Ronai Lisboa
Curso de Introdução à Física Clássica: Mecânica, Termodinâmica, Fluidos, Ondas e Oscilações e Eletromagnetismo para Bacharelado em Ciências e Tecnologias.
Aula 00
Fundamentos da Mecânica
Prof. Ronai Lisbôa
UFRN - ECT - BCT
O mundo do tudo muito, muito, muito pequeno e grande
Fonte: https://www.estadao.com.br/Fernando Brandão liderou equipe que construiu o primeiro chip com propriedades quânticas na Amazon; trabalho é fruto de cinco anos de pesquisas.
25 μs
25 ns
40 MHz
20 ps
1 GHz
No início da década de 1980, Richard Feynman propôs que um computador quântico seria uma ferramenta eficaz para resolver problemas de física e química, dado que é exponencialmente caro simular grandes sistemas quânticos com computadores clássicos.
Nesse artigo há grandezas como as mostradas abaixo. O que representam?
Ele inicia o artigo escrevendo...
Há muito espaço lá embaixo!
“No ano 2000, quando olharem para esta época, elas se perguntarão por que só no ano de 1960 que alguém começou a se movimentar seriamente nessa direção.”
“O que eu quero falar é sobre o problema de manipular e controlar coisas em escala atômica. Tão logo eu menciono isto, as pessoas me falam sobre miniaturização e o quanto ela tem progredido nos dias de hoje. Elas contam-me sobre motores elétricos com o tamanho de uma unha do seu dedo mindinho."
"E que há um dispositivo no mercado, dizem elas, com o qual pode-se escrever o Pai Nosso na cabeça de um alfinete. Mas isso não é nada: é o passo mais primitivo e hesitante na direção que eu pretendo discutir. É um novo mundo surpreendentemente pequeno.” (Palestra proferida em 1959)
Richard Feynman (1918 — 1988)
Nanotecnologia - ordens de grandeza
Fonte: Richard Feynman.Fonte: Amazon.comNanotecnologia - ordens de grandeza
Richard Feynman, em 1959, especulou uma nova engenharia - a nanotecnologia.
Ele especulou que, se tivéssemos uma plataforma que nos permitisse organizar átomos individuais em um padrão exato e ordenado, seria possível armazenar uma informação por átomo.
Em 2016, cientistas do Instituto Kavli de Nanociência da Universidade de Delft armazenaram um kilobyte (8.000 bits) representando cada bit pela posição de um único átomo de cloro.
A kilobyte rewritable atomic memory
96 nm
126 nm
Fonte: Nat. Nanotecnologia. 2016, DOI: 10.1038/nnano.2016.131
Cada bit consiste em duas posições em uma superfície de átomos de cobre e um átomo de cloro que podemos deslizar para frente e para trás entre essas duas posições.
Nanotecnologia - ordens de grandeza
Richard Feynman, em 1959, especulou uma nova engenharia - a nanotecnologia.
Ele especulou que, se tivéssemos uma plataforma que nos permitisse organizar átomos individuais em um padrão exato e ordenado, seria possível armazenar uma informação por átomo.
O cabeçote de leitura/gravação e a bandeja giratória no interior do disco rígido de um computador.
Enquanto a bandeja dotada de cobertura move-se abaixo do cabeçote de leitura/gravação, um pulso de corrente em um sentido magnetiza a superfície da bandeja, representando uma unidade binária, ou um pulso de corrente de sentido contrário magnetiza a superfície, representando um zero binário.
Fenômeno denominado Magnetorresistência Gigante (MRG). Nobel de Física, em 2007, Albert Fert e Peter Grünberg.
codificação longitudinal codificação ortogonal 250 gigabytes
2 terabytes
Fonte: Wolfgang & BauerNanotecnologia - ordens de grandeza
Pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram que a capacidade de armazenamento óptico de dados pode atingir o nível de petabit (Pb) estendendo a arquitetura de gravação planar para três dimensões com centenas de camadas.
