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Exercícios de nanociência

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Esta apresentação demonstra alguns exercícios simples que esclarecem a nanociência de uma forma clara, acessível e a custo zero para professores usar em salas de aulas. Ideal para disciplinas de física, matemática, biologia, química, cursos técnicos ou acadêmicos. Essa listagem de exercícios tem a intenção única de divulgação científica e aumento do volume de informações na área a quem tiver interesse. A nanociência é uma ciência em desenvolvimento e constante crescimento, no qual este trabalho é um exemplar de sua dimensão. A apresentação é ideal para estudantes do ensino médio, como referência para o conhecimento sobre este assunto um pouco espinhoso, mas simples como se verá nessa apresentação. Aos estudantes, profissionais e interessados resta desejar um bom proveito nesta apresentação, a sua leitura e compreensão completa. E qualquer sugestão ou critica será bem-vinda para uma próxima atualização.

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Exercícios de nanociência

  1. 1. Exercícios de Nanociência Desenvolvidos pelo PROF. cientista Edilson Gomes de Lima C2013 – Todos os direitos reservados OPEN THINK INNOVATE QUESTION SCIENCE DO ASK NANOSCIENCE
  2. 2. PUBLICAÇÃO SOBRE NANOTECNOLOGIA TEMA: EXÉRCICIOS PARA NANOCIÊNCIA PARA PROFESSORES USAR EM AULA Do Prof. Edilson Gomes de Lima Nano Techno Logia
  3. 3. Apresentação PUBLICAÇÃO SOBRE NANOTECNOLOGIA TEMA: EXÉRCICIOS PARA NANOCIÊNCIA EM AULAS DE FÍSICA Abstract: This article raises the question of the importance of adding issues related to nanoscience and nanotechnology in physical discipline for the use of high school teachers, university and graduate. The issues outlined in this paper are examples and suggestions ready to be worked on developing the lesson plan, serving as a kind of script or manuscript to Professor exact and so add nanoscience and nanotechnology in their discipline. With these exercises model teachers, can use them freely in class, or on the basis for other applications in their classes. The professor of exact sciences, especially physical discipline will notice how your area could to explore nanoscience and nanotechnology. Bringing an issue that is growing in the world and can assist their students in a better understanding of these issues in more depth, and above all training in applications and physical tools in a specific area. Keywords: Physic, nanoscience, nanotechnology.
  4. 4. • Resumo • A questão levantada neste artigo é sobre o uso de outras disciplinas no ensino de física, desviando o foco dos alunos para outro assunto enquanto estão praticando as ferramentas da física e aprendendo seus conceitos, ao mesmo tempo em que aprendem outros conceitos de outras disciplinas. Para isso, o artigo sugere o uso do ensino de nanociências e nanotecnologia pelos professores de física para o ensino de física. O professor de física em geral por meio deste artigo pode fazer uma compreensão geral e desta forma, diante dos conceitos de nanociências e nanotecnologia trabalhar as ferramentas da física de acordo com as necessidades do grau de sua classe, seja no colegial, graduação, pós-graduação e inclusive em cursos técnicos. Este artigo também levanta a indagação sobre a importância de se adicionar questões ligadas a nanociências e nanotecnologia na disciplina de física, para o uso de professores do ensino médio, universidade e pós-graduação. As questões expostas neste trabalho são exemplos prontos e sugestões a serem trabalhadas no desenvolvimento do plano de aula, servindo como uma espécie de Script ou manuscript ao professor de exatas e assim adicionar a nanociência e nanotecnologia em sua disciplina. Com estes exercícios modelo os professores podem usá-los livremente em aula, ou os tomando como base
  5. 5. • Discussão básica sobre nanociência • A nanociência é o estudo conceitual para a nanotecnologia, em outras palavras primeiro se faz o estudo dos conceitos acadêmicos sobre o assunto, considerando as teorias e os estudos básicos, no caso da nanotecnologia é incluído a técnica, a parte prática e a engenharia básica para colocar os conceitos na forma de produtos, processos e serviços. Assim temos a nanociência e nanotecnologia, e suas áreas de aplicação são infinitas, tanto em inovações como aplicações em tecnologias já existentes, apresentando centenas ou milhares de vantagens, contemplando materiais, redução de custos, customização e muitos outros aspectos importantes. Neste artigo não tem o objetivo de levar o conhecimento profundo e nem ensinar nanociência ao físico, e