Esta linha temporal apresenta exemplos pré-modernos de nanotecnologia, bem como descobertas e marcos da Era Moderna no campo da nanotecnologia.
Exemplos pré-modernos de nanotecnologias
Exemplos precoces de materiais nanoestruturados foram baseados na compreensão empírica e manipulação de materiais por parte dos artesãos. O uso de calor elevado foi uma etapa comum em seus processos para produzir estes materiais com propriedades inovadoras.
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A Taça Lycurgus no Museu Britânico, iluminada por fora (esquerda) e por dentro (direita)
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4th Century: A Taça Lycurgus (Roma) é um exemplo de vidro dicróico; o ouro coloidal e a prata no vidro permitem que ele pareça verde opaco quando iluminado por fora, mas vermelho translúcido quando a luz brilha por dentro. (Imagens à esquerda.)
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Polychrome lustreware bowl, 9th C, Iraq, British Museum (©Trinitat Pradell 2008)
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9th-17th Centuries: esmaltes cerâmicos brilhantes e brilhantes “lustrosos” usados no mundo islâmico, e mais tarde na Europa, continham prata ou cobre ou outras nanopartículas metálicas. (Imagem à direita.)
A rosácea Sul da Catedral de Notre Dame, cerca de 1250
6º-15º Séculos: Os vitrais vibrantes das catedrais europeias deviam as suas cores ricas a nanopartículas de cloreto de ouro e outros óxidos e cloretos metálicos; as nanopartículas de ouro também funcionavam como purificadores de ar fotocatalíticos. (Imagem à esquerda.)
13º-18º Séculos: As lâminas de sabão “Damascus” continham nanotubos de carbono e nanofios de cimento – uma formulação de aço de ultra-alto-carbono que lhes dava resistência, resiliência, capacidade de manter uma aresta aguçada e um padrão moiré visível no aço que dá nome às lâminas. (Imagens abaixo.)
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| (Esquerda) Um sabre de Damasco (foto de Tina Fineberg para o The New York Times). (Direita) Imagem de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução de nanotubos de carbono em um sabre de Damasco genuíno após dissolução em ácido clorídrico, mostrando restos de nanofios de cimento encapsulados por nanotubos de carbono (barra de escala, 5 nm) (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006). | |
Exemplos de Descobertas e Desenvolvimentos que Viabilizam a Nanotecnologia na Era Moderna
Estes são baseados em compreensão científica e instrumentação cada vez mais sofisticada, bem como experimentação.
Colóide de ouro “Ruby” (Boletim de Ouro 2007 40,4, p. 267)
1857: Michael Faraday descobriu o ouro “rubi” coloidal, demonstrando que o ouro nanoestruturado sob certas condições de iluminação produz soluções de cores diferentes.
1936: Erwin Müller, trabalhando no Laboratório de Pesquisa Siemens, inventou o microscópio de emissão de campo, permitindo imagens de resolução quase atômica de materiais.
1947: John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain no Bell Labs descobriram o transistor semicondutor e expandiram muito o conhecimento científico das interfaces semicondutoras, lançando as bases para dispositivos eletrônicos e a Era da Informação.
1947 transistor, Bell Labs
1950: Victor La Mer e Robert Dinegar desenvolveram a teoria e um processo de crescimento de materiais coloidais monodispersos. A capacidade controlada de fabricar colóides permite uma miríade de usos industriais, tais como papéis especializados, tintas e filmes finos, inclusive tratamentos de diálise.
1951: Erwin Müller foi pioneiro no microscópio de íons de campo, um meio de imaginar a disposição dos átomos na superfície de uma ponta afiada de metal; ele primeiro imitou átomos de tungstênio.
1956: Arthur von Hippel no MIT introduziu muitos conceitos de – e cunhou o termo “engenharia molecular” como aplicado à dielétrica, ferroelétrica e piezoelétrica
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Jack Kilby, cerca de 1960.
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1958: Jack Kilby da Texas Instruments originou o conceito, desenhou e construiu o primeiro circuito integrado, pelo qual recebeu o Prémio Nobel em 2000. (Imagem à esquerda.)
Richard Feynman (Arquivos Caltech)
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1959: Richard Feynman do Instituto de Tecnologia da Califórnia deu o que é considerado a primeira palestra sobre tecnologia e engenharia à escala atómica, “There’s Plenty of Room at the Bottom” numa reunião da American Physical Society na Caltech. (Imagem à direita.)