A tecnologia inovadora da memória de disco óptico tridimensional em nanoescala com capacidade de petabit é revolucionária.
O armazenamento óptico de dados oferece uma solução verde promissora para armazenamento de dados econômico e de longo prazo.
Nanotecnologia - ordens de grandeza
Um feixe de laser pulsado de 480 nm e um feixe de laser CW de 592 nm são usados para leitura. A imagem de fluorescência da seção vertical x–z mostra escrita e leitura em nanoescala em 100 camadas. A imagem de fluorescência de super-resolução no plano x-y mostra o tamanho mínimo do ponto e o passo da pista lateral (a distância lateral entre dois pontos vizinhos) de 54 nm (cerca de λ/12) e 70 nm (cerca de λ/9).
Configuração de feixe duplo para gravação e leitura de super resolução. Um feixe de laser gaussiano de 515 nm de femtossegundos e um feixe de laser em forma de rosquinha CW de 639 nm são usados para escrever.
Nanotecnologia - ordens de grandeza
As palavras mais populares de 2023 foram lançadas recentemente, com o AI Large Language Model (LLM) inquestionavelmente no topo da lista.
Essas inovações disruptivas em IA devem muito ao big data, que desempenhou um papel fundamental.
No entanto, os principais dispositivos de armazenamento, como unidades de disco rígido e dispositivos flash semicondutores, enfrentam limitações em termos de custo-benefício, durabilidade e longevidade.
O conjunto de dados por trás do GPT, que inclui 5,8 bilhões de páginas da web indexadas e ocupa cerca de 56 Pb de texto, normalmente exigiria uma área de playground de discos rígidos para armazenamento.
Fonte: https://www.theguardian.comUm garoto e seu átomo
A animação mostra a manipulação de átomos de carbono em uma superfície de cobre.
Cada esfera que forma a imagem é um átomo.
10000
10000
HOJE,
1 000 000 000 000 de átomos para
armazenar um bit de dados.
FUTURO,
“Quantos átomos são necessários para armazenar de forma confiável um bit de informação magnética?”
Fonte: https://youtu.be/oSCX78-8-q0Nanotecnologia - ordens de grandeza
É possível mover átomos e molécuIas da maneira que desejarmos para criar novas estruturas ou modificar estruturas já existentes.
Uma letra de 1 mm de altura reduzida 25.000 vezes fica com 0,00004 mm de altura, ou 40 nanometros (um nanometro é a milionésima parte do milímetro).
250001mm
\frac{1}{25000} \text{mm}
=0,00004 mm
= 0,00004\text{ mm}
=40×10−9 m
= 40 \times 10^{-9}\text{ m}
1nm=10000001 mm=10000000,001m
1\text{nm} = \frac{1}{1000000}\text{ mm}=\frac{0,001}{1
000 000}\text{m}
?
Nanotecnologia - ordens de grandeza
Em 1989, cientistas da IBM deslocaram átomos com um microscópio de tunelamento com varredura (scanning tunneling microscope, STM). Uma das primeiras imagens vistas pelo público em geral foi a das letras IBM traçadas com 35 átomos de xenônio sobre uma superfície de níquel. As letras IBM se estendiam por 15 átomos de xenônio.
Credit: IBMhttp://dx.doi.org/10.1038/344524a0Se a distância entre os centros de átomos de xenônio adjacentes é 5 nm (5×10−9m), estime quantas vezes “IBM” poderia ser escrito em uma página A4. (Tipler 1.16)
Nanotecnologia - ordens de grandeza
Cabelo humano:
(50−180)μm
(50 - 180)\mu\text{m}
Corona vírus:
(45 nm)
(45 \text{ nm})
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
Fonte: https://pubs.rsc.org/
A capacidade dos MNPs de migrar ou formar agregados em resposta a um campo magnético externo pode ser utilizada para controlar a distribuição de biomoléculas na superfície celular ou dentro do compartimento subcelular.