menos ainda descrever termos sobre o assunto para os físicos, mas apenas sugerir este assunto como ferramenta para aulas. Desta forma é importante que o físico compreenda o que é a construção de nanomateriais, as técnicas usadas como botton-up e top-down, as principais nanopartículas, suas características, propriedades e até utilização, como e.g., o fulereno, grafeno, nanotubo e até discutir riscos envolvidos ao qual a física poderia apresentar meios de contenção. Em resumo, há uma infinidade de temas neste assunto para o professor de física trabalhar a sua disciplina já que a física é a principal ferramenta para o desenvolvimento da nanociência e a nanotecnologia. Portanto, a física e a nanociência são complementares e nestes novos tempos é importante que os alunos de diversos níveis tenham ao menos o básico sobre este assunto em mente. E neste intuito este artigo chama a atenção dos professores, estudantes e envolvidos com a disciplina da física. Pelas tendências estudadas pelo pesquisador, dentro dos próximos dez anos milhares de empregos e áreas surgirão na área de nanociências, incluindo muitos cursos ao qual esses pequenos passos da física voltados a este assunto, embora parecem básicos e até irrisórios agora, certamente farão diferença ao se acumularem pelos alunos com o tempo. • Ensinar apenas no abstrato tem suas vantagens acadêmicas, mas dê uma função, um
  6. 6. • Perguntas para instigar a mente • Conforme discutido é apresentado ao professor de física e disciplinas correlatas algumas questões e exercícios sobre a disciplina nanociência, foi acrescentada uma parte especial que também é um desafio, além de ser uma ferramenta aos professores usarem livremente em salas de aula. Portanto, estimulando o professor a tentar resolver este questionário e o trabalhar em seus planos de aula. Desta forma, com o intuito de ilustrar e enriquecer este artigo disponibiliza-se a seguir uma sequência de perguntas que são comuns no meio, algumas perguntas para aguçar a mente e servir como meio de consulta para professores e tutores realizarem em classe ou mesmo para o leitor comum pensar um pouco e aprimorar seus estudos além deste artigo. As perguntas foram formuladas para preencher as lacunas na área multidisciplinar, como a de forçar o leitor a buscar o significado de cada termo, as inter- relações com outras disciplinas e a nanociência e nanotecnologia e um pouco além, procurar procedimentos industriais e como são realizados por meio da disciplina da física, compreender a relação da matemática neste meio e outra infinidade de conceitos. A pedagogia ensina que a base do ensino está em fazer perguntas. Leia cada uma das questões e tente responder ao longo de seu tempo. A resposta já está inserida no exercício, porém, você pode a vontade inovar com novas respostas e usar cálculo, fórmula, conceitos da física e todas as ferramentas disponíveis na disciplina da física.
  7. 7. PERGUNTA 1 - Quantos átomos são necessários, de forma estimada, para preencher uma área de 1 cm³? Considere a densidade do alumínio como: 2,7g/cm³. • Um cubo sólido de alumínio (densidade 2,70 g/cm³) tem um volume de 0,200 cm³. É conhecido que 27,0 g de alumínio contêm 6,02 x 1023 átomos. Quantos átomos de alumínio estão contidos no cubo? • Resposta: Como a densidade é igual à massa por unidade de volume, a massa do cubo é: m = 𝜌V = (2,70 g/cm³) (0,200 cm³) = 0,540 g • Para resolver esse problema, vamos estabelecer uma razão baseados no fato de que a massa de uma amostra do material é proporcional ao número de átomos contidos na amostra. Essa técnica de resolver por razões é muito poderosa e deve ser estudada e compreendida de tal forma que possa ser aplicada na resolução de problemas futuros. Vamos expressar nossa proporcionalidade como m=kN, onde m é a massa da amostra, N é o número de átomos na amostra, e k é uma constante de proporcionalidade desconhecida. Escrevemos essa relação duas vezes, uma para a amostra real de alumínio no problema e uma para uma amostra de 27,0 g, e então dividimos a primeira equação pela segunda: mamostra = kNamostra → mamostra = kNamostra m27,0 g = kN27,0 g → m27,0 g kN27,0 g • Note que a constante de proporcionalidade desconhecida k se cancela, de tal forma que não precisamos conhecer seu valor. Substituímos agora os valores: 0,540 𝑔 27,0 𝑔 = 𝑁𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎 6,02 𝑥 1023 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 = Namostra = 0,540 𝑔 .(6,02.1023á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠) 27,0 𝑔 = 1,20 x 1022 átomos. Nota: Este exercício é uma adaptação do livro de Raymond, Serway et al. – Princípios de Física vol. 1 Ed.C2004.