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Moore primeiro gráfico público mostrando a sua visão da indústria de semicondutores sendo capaz de “enfiar mais componentes em circuitos integrados”
1965: O co-fundador da Intel Gordon Moore descreveu na revista Electronics várias tendências que ele previu no campo da electrónica. Uma tendência agora conhecida como “Lei de Moore”, descreveu a densidade de transistores em um chip integrado (CI) dobrando a cada 12 meses (mais tarde emendada a cada 2 anos). Moore também viu os tamanhos dos chips e os custos diminuírem com a sua crescente funcionalidade – com um efeito transformador na forma como as pessoas vivem e trabalham. O facto de a tendência básica que Moore imaginava ter continuado durante 50 anos deve-se, em grande medida, à crescente dependência da indústria dos semicondutores em relação à nanotecnologia, uma vez que os circuitos integrados e os transístores se aproximaram das dimensões atómicas.1974: O Professor Norio Taniguchi da Universidade de Ciências de Tóquio cunhou o termo nanotecnologia para descrever a maquinagem de precisão dos materiais dentro das tolerâncias dimensionais à escala atómica. (Ver gráfico à esquerda.)
1981: Gerd Binnig e Heinrich Rohrer do laboratório de Zurique da IBM inventaram o microscópio de varredura em túnel, permitindo aos cientistas “ver” (criar imagens espaciais diretas de) átomos individuais pela primeira vez. Binnig e Rohrer ganharam o Prêmio Nobel por esta descoberta em 1986.
1981: O russo Alexei Ekimov descobriu pontos quânticos nanocristalinos semicondutores numa matriz de vidro e realizou estudos pioneiros das suas propriedades electrónicas e ópticas.
1985: Os pesquisadores da Universidade do Arroz Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl e Richard Smalley descobriram o Buckminsterfullerene (C60), mais comumente conhecido como Buckyball, que é uma molécula parecida com uma bola de futebol em forma e composta inteiramente de carbono, assim como grafite e diamante. A equipe recebeu o Prêmio Nobel de Química de 1996 por seus papéis nesta descoberta e o da classe mais completa de moléculas em geral. (Retrato do artista à direita.)
1985: Louis Brus, da Bell Labs, descobriu nanocristais de semicondutores coloidais (pontos quânticos), pelos quais partilhou o Prémio Kavli 2008 em Nanotecnologia.
1986: Gerd Binnig, Calvin Quate e Christoph Gerber inventaram o microscópio de força atômica, que tem a capacidade de visualizar, medir e manipular materiais até frações de um nanômetro em tamanho, incluindo a medição de várias forças intrínsecas aos nanomateriais.
1989: Don Eigler e Erhard Schweizer no Almaden Research Center da IBM manipularam 35 átomos individuais de xénon para soletrar o logótipo da IBM. Esta demonstração da capacidade de manipular precisamente os átomos deu início ao uso aplicado da nanotecnologia. (Imagem à esquerda.)
1990s: As primeiras empresas de nanotecnologia começaram a operar, por exemplo, Nanophase Technologies em 1989, Helix Energy Solutions Group em 1990, Zyvex em 1997, Nano-Tex em 1998….
1991: A Sumio Iijima da NEC é creditada com a descoberta do nanotubo de carbono (CNT), embora tenha havido observações iniciais de estruturas tubulares de carbono por outros também. Iijima compartilhou o Prêmio Kavli em Nanociência em 2008 por este avanço e outros avanços no campo. Os CNTs, tal como os buckyballs, são inteiramente compostos de carbono, mas em forma tubular. Possuem propriedades extraordinárias em termos de resistência, condutividade elétrica e térmica, entre outras. (Imagem abaixo.)
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| Nanotubos de carbono (cortesia, National Science Foundation). As propriedades dos CNTs estão sendo exploradas para aplicações em eletrônica, fotônica, tecidos multifuncionais, biologia (por exemplo, como um andaime para cultivar células ósseas), e comunicações. Veja um artigo da Discovery Magazine 2009 para outros exemplos | SEM micrografia de nanotubos purificados “papel” em que os nanotubos são as fibras (barra de escala, 0,001 mm) (cortesia, NASA). | Uma matriz de nanotubos de carbono alinhados, que podem agir como uma antena de rádio para detectar luz em comprimentos de onda visíveis (barra de escala, 0,001 mm) (cortesia, K. Kempa, Boston College). |
1992: C.T. Kresge e colegas da Mobil Oil descobriram os materiais catalíticos nanoestruturados MCM-41 e MCM-48, agora utilizados fortemente na refinação de petróleo bruto, bem como para o fornecimento de medicamentos, tratamento de água e outras aplicações variadas.