A infiltração intratumoral de células T, o reconhecimento de células cancerígenas e a ativação são componentes críticos da imunoterapia eficaz do câncer.
Isso aumenta a eficiência das células T, o que aumenta a avidez e, consequentemente, a sensibilidade aos antígenos cancerígenos.
Nanopartículas:
Têm dimensão menor que 100 nm pelo menos.
Podem ser enroladas em uma única camada, multicamadas e outras estruturas.
Nanoesferas de ouro
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
*Foram descobertos em 1985 por Harold Kroto (descoberta que lhe valeu o Prêmio Nobel de Química em 1996)
C60
C_{60}
C70
C_{70}
D=7,114 nm
D = 7,114\text{ nm}
D=7,648 nm
D = 7,648\text{ nm}
Fulerenos*
A esfera
Volume
Área
V=34πr3
V = \frac{4}{3}\pi r^3
A=4πr2
A = 4\pi r^2
Se o raio vale r=2,32cm, quais os valores e unidades das grandezas V e A?
V=52,3061 cm3
V=52,3061\text{ cm}^3
A=67,6372 cm2
A=67,6372\text{ cm}^2
Qual o valor e unidade da razão A/V ?
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
→V=52,3 cm3
\rightarrow V=52,3\text{ cm}^3
→A=67,6 cm2
\rightarrow A=67,6\text{ cm}^2
VA=1,2931cm1
\frac{A}{V}=1,2931\frac{1}{\text{cm}}
→VA=1,29cm1
\rightarrow \frac{A}{V}=1,29\frac{1}{\text{cm}}
O cubo
Volume
Área
V=L3
V = L^3
A=6L2
A = 6L^2
Se o lado vale L=2,32 cm, quais os valores e unidades das grandezas V e A?
V=12,4872 cm3
V=12,4872\text{ cm}^3
A=32,2944 cm2
A=32,2944\text{ cm}^2
Qual o valor e unidade da razão A/V ?
L
L
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
→V=12,5 cm3
\rightarrow V=12,5\text{ cm}^3
→A=32,3 cm2
\rightarrow A=32,3\text{ cm}^2
VA=2,5862cm1
\frac{A}{V}=2,5862\frac{1}{\text{cm}}
→VA=2,59cm1
\rightarrow \frac{A}{V}=2,59\frac{1}{\text{cm}}
O cubo
VA=2,59cm1
\frac{A}{V}=2,59\frac{1}{\text{cm}}
L
L
A esfera
VA=1,29cm1
\frac{A}{V}=1,29\frac{1}{\text{cm}}
A dimensão da razão A/V é o inverso do comprimento (centímetro).
Se L=r a razão A/V é maior para o cubo.
Qual das imagens da mesma cenoura possui maior razão R=A/V?
R3>R2>R1
R_3>R_2>R_1
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
O cubo
L
L
A esfera
A=4πr2
A = 4\pi r^2
V=34πr3
V = \frac{4}{3}\pi r^3
R=r3
R = \frac{3}{r}
A=6L2
A = 6L^2
V=L3
V = L^3
R=L6
R = \frac{6}{L}
A razão entre a área superficial e o volume para um material ou substância feita de nanopartículas tem um efeito significante nas propriedades do material.
Seja qual for a geometria da nanopartícula, a razão A/V tem a dimensão do inverso do comprimento.
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
Se r=L, o cubo terá uma maior razão A/V em comparação à esfera. Para r=L=2,32 cm:
VAesfera=1,29cm1
\frac{A}{V}_{esfera}=1,29\frac{1}{\text{cm}}
VAcubo=2,59cm1
\frac{A}{V}_{cubo}=2,59\frac{1}{\text{cm}}
>
>
R=r3
R = \frac{3}{r}
A relação entre a área da superfície e o volume aumenta à medida que o raio da esfera diminui.
