Lá se vão cinco décadas desde que um dos maiores físicos do século XX, Richard Feynman (1918-1988), proferiu no encontro anual da Sociedade Americana de Física sua célebre palestra “There is a plenty of room at the bottom” (Há muito espaço lá embaixo). Considerada por muitos como o pontapé inicial do que se tornaria nossa atual nanotecnologia, nessa palestra Feynman chamou a atenção da comunidade cientifica para uma possibilidade quase óbvia, mas que passava desapercebida: Não existe nada nas leis fundamentais da Física que nos impeça de criar tecnologias em nanoescala a partir da manipulação direta de átomos individuais. Em outras palavras, fazer o que já fazemos, todavia, em uma escala um bilhão de vezes menor do que a escala humana.

Screenshot 20190125 141212 PowerPoint - Nanotecnologia: Há muito o que se fazer lá embaixo - Por Newton Barbosa
Antes de avançarmos nas consequências dessa ousada e simples hipótese vamos entender melhor o que vem a ser o nanomundo. Se olharmos ao nosso redor veremos uma série de objetos que possuem a escala humana, ou seja, possuem dimensões compatíveis com as mesmas escalas de partes do nosso corpo. Canetas, computadores, xícaras, telefones celulares, livros, mesas, carros, e muitas outras coisas, possuem dimensões da ordem de alguns centímetros à alguns metros. Sabemos muito bem como manipular esses objetos e para isso usamos umas das ferramentas mais sofisticadas que existem na natureza, a interface órgãos dos sentido-cérebro. O ponto é que ao longo dos anos a humanidade foi percebendo que se ampliasse sua capacidade sensorial a partir do desenvolvimento de novos dispositivos tecnológicos poderia observar e manipular objetos em escalas bem diferentes da sua. Um exemplo óbvio do que estamos falando, só que na direção contraria à do nano, são as tecnologias de manipulação existentes em grandes construções ou no transporte de grandes quantidades de produtos. É impossível fazer isso apenas com nossos braços, precisamos de guindastes, esteiras, navios e trens de dimensões colossais. Se pensarmos da mesma forma só que na direção do muito pequeno, a resposta aos nossos problemas é a mesma, precisamos sim de novos dispositivos que nos permitam observar e manipular objetos em escalas menores do que a nossa. O primeiro passo nesse sentido foi dado quando entramos na escala do milímetro. Sem o desenvolvimento das pinças mecânicas e da lente de aumento (lupa) os relojoeiros suíços jamais teriam tido êxito e desenvolver dispositivos tão precisos e compactos onde boa parte dos seus sistemas internos se encontram numa escala mil vezes menor do que a nossa.
Um outro avanço tecnológico importantíssimo nesse processo foi a descoberta do microscópio. Com este o Homem conseguiu dar mais um passo da ordem de mil vezes na escala das coisas e começou a observar estruturas e objetos da ordem de alguns micrometros, ou seja, um milhão de vezes menor do que a nossa escala natural. Claro que somente observar não satisfaz um espírito inquieto como o humano e foi preciso grande esforço intelectual e técnico ao longo do século passado para que dispositivos e ideias de nomes tão esquisitos como pinças ópticas, micro vórtices em fluídos, micro deformação piezoeléctrica, dispositivos micro eletromecânicos, micro fabricação óptica, dentre outros, nos permitissem manipular objetos em escala micro. Aqui é importante dizer que como boa parte dos processos biológicos são baseados ou ocorrem em estruturas que se encontram nessa escala, o desenvolvimento dessas tecnologias teve um enorme impacto sobre a biologia e as ciências da vida.
Da mesma forma que passamos a observar e manipular estruturas e processos biológicos ao dominarmos as tecnologias que nos habilitaram a entrar no mundo micro. O desenvolvimento da nanotecnologia está nos permitindo manipular estruturas em escala atômica, com uma precisão um bilhão de vezes menor do que nossa escala natural.
Todavia, para alcançarmos o mundo do extremamente pequeno foi necessário superarmos um problema que nos custou décadas de pesquisa e muita criatividade: O limite de difração. Mas o que seria esse limite? De acordo com as leis básicas do eletromagnetismo existe um limite até onde conseguimos focalizar a luz, ou seja, confina-la em um determinado volume, e esse limite é da ordem de algumas centenas de nanômetros. Ora! Mas se a menor dimensão espacial que podemos obter focalizando a luz (princípio de funcionamento dos microscópios) é centenas de vezes maior do que as dimensões do nanomundo (que é da ordem de alguns nanômetros) então não teremos resolução para enxerga-lo. De fato, ficamos impossibilitados de explorar o mundo nano, apesar do que disse Feynman, por muito tempo e embora alguns desenvolvimentos nos permitiram ir um pouco além, tais como os microscópios eletrônicos, foram os microscópios de tunelamento por varredura (STM da sigla em inglês) que abriram os caminhos para nossa entrada na escala atômica. Depois deles o mundo nano começaria a ser conquistado de vez. Tais dispositivos, foram desenvolvidos no início dos anos oitenta pelas equipes dos pesquisadores Gerd Binnig e Heinrich Rohrer (que levaram o Prêmio Nobel de Física pela façanha), nos laboratórios da IBM em Zurique na Suíça. Estes funcionam a partir da ideia do tunelamento quântico (Uau! Olha a mecânica quântica ai de novo, vamos falar muito dela por aqui) na interação de uma ponta de prova e o objeto que estamos observando (no caso átomos). O tunelamento quântico é um dos efeitos mais interessantes da mecânica quântica e graças a ele partículas podem literalmente atravessar paredes. Mas fiquem tranquilos, isso só acontece em escalas atômicas e o porquê disso merece um outro artigo.