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| MCM-41 é um nanomaterial de sílica de “peneira molecular mesoporosa” com um arranjo hexagonal ou “favo de mel” de seus poros cilíndricos retos, como mostrado nesta imagem TEM (cortesia de Thomas Pauly, Michigan State University). | Esta imagem TEM do MCM-41 olha para os poros cilíndricos rectos enquanto se encontram perpendiculares ao eixo de visão (cortesia de Thomas Pauly, Michigan State University). |
1993: Moungi Bawendi do MIT inventou um método de síntese controlada de nanocristais (pontos quânticos), abrindo caminho para aplicações que vão da computação à biologia, passando pela fotovoltaica e iluminação de alta eficiência. Nos próximos anos, o trabalho de outros pesquisadores como Louis Brus e Chris Murray também contribuiu com métodos de síntese de pontos quânticos.
1998: O Grupo de Trabalho Interagências em Nanotecnologia (IWGN) foi formado sob o Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia para investigar o estado da arte em ciência e tecnologia em nanoescala e para prever possíveis desenvolvimentos futuros. O estudo e relatório do IWGN, Direções de Pesquisa em Nanotecnologia: Visão para a Próxima Década (1999) definiu a visão para e levou diretamente à formação da Iniciativa Nacional de Nanotecnologia dos EUA em 2000.
1999: Os pesquisadores da Universidade de Cornell Wilson Ho e Hyojune Lee sondaram segredos de ligação química através da montagem de uma molécula de componentes constituintes com um microscópio de varredura em túnel. (Imagem à esquerda.)
1999: Chad Mirkin da Northwestern University inventou a dip-pen nanolitografia® (DPN®), levando à “escrita” de circuitos eletrônicos reprodutíveis e manufaturáveis, assim como a padronização de biomateriais para pesquisa em biologia celular, nanoencryption, e outras aplicações. (Imagem abaixo à direita.)
Uso de DPN para depositar biomateriais ©2010 Nanoink
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1999 – início dos anos 2000: Produtos de consumo que fazem uso da nanotecnologia começaram a aparecer no mercado, incluindo pára-choques de automóveis leves que resistem a amolgadelas e arranhões, bolas de golfe que voam mais retas, raquetes de tênis que são mais rígidas (portanto, a bola rebola mais rápido), tacos de beisebol com melhor flexibilidade e “chute”,” meias nano-prata antibacterianas, protetores solares transparentes, roupas resistentes a rugas e manchas, cosméticos terapêuticos de penetração profunda, revestimentos de vidro resistentes a riscos, baterias de recarga mais rápida para ferramentas elétricas sem fio e visores melhorados para televisores, telefones celulares e câmeras digitais.
2000: O Presidente Clinton lançou a Iniciativa Nacional de Nanotecnologia (NNI) para coordenar os esforços federais de R&D e promover a competitividade dos EUA na nanotecnologia. O Congresso financiou a NNI pela primeira vez no ano fiscal de 2001. O Subcomitê NSET do NSTC foi designado como o grupo interagências responsável pela coordenação do NNI.
2003: O Congresso promulgou a Lei de Pesquisa e Desenvolvimento em Nanotecnologia do Século XXI (P.L. 108-153). A lei forneceu uma base estatutária para o NNI, estabeleceu programas, atribuiu responsabilidades às agências, autorizou níveis de financiamento e promoveu pesquisas para abordar questões-chave.
Simulação computacional do crescimento de nanohell de ouro com núcleo de sílica e camada superior de ouro (cortesia N. Halas, Genome News Network, 2003)
2003: Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek e Renata Pasqualin da Universidade de Rice desenvolveram nanohells de ouro, que quando “afinadas” em tamanho para absorver luz infravermelha próxima, servem como plataforma para a descoberta integrada, diagnóstico e tratamento do câncer de mama sem biópsias invasivas, cirurgia ou radiação sistemicamente destrutiva ou quimioterapia.2004 A Comissão Europeia adoptou a Comunicação “Para uma Estratégia Europeia sobre Nanotecnologia”, COM(2004) 338, que propunha institucionalizar os esforços europeus em nanociências e nanotecnologias R&D no âmbito de uma estratégia integrada e responsável, e que impulsionou os planos de acção europeus e o financiamento contínuo das nanotecnologias R&D. (Imagem à esquerda.)
2004: A Royal Society Britânica e a Royal Academy of Engineering publicaram Nanociências e Nanotecnologias: Oportunidades e Incertezas defendendo a necessidade de abordar potenciais questões de saúde, ambientais, sociais, éticas e regulamentares associadas à nanotecnologia.
2004: A SUNY Albany lançou o primeiro programa de ensino superior em nanotecnologia nos Estados Unidos, o College of Nanoscale Science and Engineering.