  8. 8. Questões de 3 a 6 • PERGUNTA 2 - Em cálculos para microfluídica, quais são as unidades em SI utilizadas? Resposta: microlitro, nanolitros, nanobar. • PERGUNTA 3 - Explique o que é modelagem matemática por pontos de análise? Resposta: A modelagem matemática é um campo que estuda por meio de simulações reais um objeto em análise, sendo um procedimento de procedimento de descrever e simular matematicamente com os números um fenômeno real ou problema em estudo. O conhecimento pontual conhecimento pontual para análise seria o estudo de pontos na nuvem de dados numéricos do modelo em análise. Este estudo contemplaria contemplaria todos os graus de liberdade, além da consideração de efeitos externos. Tudo resultando em um modelo matemático de algo do de algo do mundo real, como simular fumaça computacionalmente ou mesmo algo que está sendo projetado. • PERGUNTA 4 - Cite três semelhanças entre o artista matemático M.C.Escher, fractais, geometria, informática e a quântica? Resposta: Resposta: Ambos trabalham com modelagem matemática e partículas. • PERGUNTA 5 - O que é um cenário? Como podemos imaginar um cenário para nanotecnologia em 10 anos? Qual seria o cenário ideal e qual papel da física neste meio? Resposta: O cenário é uma tática, estratégica estimada, para prever ou planejar ações. Partindo da identificação de variáveis chave, pontos de pontos de vista diversificados, no qual previsões podem ser elaboradas. Cenário é um ambiente imaginado e projetado sobre um tema ou tema ou assunto. • PERGUNTA 6 - Defina o Ponto Quântico e três usos. Resposta: Ponto quântico são elétrons confinados em pequenas armadilhas, o qual mantém suas propriedades energéticas intactas. 1. Em intactas. 1. Em medicamentos fármacos. 2. Em chips. 3. Em sensores e telas LCD. Em papeis eletrônicos.
  9. 9. Questões de 7 a 12 • PERGUNTA 7 - Pesquise na imprensa quais foram os três mais recentes feitos em Nanotecnologia? Resposta: Efeitos quânticos se comunicam com o mundo real pelos feitos de pesquisadores. Material leve e resistente é criado. Sensor controla comportamento de chips. • PERGUNTA 8 - Qual a diferença entre nanociência versus a nanotecnologia? Resposta: Nanociência é teórica e conceitual, e estudada pela área acadêmica, a nanotecnologia é a aplicação pratica e comercial dos conceitos. • PERGUNTA 9 - Qual a ideia por trás da produção nanotecnológica? Resposta: Para isso há diversas teorias estimativas, no qual a mais convincente condiz a ser o ganho em escala, redução no uso de materiais, controle atômico da matéria-prima, melhores materiais que já trabalham no limite e na área média. • PERGUNTA 10 - Qual a concentração em densidade máxima e mínima que poderíamos alcançar com os equipamentos atuais e as novas técnicas em nanotecnologia? Resposta: Referente a pesquisas avançadas em ciências de materiais. O carbide é um exemplo de resistência e leveza. Alta densidade poderá ser conseguida por meio de organização geométrica e concentração dos átomos, desde os grãos básicos do material, no caso o aço e seus grãos, nanoestruturados molecularmente. • PERGUNTA 12 - Qual o dimensional mínimo de material que podemos controlar a distância com precisão? Resposta: É a do alcance mínimo que permite os microscópios STM, AFM e o SPM que está na casa dos 1nm, porém técnicas de aprisionamento de elétrons para pontos quânticos demonstram que há possibilidades de ir além desse dimensional, alcançando os angstrons e muito menores. Um trabalho interessante para os físicos trabalhar com unidades.