Se o raio (r) da partícula diminui, a área superficial aumenta.
A razão R=A/V aumenta uma ordem de grandeza quando o raio diminui uma ordem de grandeza.
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
Uma nanopartículas tem maior razão R=A/V.
Os materiais feitos de nanopartículas têm uma área de superfície relativamente maior quando comparados ao mesmo volume de material feito de partículas maiores.
Quando um determinado volume de material é composto de partículas menores, a área de superfície do material aumenta.
Para uma microesfera de raio r=10μm:
Rμ=30×106m−1
R_{\mu} = 30\times 10^6\text{m}^{-1}
Para uma nanoesfera de raio r=10nm:
Rn=30×109m−1
R_n = 30\times 10^9\text{m}^{-1}
À medida que ocorrem reações químicas entre partículas que estão na superfície, uma determinada massa de nanomaterial será muito mais reativa do que a mesma massa de material composta de partículas grandes.
Fonte: https://www.intechopen.comNanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
R=r3
R = \frac{3}{r}
R=r3
R = \frac{3}{r}
⇒
\Rightarrow
R=r3
R = \frac{3}{r}
⇒
\Rightarrow
A forma da nano partícula afeta a razão entre superfície e volume.
Reações químicas ocorrem quando as partículas reactantes (substância que é parte do material inicial necessária para uma reação química) entram em contato uma com a outra para formar novas partículas.
| A (cm^2) | V (cm^ 3) | R (cm^-1) | |
|---|---|---|---|
| Cubo | 24 | 8 | 3 |
| Paralelepípedo | 88 | 48 | 1,8 |
| Esfera | 100,5 | 33,5 | 3 |
| Cilndro | 348,5 | 33,5 | 10,4 |
Como a razão área/volume aumenta, uma maior quantidade da substância entre em contato com o material circundante. Isso resulta em uma grande porção do material inicialmente exposto para o potencial de reação.
Caso seja necessário enviar uma maior quantidade de medicação para uma célula contaminada com o SARS-Covid-19 por meio de uma molécula (nanomolécula), qual seria a melhor forma molecular?
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
A nanotecnologia tem diversas aplicações: Engenharia dos Materiais, Engenharia Química, Biofísica, Química, Física, etc.
Fonte: https://www.researchgate.net
Bandeja tibial em liga de titânio incorporando macro fixação com pinos e quilhas; microfixação com porosidade à escala micrométrica manufaturada por aditivo e texturização em escala nano em toda a porosidade com nanotubos de dióxido de titânio anodizado.
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
É um filme antigo, mesmo assim com temas atuais em C&T. Você tem 8 minutos para assistir sem avançar?
Nanotecnologia - ordens de grandeza
Um dos principais desafios da nanotecnologia atualmente é a questão da segurança e toxicidade dos materiais em nanoescala. À medida que os pesquisadores desenvolvem novas aplicações, como nanomateriais em produtos eletrônicos, farmacêuticos e até na medicina, é fundamental avaliar os potenciais efeitos adversos à saúde humana e ao meio ambiente.
Além disso, a padronização e a regulamentação dos métodos de produção e aplicação de nanomateriais também representam desafios significativos, exigindo colaborações interdisciplinares entre cientistas, indústrias e órgãos reguladores para garantir a segurança e eficácia desses novos materiais.
Nanotecnologia e seus problemas
Resposta Gerada por IA.
Entre na atividade QUIZALIZE abaixo e responda, mas somente será contabilizado como pontuação (tipo questionário) se você fizer o login com seu e-mail da UFRN, pois está integrado ao Google Classroom Institucional.
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TURMA 03 (manhã)
TURMA 04 (noite)
Aula 00 Fundamentos da Mecânica Prof. Ronai Lisbôa UFRN - ECT - BCT
FM - Aula 00
By Ronai Lisboa
FM - Aula 00
Nanotecnologia.
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