2005: Erik Winfree e Paul Rothemund do Instituto de Tecnologia da Califórnia desenvolveram teorias para computação baseada em DNA e “auto-montagem algorítmica” nas quais os cálculos são incorporados no processo de crescimento de nanocristais.
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Nanocar com rodas de balão girando (crédito: RSC, 29 de março de 2006).
2006: James Tour e colegas da Rice University construíram um carro nanoescala feito de oligo(phenylene ethynylene) com eixos alkynyl e quatro rodas C60 fullerene (buckyball) esféricas. Em resposta ao aumento da temperatura, o nanocar se deslocou sobre uma superfície dourada como resultado do giro das rodas de bolas de balão, como em um carro convencional. A temperaturas acima de 300°C ele se movimentava muito rápido para que os químicos pudessem acompanhá-lo! (Imagem à esquerda.)
2007: Angela Belcher e colegas do MIT construíram uma bateria de iões de lítio com um tipo comum de vírus que não é prejudicial para os humanos, usando um processo de baixo custo e ambientalmente benigno. As baterias têm a mesma capacidade de energia e desempenho energético das baterias recarregáveis de última geração sendo consideradas para alimentar carros híbridos plug-in, e também poderiam ser usadas para alimentar dispositivos eletrônicos pessoais. (Imagem à direita.)
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(L a R) Os professores do MIT Yet-Ming Chiang, Angela Belcher e Paula Hammond exibem um filme carregado de vírus que pode servir como o ânodo de uma bateria. (Foto: Donna Coveney, MIT News.)
2008: Foi publicada a primeira Estratégia oficial da NNI para Investigação Ambiental, Saúde e Segurança (EHS) relacionada com a Nanotecnologia, baseada num processo de dois anos de investigações e diálogos públicos patrocinados pela NNI. Este documento estratégico foi atualizado em 2011, após uma série de workshops e revisões públicas.
2009-2010: Nadrian Seeman e colegas da Universidade de Nova York criaram vários dispositivos de montagem de nanoescala robótica semelhante ao DNA. Um deles é um processo para criar estruturas de DNA 3D usando sequências sintéticas de cristais de DNA que podem ser programadas para se auto-montagem usando “pontas pegajosas” e colocação em uma ordem e orientação definidas. A nanoelectrónica pode beneficiar: a flexibilidade e densidade que os componentes 3D em nanoescala permitem, pode permitir a montagem de peças mais pequenas, mais complexas e mais espaçadas. Uma outra criação do Seeman (com colegas da Universidade chinesa de Nanjing) é uma “linha de montagem de DNA”. Para este trabalho, Seeman compartilhou o Prêmio Kavli em Nanociência em 2010.
2010: A IBM usou uma ponta de silicone medindo apenas alguns nanômetros em seu ápice (semelhante às pontas usadas nos microscópios de força atômica) para afastar o material de um substrato para criar um mapa completo em relevo nanoescala 3D do mundo um a um milésimo do tamanho de um grão de sal em 2 minutos e 23 segundos. Esta atividade demonstrou uma poderosa metodologia de padronização para gerar padrões e estruturas em nanoescala tão pequenas quanto 15 nanômetros a um custo e complexidade muito reduzidos, abrindo novas perspectivas para campos como eletrônica, optoeletrônica e medicina. (Imagem abaixo.)
Uma imagem renderizada de uma ponta de silício em nanoescala, cinzelando o menor mapa em relevo do mundo a partir de um substrato de vidro molecular orgânico. Em primeiro plano é mostrado o Mar Mediterrâneo e a Europa. (Imagem cortesia de Materiais Avançados.)
2011: O Subcomité da NSET actualizou tanto o Plano Estratégico da NNI como a Estratégia de Investigação Ambiental, Saúde e Segurança da NNI, baseando-se em extensos contributos de workshops públicos e no diálogo online com as partes interessadas do Governo, universidades, ONGs e o público, e outros.
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2012: A NNI lançou mais duas Iniciativas de Assinatura em Nanotecnologia (NSIs)–Nanosensores e a Infra-estrutura de Conhecimento em Nanotecnologia (NKI)– elevando o total para cinco NSIs.
2013:
-O NNI inicia a próxima rodada de Planejamento Estratégico, começando com o Workshop de Partes Interessadas.
-Stanford pesquisadores desenvolvem o primeiro computador nanotubo de carbono.
2014:
-O NNI lança o Plano Estratégico de 2014 atualizado.
-O NNI lança a Revisão de Progresso de 2014 sobre a Implementação Coordenada da Estratégia de Pesquisa em Meio Ambiente, Saúde e Segurança do NNI 2011.