NANOCARROS
Instituto de Física
Universidade de São Paulo
Introdução à Nanociência e Nanotecnologia
Professora Helena Maria Petrilli
19 de maio de 2011
Aline Yuri Nakamura – nº USP 5643841
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ÍNDICE
1. Aplicações
2. Definição
3. Como funciona
4. Experimento
5. Conclusão
6. Bibliografia
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POR QUE NANOCARROS?
 Criar sistema molecular artificial que imita algumas propriedades
de motores biológicos
 Diagnóstico no corpo humano
 Remoção de tumores
 Construção de circuitos eletrônicos ultraminiaturizados
 Nanorrobôs
 Máquinas miniaturizadas
 Construir máquinas a partir de moléculas de modo muito
parecido com o que a natureza faz, tornando-as capazes de
desempenhar tarefas específicas nos organismos vivos
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NANOMÁQUINAS
 Dispositivos que permitem
i.
Movimento mecânico controlado
ii.
Transporte de nanocargas
 Duas abordagens:
i.
Top-Down: reduz o tamanho de objetos macroscópicos
(fotolitografia e técnicas relacionadas)
ii.
Bottom-up: constrói funcionais macro ou nanoscópicos a
partir de “blocos moleculares”, utiliza-se da propriedade
química de moléculas para organizar ou montar uma
estrutura
NANOCARROS
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O QUE SÃO NANOCARROS?
 2005: Rice University – Professores James M. Tour e Kevin Kelly
 Problema: movimentar fulerenos sobre superfícies metálicas
•
•
•
•
Terceira forma mais estável do carbono
Nanomoléculas aromáticas
Altamente simétricas
Mais conhecido: C60 – diâmetro de 1nm
Também
conhecido como
futeboleno
C60 – Buckminsterfullereno:
12 pentágonos e 20
hexágonos
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A MOLÉCULA
Imagem da Rice University Office of Media Relations
(Dr. Kevin Kelly)
Imagem da Rice University (Profº James M
Tour Group)
3 a 4 nm
Rodas
Chassi
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ROLAMENTO DAS RODAS
 Estrutura
com
movimento
direcional
controlado
em
uma
superfície devido ao rolamento das rodas – transporta carga de
um ponto A a um ponto B
 Não há o comportamento “stick-slip”
 Rolamento das rodas: acontece através de estímulo externo
(como campo elétrico) e devido à ligação do fulereno com o
restante da estrutura o nanocarro tem a habilidade de rolar na
superfície além de ter flexibilidade ortogonal ao plano da
superfície
 Para controlar o movimento do nanocarro é utilizado o STM
(microscópio eletrônico de tunelamento)
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STM-IMAGES MOTION – O EXPERIMENTO, PARTE I
Fonte: Artigo “Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars”
 Nanocarros mantiveram-se estáveis e estácionários cobre uma superfície de ouro
em temperatura ambiente
 Estabilidade = grande força de adesão entre o fulereno e o ouro (essa adesão
entre os dois materiais já vem sendo observada e estudada anteriormente)
 Os nanocarros permaneceram parados até aproximadamente 170º C
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STM-IMAGES MOTION – O EXPERIMENTO, PARTE II
 Imagens
(b)
a
(k):
Tratamento
térmico em ~200ºC, corrente de
tunelamento de 200pA. A orientação
do nanocarro é determinada pela
separação das rodas (fulerenos).
 Imagens
(h)
a
(k):
Tratamento
térmico em ~225ºC, corrente de
tunelamento de 200pA. Mostra o
movimento de giro.