  10. 10. PERGUNTA 13 - Converta os intervalos lineares oficiais da nanociência entre 1-100nm para mícron e milímetros. Resposta: Usar tabela no apêndice D, a resposta está a seguir: 1 – 100 nm 67nm = 0,067µm = 6,7.10-5mm 1nm = 0,001µm = 10-6mm 34nm = 0,034µm = 2,6.10-5mm 68nm = 0,068µm = 6,8.10-5mm 2nm = 0,002µm = 2.10-6mm 35nm = 0,035µm = 2,6.10-5mm 69nm = 0,069µm = 6,9.10-5mm 3nm = 0,003µm = 2.10-6mm 36nm = 0,036µm = 2,6.10-5mm 70nm = 0,070µm = 7.10-5mm 4nm = 0,004µm = 2.10-6mm 37nm = 0,037µm = 2,6.10-5mm 71nm = 0,071µm = 7,1.10-5mm 5nm = 0,005µm = 2.10-6mm 38nm = 0,038µm = 2,6.10-5mm 72nm = 0,072µm = 7,2.10-5mm 6nm = 0,006µm = 2.10-6mm 39nm = 0,039µm = 2,6.10-5mm 73nm = 0,073µm = 7,3.10-5mm 7nm = 0,007µm = 2.10-6mm 40nm = 0,040µm = 4.10-5mm 74nm = 0,074µm = 7,4.10-5mm 8nm = 0,008µm = 2.10-6mm 41nm = 0,041µm = 4,1.10-5mm 75nm = 0,075µm = 7,5.10-5mm 9nm = 0,009µm = 2.10-6mm 42nm = 0,042µm = 4,2.10-5mm 76nm = 0,076µm = 7,6.10-5mm 10nm = 0,01µm = 10-5mm 43nm = 0,043µm = 4,3.10-5mm 77nm = 0,077µm = 7,7.10-5mm 11nm = 0,011µm = 1,1.10-5mm 44nm = 0,044µm = 4,4.10-5mm 78nm = 0,078µm = 7,8.10-5mm 12nm = 0,012µm = 1,2.10-5mm 45nm = 0,045µm = 4,5.10-5mm 79nm = 0,079µm = 7,9.10-5mm 13nm = 0,013µm = 1,3.10-5mm 46nm = 0,046µm = 4,6.10-5mm 80nm = 0,080µm = 8.10-5mm 14nm = 0,014µm = 1,4.10-5mm 47nm = 0,047µm = 4,7.10-5mm 81nm = 0,081µm = 8,1.10-5mm 15nm = 0,015µm = 1,5.10-5mm 48nm = 0,048µm = 4,8.10-5mm 82nm = 0,082µm = 8,2.10-5mm 16nm = 0,016µm = 1,6.10-5mm 49nm = 0,049µm = 4,9.10-5mm 83nm = 0,083µm = 8,3.10-5mm 17nm = 0,017µm = 1,7.10-5mm 50nm = 0,05µm = 5.10-5mm 84nm = 0,084µm = 8,4.10-5mm 18nm = 0,018µm = 1,8.10-5mm 51nm = 0,051µm = 5,1.10-5mm 85nm = 0,085µm = 8,5.10-5mm 19nm = 0,019µm = 1,9.10-5mm 52nm = 0,052µm = 5,2.10-5mm 86nm = 0,086µm = 8,6.10-5mm 20nm = 0,02µm = 2.10-5mm 53nm = 0,053µm = 5,3.10-5mm 87nm = 0,087µm = 8,7.10-5mm 21nm = 0,021µm = 2.10-5mm 54nm = 0,054µm = 5,4.10-5mm 88nm = 0,088µm = 8,8.10-5mm 22nm = 0,022µm = 2,2.10-5mm 55nm = 0,055µm = 5,5.10-5mm 89nm = 0,089µm = 8,9.10-5mm 23nm = 0,023µm = 2,3.10-5mm 56nm = 0,056µm = 5,6.10-5mm 90nm = 0,090µm = 9.10-5mm 24nm = 0,024µm = 2,4.10-5mm 57nm = 0,057µm = 5,7.10-5mm 91nm = 0,091µm = 9,1.10-5mm 25nm = 0,025µm = 2,5.10-5mm 58nm = 0,058µm = 5,8.10-5mm 92nm = 0,092µm = 9,2.10-5mm 26nm = 0,026µm = 2,6.10-5mm 59nm = 0,059µm = 5,9.10-5mm 93nm = 0,093µm = 9,3.10-5mm 27nm = 0,027µm = 2,6.10-5mm 60nm = 0,060µm = 6.10-5mm 94nm = 0,094µm = 9,4.10-5mm 28nm = 0,028µm = 2,6.10-5mm 61nm = 0,061µm = 6,1.10-5mm 95nm = 0,095µm = 9,5.10-5mm 29nm = 0,029µm = 2,6.10-5mm 62nm = 0,062µm = 6,2.10-5mm 96nm = 0,096µm = 9,6.10-5mm 30nm = 0,030µm = 2,6.10-5mm 63nm = 0,063µm = 6,3.10-5mm 97nm = 0,097µm = 9,7.10-5mm 31nm = 0,031µm = 2,6.10-5mm 64nm = 0,064µm = 6,4.10-5mm 98nm = 0,098µm = 9,8.10-5mm 32nm = 0,032µm = 2,6.10-5mm 65nm = 0,065µm = 6,5.10-5mm 99nm = 0,099µm = 9,9.10-5mm 33nm = 0,033µm = 2,6.10-5mm 66nm = 0,066µm = 6,6.10-5mm 100nm = 0,1µm = 10-4mm
  11. 11. Questões de 14 a 16 • PERGUNTA 14 - Qual o País que mais investe em novas ciências? Resposta: Segundo um amplo estudo sobre o tema, baseado em catalogação de patentes e artigos, os EUA estão em primeiro lugar, seguido por Alemanha e Japão. • PERGUNTA 15 - Como prover a ciência do movimento e controle nos novos dispositivos em nanotecnologia, como o GPS para localização e o controle por rádio e os estudos em movimento em robótica? Resposta: Por meio de sensores particulados em dispersão intercomunicada e por ondas onipresentes com transpondes espalhados. • PERGUNTA 16 - Cite três aplicações de quartzo em novas ciências? E o professor de física contemplando conceitos física na resposta. Resposta: Relógios, sensores, revestimento de tubos para conter a corrosão por hidrogênio. Nanosensores.