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Devido a particularidade de os microscópios de tunelamento funcionarem a partir de interação entre a ponta de prova do dispositivo e os átomos do objeto que estamos observando, estes são capazes de manipular átomos individuais para construção de estruturas. Aqui entra a segunda grande capacidade desses dispositivos, podemos não apenas ver mas manipular átomos, tal como o grupo de outro pesquisador, Don Eigler também da IBM, fez ao escrever no fim dos anos oitenta o nome da empresa com o ordenamento de átomos de xenônio. A capacidade de observar átomos e manipula-los permitiu que pudéssemos sonhar com algo extraordinário: A construção de objetos a partir da organização de seus átomos. Estas técnicas são denominadas de tecnologias bottom up (que significa construir de baixo para cima) e quando comparadas aos métodos de fabricação tradicionais (denominadas top down, de cima pra baixo), são absolutamente revolucionárias. Para exemplificar, pensemos em como é feito um parafuso hoje em dia: um pedaço de metal com bilhões e bilhões de átomos é desbastado até obtermos a forma do parafuso. Desbastar significa jogar fora bilhões e bilhões de outros átomos do mesmo metal, que desperdício! Agora imagine se fizéssemos o processo inverso, ao invés de jogar fora bilhões de átomos, ou seja, matéria prima, construíssemos o parafuso a partir da combinação de seus átomos um a um. Bingo desperdício zero! Os impactos de tais técnicas de fabricação na sociedade seriam gigantescos, pois otimizariam nossa capacidade de consumo de uma forma nunca antes possível. Utilizando menos matéria prima para obtermos os mesmos bens preservaríamos muito mais o ambiente ao nosso redor reduzindo a níveis mínimos o impacto ambiental gerado pela exploração da natureza e os custos com a matéria prima em si.

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O ponto aqui é, se os princípios básicos da física nos permitem fazer, se tecnologias para fazer tais processos de fabricação já estão sendo desenvolvidas, e se nós queremos salvar o planeta, pois ele é nossa única casa, por que não o fazemos? A resposta é: o custo do processo. As tecnologias de manipulação em escala atômica ainda são muito caras para serem implementadas e de fato ainda estão sendo aperfeiçoadas. Todavia, como o ser humano não é de ficar parado inventou outra coisa muito inteligente, as técnicas de auto-organização. A ideia aqui é manipular matéria em escala atômica e molecular, mas não diretamente, como se faz com os microscópios de tunelamento, mas indiretamente. Ou seja, através da manipulação de algumas variáveis físicas e químicas em escala macro deixamos a natureza seguir seu rumo em processos de auto-organização. Tais processos ocorrem devido a interação molecular e as condições macroscópicas impostas. Embora não consigamos atingir um nível de precisão grande se comparados aos métodos de manipulação via STM, as técnicas de auto-organização são extremamente mais baratas e contribuem muito para a fabricação de diversos dispositivos tais como sensores e dispositivos eletrônicos, muito mais precisos, e que já começam a chegar ao mercado hoje.
Podemos dizer que os métodos de auto-organização são um estágio anterior antes de atingirmos o grande objetivo que é: manipulação em escala atômica de forma direta e barata. Este é o grande objetivo da nanotecnologia e será alcançado com o aperfeiçoamento das atuais ou com a criação de novas formas para observar e manipular a matéria em escala atômica. Quando tal objetivo for alcançado teremos precisão de nossos processos de fabricação nunca antes vistos o que contribuirá para um nível de prosperidade global sem precedentes. Todavia, seja observando, seja manipulando ou criando técnicas mais versáteis para explorarmos o mundo nano, e além, há ainda muito o que fazer lá embaixo, então, mãos à obra!

Sobre colunista:

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Newton M. Barbosa Neto é mestre e doutor em Ciências (Física Básica) pela Universidade de São Paulo – Campus São Carlos. Foi Professor da Universidade Federal de Uberlândia de 2005 à 2014, onde desenvolveu pesquisas sobre propriedades espectroscópicas de moléculas e ministrou cursos tanto a nível de graduação quanto de Pós-graduação. Entre 2010 e 2011 realizou estudos de Pós-doutoramento na Universidade Federal de Minas Gerais, investigando propriedades ópticas e mecânicas de nanoestruturas de Carbono. Atualmente é pesquisador do Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico (CNPq), Professor temporário do Graduate Faculty of the University of Alabama (USA) e Professor Associado do Instituto de Ciências Exatas e Naturais da Universidade Federal do Pará (UFPa), onde Co-fundou o Grupo de Espectroscopia Eletrônica e Vibracional no Programa de Pós–graduação em Física da UFPa.

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