Fonte: Artigo “Synthesis of Single-Molecule Nanocars”
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STM-IMAGES MOTION – O EXPERIMENTO, PARTE II
Vídeo da Rice University – Profº James Tour Group
(http://www.jmtour.com/about/photos_graphics/nanocars/)
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STM-IMAGES MOTION – O EXPERIMENTO, PARTE III
Fonte: Artigo “Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars”
STM – um único nanocarro
a. O nanocarro é puxado pela ponta do STM na direção
perpendicular ao seu eixo quando a ponta do STM é
colocada na frente do nanocarro na direção do
movimento (imagem a→b)
b. Quando a ponta foi colocada ao lado, a 90º do primeiro
movimento, a estrutura não se moveu
c. Sendo utilizada a mesma técnica de a. o nanocarro se
move
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STM-IMAGES MOTION
 “Empurrar” o nanocarro com a ponta do STM não causa o
movimento da molécula
Atípico na manipulação molecular por STM, onde praticamente em todos
os casos uma molécula orgânica é “empurrada” pela ponta do STM
 Essa sequência de manipulações ilustra a forte preferência
direcional da molécula, movimentos perpendiculares aos eixos
Resultado esperado para o fulereno
 Resultado: é possível controlar a direção de movimento em
tamanho molecular de nanoestruturas dirigindo o rolamento,
utilizando “rodas” de fulereno C-60 com eixos com base em
alcinos (hidrocarbonetos acíclicos)
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PRÓXIMOS PASSOS....
 Nanomotores – similar ao nanocarro mas contendo uma estrutura
que gera energia para o nanocarro se movimentar, por exemplo,
energia a partir da luz, campo elétrico induzido entre outras
 Nanotrens – vários nanocarros acoplados
 Nanodragster – movimento com maior velocidade
 Nanocarro frio – por fluorescência, permite o movimento em
superfícies não condutoras de eletricidade e em temperatura
ambiente (não utiliza STM)
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SCIFINDER VIDEO - NANOCAR
SciFinder: http://www.youtube.com/watch?v=lASdcW-BtiU
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AGRADECIMENTO E REFERÊNCIAS
Agradecimento ao Profº Douglas Soares Galvão, professor titular do Departamento
de Física Aplicada do IFGW da UNICAMP, que muito generosamente indicou
algumas referências utilizadas para a elaboração deste seminário.
1.
G. Vives e J. M. Tour, “Synthesis of Single-Molecule Nanocars”, Accounts of Chemical
Research, 473-487, 2009
2.
Y. Shirai, A. J. Osgood, Y. Zhao, K. F. Kelly e J. M. Tour, “Directional Control in Thermally Driven
Single-Molecule Nanocars”, Nano Letters, Vol. 5, No. 11, 2330-2334, 2005
3.
A. V. Akimov, A. V. Nemukhin, A. A. Moskovsky, A. B. Kolomeisky e J. M. Tour, “Molecular
Dynamics of Surface-Moving Thermally Driven Nanocars”, J. Chem. Theory Comput., 4, 652656, 2008
4.
S. B. Legoas, R. Giro e D. S. Galvão, “Molecular dynamics simulations of C60 nanobearings”,
Chemical Physics Letters, 384, 2004
5.
G. Brunetto, F. Sato, X. Bouju e D. Galvão, “The First Molecular Wheel: A Theoretical
Investigation”, MRS Fall Meeting, 2010
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REFERÊNCIAS
1.
R. Otero, F. Hümmelink, F. Sato, S. B. Legoas, P. Thostrup, E. Laegsgaard, I. Stensgaard, D. S.
Galvão e F. Besenbacher, “ Lock-and-key effect in the surface diffusion of large organic
molecules probed by STM, Nature Publishing Group, Vol. 3, 2004
2.
Site: http://www.jmtour.com/about/photos_graphics/nanocars/ (14/mai/11)
3.
Site: http://www.rice.edu/media/nanocar.html (14/mai/11)
4.
Site: http://cnx.org/content/m14511/latest/ (14/mai/11)
5.
Site: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=nanocarro-molecular-rodalivre&id=010165090209 (14/mai/11)
MUITO OBRIGADA!
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ANEXOS
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ANEXO
Fonte: Artigo “Synthesis of Single-Molecule Nanocars”
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Fonte: Artigo “Synthesis of Single-Molecule Nanocars”
ANEXO
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ANEXO
Profº Douglas Galvão et al:
•
“Molecular-Dynamics Simulations of Carbon
Nanotubes as Gigahertz Oscillators”
•
“Molecular dynamics simulations of C60
nanobearings”
•
“The First Molecular Wheel: A Theoretical
Investigation”
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