  12. 12. Questão 17 • PERGUNTA 17 - Estime quanto mede em mícron a cabeça de um alfinete? Há padrão para alfinetes, ou cada fabricante possui uma padronização? Quantos átomos há na cabeça de um alfinete? Resposta: Como a ponta de um alfinete não é padronizada por normas oficiais, e estimando que a cabeça de um alfinete possua o diâmetro de 1µm. Podemos então considerar que um átomo possua o diâmetro de 1Å. O primeiro passo seria igualar as unidades, podemos as converter para o diâmetro em nanômetros. Temos então: Ponta da agulha: Ø1µm = 1000nm Diâmetro do átomo: Ø1Å = 0.1nm • Isso resulta em área de: A1: Área da ponta da agulha: 1000nm = A=π.d²/4 = 785400nm² A2: Área do átomo: 0.1nm = A=π.d²/4 = 0.007854nm² • Para estimarmos a quantidade de átomos na ponta de uma agulha, dividimos a área da ponta da agulha pela área do átomo, e ambos os valores estimados, no caso, primeiramente considerando cada átomo contendo 1 nm², e logo após considerando cada átomo contendo 1Å angström, temos: A1 / A2 = 785400nm² / 0.007854nm² = 100 000 000nm² = ~108nm. Logo temos pela referência em nanométrica: ~108 átomos na ponta da agulha. Convertendo (nm) para (Å): A = 108nm = 10 000 000 000 = 1010Å. Logo temos pela referência em angströns: 1010 átomos na ponta da agulha.
  13. 13. Questões de 18 a 21 • PERGUNTA 18 - Uma pergunta apenas teórica! Em sua opinião todo o conhecimento de uma grande biblioteca se aplica a algumas moléculas? Como gravar milhares de livros na ponta de um alfinete? Resposta: Pelo entendimento das teorias em nanotecnologia a questão confere, porque pelas teorias em breve será possível gravar todo o conhecimento humano em algumas moléculas. Um exemplo é o caso de se gravar todos os livros da biblioteca norte Americana em uma área do tamanho de uma cabeça de alfinete. • PERGUNTA 19 - A cor de uma molécula é a mesma da substância a que dá origem? Resposta: Nem sempre, este caso envolve fotônica, e por vezes o material que dá origem possui cavidades que aprisiona/desvia os fótons, deste modo alterando o espectro de luz visível, impedindo com que a cor original seja visualizada, convertendo o espectro natural de luz em uma nova cor. Podemos observar este fenômeno de aprisionamento de fótons nos vitrais de Igrejas católicas antigas ou nas asas de borboletas. • PERGUNTA 20 - Com que velocidade um elétron ou um fóton se locomove pela molécula? Resposta: Neste caso temos uma velocidade angular, e para saber isso é preciso conhecer o tipo de átomo antes, além de sua localização na camada de valência, no caso, podemos tomar uma medida média para o caso, tomando como modelo o átomo de hidrogênio, o que equivale a usarmos o modelo de Bohr. Assim a velocidade provém de uma função do raio que pode ser formulada por: v = e/(4πɛ0mr)1/2. • PERGUNTA 21 - Já existem teorias que dizem ser possível armazenar informações em moléculas e depois acessá-las diretamente de suas estruturas? Sim ou não? Resposta: Sim, realmente confere. Há várias moléculas em estudo, além de processos, e teorias que confirmam esta questão. Há várias moléculas, entendidas também como partículas ao qual por meio de sua área superficial será possível armazenar e processar informações. A teoria de Moore inclusive prevê que em 2025 este será o único caminho para continuar a redução em escala dos processadores.
