Como funciona um HD - Instituto de Física / UFRJ
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Nanociência e Nanotecnologia Elis Sinnecker João Paulo Sinnecker ­ UFRJ Miguel novak ­ UFRJ Rodrigo Capaz ­ UFRJ Maurício Pamplona – UFRJ Marcelo Knobel ­ UNICAMP Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanociência e Nanotecnologia ­ Dimensões e Nascimento da Nanotecnologia ­ Manipulação em escala nanométrica ­ Nanomagnetismo – Gravação Magnética ­ Nanobiotecnologia ­ Nanotecnologia na Natureza ­ Divulgação Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanociências Dimensões e Nascimento ­ O que é uma dimensão nanométrica ? ­ Como nasce o conceito da Nanociência e Nanotecnologia ? Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog . Viagem pelas dimensões Limite do universo conhecido Grande aglomerados de galáxias Via Láctea 100 1025 m 000 anos luz de diâmetro POWERS OF TEN Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Galaxias Brilhantes Luz necessita 100 milhões de anos para cruzar esta figura (108 anos) Via Láctea ainda é invisível no centro da figura 1024 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Aglomerado de Virgem Abaixo – ANDROMEDA 2 milhões de anos-luz 1023 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões A Via Láctea 1011 estrelas 1022 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Detalhes da Via Láctea 1/3 das galáxias tem forma espiral 1021 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Nosso Sol está situado em um dos braços da galáxia. Nesta escala ainda é indistinguível 1020 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Sol 1019 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog ainda é indistinguível Viagem pelas dimensões Estrelas à 50 anos Luz Estrela brilhante é SIRIUS, perto do SOL mas muito mais brilhante. 1018 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões 20 anos Luz do Sol Somente 12 estrelas no limite de 10 anos luz 1017 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões O sol é o mais brilhante ao centro 1016 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Nesta escala a luz demora um mês para cruzar a figura Órbita de Plutão está a 6 horas luz do Sol. 1015 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Órbitas 1014 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog dos planetas Viagem pelas dimensões Sistema 1013 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Solar Viagem pelas dimensões Órbita 1012 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog de Júpiter Viagem pelas dimensões Vênus, 1011 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Terra e Marte Viagem pelas dimensões Terra 1010 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog e Lua Viagem pelas dimensões Terra 109 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog e Lua Viagem pelas dimensões A 108 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog TERRA Viagem pelas dimensões Continentes 107 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Costa 106 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Detalhamento 105 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog da costa Viagem pelas dimensões Cidade 104 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Parque 103 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Anfiteatro 102 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog de música Viagem pelas dimensões Plantas 101 m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Flores 100 m= 1m Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Insetos 10­1 m = 10 cm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Detalhes 10­2 m = 1 cm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog de insetos Viagem pelas dimensões Detalhe do olho do inseto pólem das plantas 10­3 m = 1 mm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Viagem pelas dimensões Detalhe 10­4 m = 0.1 mm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog do pólem Viagem pelas dimensões Célula 10­5 m = 0.01 mm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Branca - linfócito Viagem pelas distâncias Membrana uma célula 10­6 m = 1 µm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog do núcleo de Viagem pelas dimensões Estrutura DNA 10­7 m = 0.1 µm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog enovelada do Viagem pelas dimensões Estrutura 10­8 m = 0.01 µm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog do DNA Viagem pelas dimensões Molécula O NANÔMETRO !!! Estrutura 10­9 m = 1 nm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog de DNA Atômica Nanotecnologia ­ Aplicações Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Microscópio de tunelamento Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Microscópio de tunelamento Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotubos de Carbono Nanotubos Formados a partir de folhas 2D de Grafeno enroladas sobre si mesmas... • excelentes propriedades mecânicas •Módulo de Young ­ 1TPa •quiralidade •semicondutor •metálico Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotubos de Carbono Estrutura Ligação hexagonal covalente C-C Flexibilidade, Condutividade 3000 Térmica W/mK na direção longitudinal! Condutividade 106 força e dureza Elétrica mais alta que o Cu ! Podem ser FUNCIONALIZADOS! Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotubos de Carbono ­ Aplicações Elevador espacial É preciso um cabo que suporte uma tensão máxima de 120 GPa feito de material de baixa densidade. Aço: tensão máxima < 5 GPa Nanotubos: tensão máxima = 300 GPa Nanotubos na NASA: http://www.ipt.arc.nasa.gov/index.html Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotubos de Carbono ­ Aplicações Funcionalização gera sítios ativos para adsorção de moléculas biológicas Detecção de gases. Exemplo: CO2 Nanomix (www.nano.com) Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotubos de Carbono ­ Aplicações Microscopia Aumento na resolução Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotubos de Carbono ­ Aplicações Microscopia Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotubos de Carbono ­ Aplicações Microscopia Resist Polimérico em substrato silício. Ponta Convencional Si Piramidal Ponta de MWNT Nguyen et al., Nanotechnology, 12, 363 (2001). Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotubos de Carbono ­ Aplicações Eletrônica Circuitos de nanotubos de carbono são impressos com jato­de­tinta comum (www.inovacaotecnologica.com.br) Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia Nanomagnetismo – Gravação Magnética Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog . Ferromagnetismo Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Aplicações de ímãs Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Materiais Magnéticos MACIOS: Fe, Permaloy Alta permeabilidade: bons condutores de fluxo magnético Guias de fluxo Blindagem 1 Gb/in2 Cabeça indutiva: leitura e gravação (1986 ~ 94) Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Gravação Magnética Armazenamento de Informações 1898 – Valdemar Polsen – Telegraphone” Sinal fraco – válvulas Sinal distorcido Materiais: Cabeças ↑ permeabilidade ↑ saturação Permalloy óxidos de ferrites Meio de gravação particulado filmes finos Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Avanços Tecnológicos 1898 – Valdemar Polsen – Telegraphone” Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog http://www.sciam.com/2000/0500issue/0500toig.html Materiais magnéticos em um HD Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Gravação Magnética Gbits/in2 bit diminui para dimensões sub-micromética N/bit cte diâmetro do grão do meio magnético deve diminuir cresce instabilidade térmica: Limite Superparamagnético Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Influência do Tamanho de Grão Partícula pequena multi-domínio Partícula pequena mono-domínio (bloqueado) Partícula superparamagnética direção fácil Diminuindo D “ rotação livre” dos momentos devido à desordem térmica Átomos de Co M=N x 1.64µΒ Superparamagneto N: 1000 átoms. 3nm Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Momento das partículas rigidamente alinhados Rotação Coerente de µ Contornando o Superparamagnetismo Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Meios de gravação magnética de alta densidade Protótipos de meios de gravação feitos através de Litografia (C. Ross MIT, USA), J. Vac. Sci. Technol. B 17, 3168, (1999) Problema: estabilidade impõe que KV/kT > 50 , interações exercem papel importante. Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Leitura de dados Hard disk drive (IBM) GMR Sensor (IBM) Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Leitura de dados com GMR Detecta as linhas de campo magnético que emergem entre domínios com orientações opostas Válvula de spin: sanduíche de Co/Cu/NiFe exibindo GMR de ~10%. Campo magnético emergindo do bit: roda magnetização da camada de NiFe Camada de Co: congelada pela camada AF de MnFe ou NiO. Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Leitura de dados com GMR Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia Fluidos Nanoestruturados Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog . Fluídos – Suspenções Coloidais Suspenção Coloidal MOLHO Béarnaise Vinagre Manteiga Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Fluídos – AEROGEL Material com bolhas! Bolhas em escala NANO SUPERFÍCIE!! AEROGEL – Tamanho de um torrão de açúcar 2 000 metros quadrados CAPACITORES! Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Fluídos Magnéticos ­ Ferrofluidos Suspensão de pequenas partículas em meio líquido Partículas com diâmetro nanométrico (~10nm) Partículas “ monodomínio” “ flutuam” em líquido agitação térmica: MxH – Langevin Comportamento: líquido + superparamagnético diversas aplicações Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Mais sobre pequenas partículas … Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Fluídos Magnéticos - Ferrofluidos Ausência de campo Presença de campo distribuição aleatória dos momentos magnéticos alinhamento das partículas ao longo das linhas de campo Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Magnetoviscosidade limitação da rotação livre das partículas devido ao campo magnético efeito anisotrópico eixo de magnetização em relação ao campo Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Fluidos Magneto-Reológico O fluido muda de líquido para sólido com a aplicação de campo magnético Reversível Aplicações: Suspensão automotiva Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Fluídos Magnéticos ­ Ferrofluidos Despoluição Ambiental ferrofluido com base líquida em óleo (PETRÓLEO) polímero esférico poroso impregnado com pequenas partículas magnéticas forma ferrofluido MENOS denso que a água utilização em derramamento acidental de óleo possibilidade de separação magnética posterior reutilização das partículas Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Fluídos Magnéticos ­ Ferrofluidos Despoluição Ambiental ferrofluido com base líquida em óleo (PETRÓLEO) polímero esférico poroso impregnado com pequenas partículas magnéticas forma ferrofluido MENOS denso que a água utilização em derramamento acidental de óleo possibilidade de separação magnética posterior reutilização das partículas Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia Nanobiotecnologia Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog . Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Ferrofluidos Biocompatíveis tratamento localizado - câncer biocompatível Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Rompimento magnético de microcápsulas contendo fármacos Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Liberação sistêmica Alta concentração da droga circulando livremente Baixa concentração no local desejado Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Liberação Controlada Alta concentração da droga no local desejado Baixa concentração circulando livremente Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Observação de Reações Bioquímicas Tempo de Relaxação Magnética Partículas livre e partículas ligadas: apresentam diferentes tempos de relaxação Reações detectadas uso de SQUIDs Aplicações in vivo diagnóstico de câncer Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Marcação de células Pequenas partículas de Fe3O4 (10 nm - micron) Recobertas com proteínas ou outro material. Adição de anticorpos específicos adere à substância que se deseja identificar Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Biosensores Magnéticos com GMR Espécies biológicas como células, proteínas, anticorpos, toxinas, DNA, etc, podem ser rotuladas ligando as mesmas a partículas superparamagnéticas (ferritas puras ou encapsuladas) Partículas são recobertas com uma espécie química ou biológica (ex:anticorpos, DNA) que se liga seletivamente ao alvo de análise. Espécies rotuladas podem ser imobilizadas bioquimicamente em regiões específicas de “ chips” e detectadas através de sensores magnéticos que exibem GMR integrados aos chips. Aplicação: análise clínica/médica, de DNA, de água, poluição de rios, etc. Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Aumento de contraste em RMN Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanopartículas ­ Aplicações Biomédicas Hipertermia: Tratamento de células cancerígenas por aquecimento http://www.imprs-am.mpg.de/nanoschool2004/lectures-I/Hofmann_IMPRS.pdf Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Dia a Dia – Dispositivos Eletrônicos Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Dia a Dia : primeira necessidade!!! Nanopartículas orgânicas que penetram profundamente na pele! Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia na Natureza Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Bactéria Magnetostática Quando expostas a um campo magnético movimentam-se de acordo com o campo Em direção ao norte magnético "north-seeking“ (maioria) Em direção ao sul magnético "south seeking". Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Bactéria Magnetostática A natureza magnética: pequenas partículas magnéticas (nm) no interior das bactérias Magnetita: Fe3O4 Cadeias de partículas Reagem ao campo como uma bússola Alinhamento paralelo ao campo magnético da Terra. Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Lagartixas Forças de Van der Walls Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Adesivos Processos de cicatrização Sistemas de Aderência Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia e Nanociência no Brasil Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia e Nanociência no Brasil Instituições UNICAMP, Públicas LNLS, UFMG, UFPE, UFRGS, UFSC, UFSCar, UnB UFRJ, UFF, CBPF, PUC-RIO Projetos: CNPq, FAPESP, CAPES, FAPERJ, FINEP, .... REDES, MILÊNIO, TEMÁTICOS, UNIVERSAL, etc... Material Utilizado: www.cordis.lu/nanotechnology Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog FIM Novas Aplicações !!! Novas idéias !!! ......futuro promissor ? Implicações? Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia e Nanociência no Brasil Divulgação Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia e Nanociência no Brasil O Projeto NanoAventura A NanoAventura é uma experiência artística e cultural que, através do uso de diferentes mídias procura transmitir conhecimentos da nanociência e a nanotecnologia. Neste projeto teatro, música, jogos, animações, vídeos e artes plásticas são utilizados para formar um conjunto cultural harmônico, envolvendo o público participante. Em um ambiente de imersão, atores, monitores e visitantes compartilham um mesmo palco e desenvolvem uma experiência única. Plataforma A NanoAventura é uma plataforma itinerante inovadora para ser utilizada no campo da cultura científica e tecnológica. Atualmente encontra­se instalada no Parque do Taquaral em Campinas­SP. Em seu roteiro de itinerância o projeto irá para Goiânia, São Paulo, Recife e Salvador. Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia e Nanociência no Brasil NanoAventura Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog Nanotecnologia e Nanociência no Brasil NanoAventura Instituto de Física ­ UFRJ ­ Introdução à Nanotecnolog
