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:
Ele inicia o artigo escrevendo...
O que representam?
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
Fonte: Richard Feynman.Fonte: Amazon.comNanotecnologia
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
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
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
A memória de disco óptico tridimensional em nanoescala pode reduzir esse espaço para o tamanho de um computador desktop, reduzindo significativamente os custos.
O consumo de energia da memória de disco óptico em nanoescala é várias ordens de magnitude menor do que os métodos tradicionais, e sua vida útil pode atingir até 50-100 anos.
Fonte: https://www.hardware.com.brNanotecnologia
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
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
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
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).
\frac{1}{25000} \text{mm}
= 0,00004\text{ mm}
= 40 \times 10^{-9}\text{ m}
1\text{nm} = \frac{1}{1000000}\text{ mm}=\frac{0,001}{1
000 000}\text{m}
?
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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 (\(5 \times 10^{-9} \text{m}\)), estime quantas vezes “IBM” poderia ser escrito em uma página A4. (Tipler 1.16)
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Cabelo humano:
(50 - 180)\mu\text{m}
Corona vírus:
(45 \text{ nm})
Nanotecnologia
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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.
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
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É um filme antigo, mesmo assim com temas atuais em C&T. Você tem 8 minutos para assistir sem avançar?
Nanotecnologia
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.
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)
C_{60}
C_{70}
D = 7,114\text{ nm}
D = 7,648\text{ nm}
Fulerenos*
A esfera
Volume
Área
V = \frac{4}{3}\pi r^3
A = 4\pi r^2
Se o raio vale \(r=2,32 \text{cm}\), quais os valores e unidades das grandezas \(V\) e \(A\)?
V=52,3061\text{ cm}^3
A=67,6372\text{ cm}^2
Qual o valor e unidade da razão \(A/V\) ?
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
\rightarrow V=52,3\text{ cm}^3
\rightarrow A=67,6\text{ cm}^2
\frac{A}{V}=1,2931\frac{1}{\text{cm}}
\rightarrow \frac{A}{V}=1,29\frac{1}{\text{cm}}
O cubo
Volume
Área
V = L^3
A = 6L^2
Se o lado vale \(L=2,32 \text{ cm}\), quais os valores e unidades das grandezas \(V\) e \(A\)?
V=12,4872\text{ cm}^3
A=32,2944\text{ cm}^2
Qual o valor e unidade da razão \(A/V\) ?
L
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
\rightarrow V=12,5\text{ cm}^3
\rightarrow A=32,3\text{ cm}^2
\frac{A}{V}=2,5862\frac{1}{\text{cm}}
\rightarrow \frac{A}{V}=2,59\frac{1}{\text{cm}}
O cubo
\frac{A}{V}=2,59\frac{1}{\text{cm}}
L
A esfera
\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 \(R=A/V\)?
R_3>R_2>R_1
Nanotecnologia - análise dimensional e regras de arredondamento.
O cubo
L
A esfera
A = 4\pi r^2
V = \frac{4}{3}\pi r^3
R = \frac{3}{r}
A = 6L^2
V = L^3
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 \(r=L=2,32\text{ cm}\):
\frac{A}{V}_{esfera}=1,29\frac{1}{\text{cm}}
\frac{A}{V}_{cubo}=2,59\frac{1}{\text{cm}}
>
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 \(r = 10 \mu \text{m}\):
R_{\mu} = 30\times 10^6\text{m}^{-1}
Para uma nanoesfera de raio \(r = 10 n \text{m}\):
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 = \frac{3}{r}
R = \frac{3}{r}
\Rightarrow
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.
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
Antes de falarmos de fórmulas, vamos falar de mundo real.
Descreva, em palavras, o que você está vendo...
Quais ciências estão envolvidas no desenvolvimento dessa máquina?
Qual a relação com a física básica?
engranagens
sistemas estruturais
dinâmica de veículos
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
Antes de falarmos de fórmulas, vamos falar de mundo real.
Descreva, em palavras, o que você está vendo...
Quais ciências estão envolvidas no desenvolvimento dessa máquina?
Qual a relação com a física básica?
estabilidade
precisão
rapidez
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
Antes de falarmos de fórmulas, vamos falar de mundo real.
Descreva, em palavras, o que você está vendo...
Quais ciências estão envolvidas no desenvolvimento dessa máquina?
Qual a relação com a física básica?
potência
elasticidade
energia
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
Antes de falarmos de fórmulas, vamos falar de mundo real.
Descreva, em palavras, o que você está vendo...
Quais ciências estão envolvidas no desenvolvimento desse jogo?
Qual a relação com a física básica?
modelagem
força
sistema de equações
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
Tudo obedece às mesmas leis fundamentais.
Tudo isso é física mecânica acontecendo, seja na robótica, no esporte ou nos vídeo-games.
Tudo requer um método (científico).
Observar, medir e descrever: grandezas, unidades, análise dimensional, ordem de grandeza.
Entender o porquê: referencias, forças, leis de Newton, diagramas.
Prever e otimizar: energia, conservação, controle, aplicações e simulações.
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
Qual foi o problema que ocorreu com a Mars Climate Orbiter, Nasa, 1999?
Uma equipe da Lockheed Martin fornecia dados de força em lbf·s (libras-força por segundo).
O software da NASA esperava receber esses valores em N·s (newtons-segundo).
Como 1 lbf = 4,45 N, todos os cálculos de trajetória estavam incorretos.
Isso fez a sonda entrar na atmosfera de Marte muito mais baixa que o planejado (~57 km ao invés de ~226 km), causando sua destruição.
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
Qual a relação entre as leituras da balança em cada caso?
Leitura 1
Leitura 2
L1 = L2
L1 > L2
L1 < L2
Mas a pessoa não é a mesma? Afinal, o que está sendo lido pela balança?
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
Qual o tempo de queda livre das crianças?
Antes de responder pense:
O que significa queda livre?
A velocidade aumenta, diminui ou permanece a mesma?
Que tipo de movimento é esse?
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
O que é mais rápido? E o quanto é mais rápido?
Quanto tempo para completar uma volta em torno da terra?
Física mecânica. O estudo do movimento e das interações.
Qual será a trajetória do pacote?
Qual o tempo de queda se estivesse parado e se estive se movendo horizontamente?
Qual a velocidade do pacote ao tocar o chão?
FM - Aula 00
By Ronai Lisboa
FM - Aula 00
Nanotecnologia.