  14. 14. Questões de 22 a 26 • PERGUNTA 22 - Em sua opinião as teorias de K. Eric Drexler para criar biologia sintética, ou seja, organismo vivo sintético criado pelas mãos do homem será possível um dia? Haverá consequências para o bioma de nosso planeta? Resposta: Todas as teorias mais conceituais indicam ser possível, embora ainda não tenha ocorrido algo realmente significativo. Virtualmente temos o jogo da vida, e outros casos virtuais realmente convincentes. No geral as teorias estão cada vez mais apuradas neste alcance. Ainda não se sabe o que é a vida, mas se um dia se esta for sintetizada de alguma forma, as consequências sociais, ao bioma, e ao planeta serão imensas. • PERGUNTA 23 - A empresa Zyvex, foi uma das primeiras companhias a trabalhar diretamente com nanotecnologia. E a primeira a desenvolver o conceito de construir coisas átomo por átomo. Em sua opinião, qual objeto, ou quais objetos deveria ser o primeiro a ser construído? Resposta: Como uma sugestão, um objeto qualquer como amostra de cada material, metálico, cerâmico, polimérico, compósito e biomaterial. Desta forma haveria um aprendizado inicial para manipulação de cada material. • PERGUNTA 24 - A Zyvex possui como uma de suas metas a construção de uma máquina autoreplicante, explique? Resposta: Uma máquina de construção de material complexa, ou dispositivos, tipo bottom-Up, usando um dispositivo eretor de moléculas ou pedaços de moléculas, que requer uma tecnologia critica a sua realização, a máquina deve ser capaz de fazer uma cópia de si mesma, ou seja, se duplicar. • PERGUNTA 25 - Qual a definição para o acrônimo NBNc? Resposta: NBNc: Nanotecnologia, biotecnologia e novas ciências. • PERGUNTA 26 - O que você entende por ciências de alta complexidade? Resposta: É a composição combinada de novas ciências e tecnologias que aplicadas geram tecnologias complexas e de alta concentração e densidade acadêmico conceitual.
  15. 15. Questões entre 27 e 30 • PERGUNTA 27 – Realize três conversões de unidades entre diferentes unidades na nano-escala ou próximas a nano-escala. • Resposta: Milímetro para micrometro: (1mm / 1000 = 1µm). Mícron para nanômetro: (1µm / 1000 = 1nm). Nanômetro para Angstrom: (1nm / 1000 = 1Å). • PERGUNTA 28 – Qual a razão da necessidade de produção de microprocessadores por nanotecnologia? • Resposta: Devido a questão de se fazer mais com menos espaço, ou em palavras da computação aumentar a capacidade de processamento sem a necessidade de aumento de hardwares e processadores. Além de seguir a lei de Moore. Com a nanotecnologia será possível um amplo alcance no uso de átomos e moléculas para guardar e acessar dados e informação. • PERGUNTA 29 – Defina o quanto é estimando a área superficial máxima das coisas. E a densidade? • Resposta: O uso de área superficial para adicionar tecnologias diversas embarcadas é a mais promissora das tecnologias em nanotecnologia, e uma forma para isso é o uso ao redor das menores partículas para acumular coisas, como circuitos, partículas ativas, inertes e criar assim uma máquina ao redor de cada coisa existente, para serem acessadas ou entrarem em funcionamento quando solicitadas. Os pontos quânticos são um caso. Quando maior a densidade agregada nas menores áreas maior será a densidade, calculada caso a caso. • PERGUNTA 30 – Dê uma definição para o tamanho das coisas em nano-escala? • Resposta: A mensuração e dimensionamento das coisas em nano-escala seguem a rígida definição e estabelecimento das normas principais, em nosso caso, seguimos a SI ou sistema internacional de unidades, ao qual o padrão inicial é o metro padrão da França, na atualidade a velocidade da luz.
  16. 16. Questões entre 31 e 32 • PERGUNTA 31 – Explique os átomos em um cluster? Explique o que é um cluster? Resposta: Primeiramente explicando o que é um cluster: O conceito geral de cluster é a de um agregado de computadores interconectados. Logo, o cluster atômico é um agregado de moléculas nanotecnologicamente agregadas, com algum proposito, como em nanocircuitos. Os nanocluster são um estado intermediário da matéria, entre as moléculas e os sólidos. • PERGUNTA 32 – Qual a energia necessária para conectar um elétron em seu átomo? Selecione um tipo de átomo para isso. Considere a energia em (eV) elétron Volts. Resposta: Selecionado o átomo de hidrogênio, as teorias e experimentações laboratoriais demonstram que são necessários 13.6 eV na quebra ou separação do elétron do átomo de hidrogênio. E por dedução, fica conhecido que o inverso, ou seja, a energia de ligação do elétron a esse átomo é de -13.6 eV.
