia radicalmente de um modelo
para outro: ora surge como partícula, ora onda, ora
“nuvem de carga” ou entidade ainda mais estranha
e diferente, que pode desaparecer e reaparecer, avançar
e recuar no tempo. Eis a chance de esclarecer que, na realidade,
ninguém sabe o que o elétron é. Muitos
cientistas dedicaram a vida inteira, ao longo do século
passado, a investigá-lo. Hoje, os pesquisadores acumulam
muito mais perguntas não respondidas do que há
cem anos, mas conhecem melhor suas propriedades e seu comportamento
nas mais diversas situações. E, com esses dados,
podem empregar os modelos de elétron e até criar
outros. Em cada um deles, sabem exatamente o que é
e como se comporta o elétron. E é aqui que os
tecnólogos se apoderam do conhecimento para gerar tecnologia
e nanotecnologia. Não interessa a eles, necessariamente,
definir o que é o elétron ou qualquer outro
conceito físico – é mais importante conhecer
seu comportamento em dadas condições, algo semelhante
à acupuntura, que funciona em determinadas situações,
sabe-se lá por que ou como, mas, ainda que em casos
específicos, resolve parte dos problemas.
A história mostra de que forma os devaneios predominantemente
teóricos de um grande físico como Feynman puderam
ser aplicados por meio de instrumentos tecnológicos
– caso dos microscópios eletrônico e de
tunelamento e seus variantes. Informações oportunas
sobre a nanociência e as nanotecnologias estão
disponíveis na internet (veja a indicação
de site no final deste roteiro) e podem fundamentar pesquisas.
Em seguida, descreva alguns dos principais aparatos tecnológicos
que permitem a observação e manipulação
em escala nanométrica, como os microscópios
eletrônicos de varredura (SEM), de varredura por tunelamento
(STM), de varredura por sonda (SPM) e de força atômica
(AFM), entre outros. Como exercício de ordens de grandeza,
peça que a turma associe os objetos do quadro “Que
Vença o Menor” (págs. 18 e 19) com os
meios de magnificação exibidos na tabela abaixo.
Isso remete ao exame dos sistemas de unidades de medidas,
como o SI.
2ª
aula – Divida a turma em grupos e distribua
cópias dos dois quadros que detalham o funcionamento
dos microscópios de varredura por tunelamento. Destaque
que o grande “herói” da nanotecnologia
foi o STM, que funciona graças a um comportamento impressionante
dos elétrons, denominado tunelamento, concebido para
“explicar” o decaimento radioativo beta no início
do século XX. É interessante discutir algumas
das diversas interpretações, todas incompletas,
que se podem dar ao “efeito túnel”. Atualmente,
telefones, televisores e até equipamentos menos nobres
como ferros de passar roupa fazem uso dos transistores de
efeito de campo (FETs) e dispositivos eletrônicos também
que se valem do tunelamento.
Outra questão interessante a ser analisada diz respeito
à “imagem” que temos dos átomos
usando as técnicas nano. Pergunte se os 35 pontinhos
em azul que formam o logotipo da IBM se parecem com aquilo
que supomos como átomos de xenônio. Convém
lembrar que as figuras obtidas com esses microscópios
são representações com base em dados
(essencialmente correntes elétricas) processados e
reorganizados de modo a fazer sentido para nós. É
mesmo possível visualizar um átomo?
O alarde do feito tem outro lado a ser examinado – o
da propaganda da instituição, em que não
se escondem interesses, como o da obtenção de
verbas. É conveniente que seja assim? O que a educação
científica, em particular, tem a ver com a liberação
de verbas públicas e, principalmente, privadas para
pesquisa e desenvolvimento?
3ª
aula – Vale a pena ilustrar macroscopicamente,
por analogia, a interface entre a nanotecnologia e a Química.
Para isso, reúna de 20 a 30 pequenas barras imantadas,
de 3 ou 4 centímetros cada (podem ser usadas também
agulhas ou pedaços de arame de aço, imantáveis
por corrente elétrica). Coloque-as dentro de uma caixa
de sapato e chacoalhe-a por alguns segundos. Ao abri-la, a
moçada perceberá a maioria delas orientada mais
ou menos em determinada direção, ligadas alternadamente
por seus pólos. Isso equivale a uma combinação
de elementos semelhante à que a Química descreve
para combinação de átomos. Nessa analogia,
cada barra é um átomo. Em tal situação,
elas podem ser dispostas de modo a formar letras, unidas ainda
por seus pólos alternados, sem violar nenhuma “lei
natural”, mas numa configuração extremamente
improvável.
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Deslocamento
de partículas
| Divulgação |
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Os
microscópios de varredura permitem fazer com
que a sonda interaja com a amostra de modo a alterá-la.
O primeiro experimento com o uso de nanotécnica
foi realizado para escrever o logotipo da IBM com 35
átomos de xenônio sobre substrato de níquel
(acima). A sonda coletou e posicionou átomo por
átomo e os depositou sobre a superfície
de níquel. Isso é feito com a ponta da
sonda suficientemente próxima da amostra, de
forma que a tensão de tunelamento seja superior
à barreira de potencial que mantém unidos
os átomos da superfície. Nessa situação,
a partícula atraída da amostra acompanha
o movimento da sonda.
| Jardim |
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| Ponta
da sonda próxima à amostra |
| Jardim |
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| O
átomo da amostra é empurrado pela
tensão de tunelamento |
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Bibiografia
Nano, a Ciência Emergente da Nanotecnologia:
Refazendo o Mundo – Molécula por Molécula,
Ed Regis, Ed. Rocco, tel. (21) 3525-2000
Internet
O site www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/suntos.php?assunto=nanotecnologia
traz informações sobre nanotecnologias
Plano de aula elaborado por Renato da Silva Oliveira,
professor de Física e coordenador do Planetário
Móvel AsterDomus, de São Paulo
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