Materiais e Fabricação

Materiais e fabricação tratam da aplicação de conhecimentos relativos à composição, estrutura e processamento de materiais às suas propriedades e desempenho em aplicações.

Nas últimas duas décadas, houve um progresso significativo no uso de materiais compósitos em uma variedade de aplicações diárias que exigem materiais com características de desempenho superiores. Materiais compósitos são materiais projetados feitos de dois ou mais materiais constituintes com propriedades físicas ou químicas significativamente diferentes. A nanotecnologia emergiu como uma tecnologia chave utilizada na fabricação de novas classes de materiais compósitos com propriedades e desempenho amplamente melhorados.

Embora ainda sejam utilizados métodos de fabricação “de cima para baixo”, a nanotecnologia capacitou uma abordagem “de baixo para cima” para modificar as propriedades dos materiais em nível nanoescala.

Um método clássico (“de cima para baixo”) para nanofabricação é litografia por feixe de elétrons (EBL). Na EBL, um feixe de elétrons é varrido através de uma superfície coberta por uma película (chamada de resistir). O feixe remove seletivamente regiões expostas ou não expostas do resistir. Este processo resulta em estruturas muito pequenas no resistir que pode ser transferido litograficamente para outro material e usado para criar dispositivos eletrônicos muito pequenos. EBL pode produzir estruturas menores que 10 nm que podem ser usadas em aplicações como células solares e outros dispositivos semicondutores e optoeletrônicos.

Outro exemplo de método para a fabricação de nanopadrões é chamado litografia de nanoimpressão. Esta é uma ferramenta na qual um molde mestre é feito usando uma técnica serial como EBL, e esse molde é estampado em um polímero macio como o polidimetilsiloxano (PDMS). Este método atingiu resoluções de 10 nm e pode ser usado para fazer microcanais para dispositivos biomédicos e reatores químicos de pequena escala.

Um método interessante de formar uma nanoestrutura periódica de baixo para cima é chamado de automontagem. A automontagem ocorre quando certos átomos, moléculas ou outras estruturas em nanoescala são energeticamente atraídos uns pelos outros e se unem para formar um padrão repetitivo no nível molecular. Essa técnica pode ser comparada a um quebra-cabeça que se monta sozinho depois que suas peças são misturadas em uma caixa. Você pode imaginar isso acontecendo?

Um bom exemplo de fabricação de uma nanoestrutura específica através da automontagem é fornecido por nanotubos de carbono (CNT). Os CNTs possuem excelentes propriedades mecânicas, elétricas e ópticas. Dependendo do seu uso, os CNTs podem ser fabricados para apresentar alta resistência à tração e alta condutividade elétrica.

Eles foram recentemente usados para reforçar e conferir resistência mecânica a uma variedade de compósitos poliméricos que são usados como armaduras corporais, cabos de linhas de transmissão e têxteis. As propriedades balísticas de transporte de elétrons tornam os CNTs um material atraente para interconexões de dispositivos em computadores e para telas de cristal líquido (LCDs).

Os nanotubos de carbono foram sintetizados pela primeira vez pelo físico japonês Sumio Iijima ao estudar os depósitos deixados durante a síntese de fulerenos por evaporação em arco (um fulereno é um tipo de molécula de carbono). Desde esta descoberta, os nanotubos de carbono foram sintetizados controlando as condições do processo de evaporação do arco. Além deste método de síntese, os nanotubos de carbono podem ser fabricados usando técnicas como pulverização catódica, deposição química de vapor e deposição química de vapor aprimorada por plasma. Em cada uma dessas técnicas de processamento, os átomos de carbono se unem e se montam automaticamente na geometria de um nanotubo de carbono.

Os materiais cerâmicos também podem ser nanoestruturados e, em alguns casos, apresentam aspectos de automontagem sob certas condições de processamento. Geralmente, as cerâmicas são processadas em altas temperaturas e são frequentemente utilizadas em aplicações que exigem materiais que possam sobreviver a ambientes extremos.

Embora várias cerâmicas tenham sido utilizadas durante milénios como materiais de construção (tais como tijolos e blocos de pedra), os avanços nas tecnologias de fabrico de cerâmica levaram ao desenvolvimento de novas cerâmicas técnicas. Esses materiais atendem a uma variedade de aplicações modernas, desde microeletrônica até utensílios de cozinha. Por exemplo, estes materiais são utilizados em isoladores de alta tensão e como materiais altamente isolantes para sondas espaciais devido às suas excelentes propriedades térmicas e elétricas. Compósitos vitrocerâmicos nanoestruturados também são utilizados em equipamentos ópticos. No geral, os materiais e as tecnologias de fabricação exploram nossa compreensão da ciência dos materiais para produzir materiais nanoestruturados de última geração e dispositivos relacionados com baixos custos de fabricação e características de alto desempenho.