  17. 17. Alguns outros exercícios • Não há melhor forma de se falar sobre um assunto do que praticando, e pensando neste conceito que este texto foi desenvolvido para ser técnico e voltado a matemática e a nanotecnologia, de forma a usar esta ferramenta para pensarmos no tamanho do mundo lá embaixo. Poderemos abordar a matemática básica e a notação científica, álgebra, regra de três, lógica, da matemática usada em química. A função e resultados dos exercícios no ensino. O que se almeja no aprendizado? Os exercícios mais do que vão além dos conceitos, estes tentam transferir uma forma de pensar complementando os conceitos, captando os mais ínfimos detalhes e os expondo a prova e a análise teórica, prática e conceitual. Pratica apriorística. Os exercícios possuem uma abrangência ampla a qual tenta fazer o executor assimilar várias disciplinas no assunto tratado, como a matemática e o nano, a física, biologia. Começamos por analisar uma partícula, e antes de falarmos em partícula, entendemos as partículas como uma pequena parte de matéria ou grão, fragmento. Em física é definido como uma parte de matéria elementar, conhecida como partícula fundamental da matéria, sendo um fragmento que não possui nenhuma subestrutura. • No caso dos átomos que são constituídos das partículas prótons, nêutrons e elétrons, e essas por sua vez possuem suas partículas inclusive, como antipartículas. Para definir partículas em metrologia não é algo convencionado e normatizado. Ao se falar em partículas é comum querer saber qual o seu tamanho? Qual a diferença entre o átomo, próton, nêutron, elétron, molécula, nanotubo, nano-esfera, buckyball e outras. Até o momento se encontra desconhecido uma normatização que defina o escopo dimensional para partículas, mas pode-se dizer que por metrologia pode-se definir as partículas pela tecnologia que se aplica e.g. nanotubo de carbono, é uma partícula dimensionada em nanociência e possui um diâmetro entre 1-100 nm, de comprimento variado. Nano-esferas possuem um diâmetro entre 1-100 nm. Partículas de ouro no caso podem estar ou não no escopo dimensional da nanotecnologia, porém, pode ir abaixo dos angstrons. Logo, para facilitar, podemos definir momentaneamente micropartículas possuindo entre 1µ-100nm. Nanopartículas entre 1-100nm. Abaixo do 1 (um) nm há as ciências de partículas estudada pela física, incluindo-se as antipartículas, elétrons, íons algo em torno dos angström.
  18. 18. Questões entre 1 a 4 • 1 - Estime a massa de um grão de areia com o seguinte dimensional 1 mm cúbico? Considere o grão de areia deste caso como uma partícula. Resposta: Considerando o peso específico da areia seca considerado: 1300 kg/m³, e conhecendo que a areia é uma material cerâmico. Temos que: • Tamanho de grãos medidos entre: ~Ø0. 5-1 mm, adotado 1 mm. • Para a área de superfície temos: A = d². π/4 = 7854.10-9. • Massa de um grão de areia: 7854.10-9.1300kg/m³ = ~10,21 g/m³ • 2 - Área de superfície? • Para a área de superfície temos: A = d². π/4 = 7854.10-9. • 3. Quantos nanômetros nm³ cabem em um 1 m³? • Resposta: 1.10-9. 1.10-9. 1.10-9. = 1,0000E+027 nm. • 4. Estime quantos grãos de areia há em um metro cúbico 1 m³. Considerando que há areia fina, media e grossa. Considere cada grão com dimensional próximo a: ~1 nm. E considerando cada grão com um padrão em peso de acordo com o peso específico de areia, que equivale a 1524 kg/m³. • Resposta: Se cada grão possui: 0,001525 kg/m³ (estimado por media entre os tipos de areia). • Temos também: 0,001 m.1525 kg/m³ • 𝛾 = 1.10^9 grãos.0,001525 kg • Temos 1 m³ de areia equivalendo a: ~1525 kg/m³.
  19. 19. Questões entre 5 a 7 • 5. Estime quantos mm há em 1 m³ (1 metro cubico): Resposta: • 1 m = 1000 mm (Linear) • 1 m² = 1000 . 1000 m² • 1 m³ = 1000 . 1000 . 1000 m³ • Temos que 109 grãos ordenados em todas as direções como em uma matriz. • 6. Considerando que: em 1 mm³ para o dimensional µm³ basta dividir por 1000 e para nm se divide por mais 1000, gradualmente as escalas podem crescer ou decrescer. Como exercício de reforço ao leitor, refaça os exercícios 1, 2 e 3 considerando as partículas com 1 nm e o peso específico usando do aço como sendo 7850 kg/m³. • 7. Exercício para treino em sala! Converter as medidas que usamos comumente em ramos e usar exemplos. Primeiramente escolher a conversão: Velocidade, temperatura, tempo, torque, volume, volume-seco, aceleração, ângulo, área, computação, concentração, densidade, distancia, energia, fluxo, força, luz, massa, potencia, pressão. Definir antes o sistema a ser usado, conforme a lista abaixo: • MMGS (mm, g, s). • MKS (metro, quilograma, segundo). • CGS (centímetro, grama, segundo). • MMGS (milímetro, grama, segundo). • IPS (Polegada, libra, segundo).
  20. 20. Questões entre 8 a 11 • 8. Experimento prático para sala de aula! Com folhas coloridas de celofane e lanterna, LED branca. Investigar os espectros de luz, e ondas no espectro de ondas, descreva o resultado e uma interpretação para o ocorrido. Usar o CD também. • 9. Em sala de aula! Com bolinhas de isopor de Ø15mm e palitos de dentes crie várias estruturas moleculares, porém, antes peça que façam um trabalho sobre as principais estruturas moleculares usadas em nanotecnologia para que sejam recriadas com as bolinhas de isopor e palitos de dentes, incluindo o ângulo de abertura entre as pontes de ligação entre os átomos. • 10. Experimento prático para explicar o funcionamento de um nanoscópio AFM: Com bolinhas de isopor e neodímio: Fure cada bolinha e anexe uma bolinha de neodímio. Em seguida colem com cola branca, as bolinhas formando um triangulo pontiagudo, que será a ponteira do microscópio, ou melhor, o cantilever. E a amostra uma rede de bolinhas com imã mais fraco. O ideal é um imã com magnetização 11,5 kGs dos neodímios. Ou equalizar com bolinhas menores. • 11. Exercício para química aplicada em indústrias e laboratórios! Operações unitárias e analíticas são procedimentos para separar materiais, juntar, analisar. Como exemplo, filtragem, decantação, condensação, análise de quantidade de material, estequiometria, análise de material, tipos e origem de material. Baseado nessa abordagem proponha em sala algum exercício que aborde estes temas.
  21. 21. 12. Desafio para classe: A seguir para cada um dos dimensionais mencionados, faça uma pesquisa e descreva na frente da indicação de unidade na tabela abaixo, podendo ser um objeto, ser vivo, ou algo com o dimensional indicado ou bem próximo. Serão cem tarefas para este exercício que tem o objetivo de incentivar a pesquisa e familiarizar o leitor ou aluno com o dimensional da nanotecnologia. Lembre-se que o escopo da nanotecnologia está entre 1-100 nm, definido e especificado pela norma ASTM e pelo Governo Norte Americano. Encontre algo com o dimensional indicado e descreva o mesmo na frente do dimensional: 1 nm Ex. O diâmetro do nanotubo decarbono possui 1 nm (Ø um nanômetro). 2 nm 3 nm 4 nm 5 nm 6 nm 7 nm 8 nm 9 nm 10 nm 11 nm 12 nm 13 nm 14 nm 15 nm 16 nm 17 nm 18 nm 19 nm 20 nm 21 nm 22 nm 23 nm 24 nm 25 nm 26 nm 27 nm 28 nm 29 nm 30 nm 31 nm 32 nm 33 nm 34 nm 35 nm 36 nm 37 nm 38 nm 39 nm 40 nm 41 nm 42 nm 43 nm 44 nm 45 nm 46 nm 47 nm 48 nm 49 nm 50 nm 51 nm 52 nm 53 nm 54 nm 55 nm 56 nm 57 nm 58 nm 59 nm 60 nm 61 nm 62 nm 63 nm 64 nm 65 nm 66 nm 67 nm 68 nm 69 nm 70 nm 71 nm 72 nm 73 nm 74 nm 75 nm 76 nm 77 nm 78 nm 79 nm 80 nm 81 nm 82 nm 83 nm 84 nm 85 nm 86 nm 87 nm 88 nm 89 nm 90 nm 91 nm 92 nm 93 nm 94 nm 95 nm 96 nm 97 nm 98 nm 99 nm 100 nm
  22. 22. Anexos: Segue alguns anexos complementares ao professor formular suas aulas de física utilizando a nanociência.
  23. 23. • A. Tabela Para Conversão de Unidades • Antes de qualquer investida em nanociências é importante acostumar à mente a áreas nanométricas. No acostumar com uma área invisível é realmente difícil e complexo. Poderíamos simplesmente classificar micro como 10-6 e nano 10-9. Finalizando este tema. No entanto as coisas não são tão simples, porque há todo um conceito para definição dessas ínfimas áreas que não vemos para se trabalhar. Unidade micro está próximo a = 10-6 e nano próximo a = 10-9. Pela norma o dimensional nano está entre 1-100nm. Já a medida para a micro é conhecida como a área ao redor de 1µm (mícron), mas que também podemos dizer que está entre 101 nm a 1µm. Acima de 1 mícron temos engenharia de precisão e engenharia em geral. Na tabela 1.1.2 temos um modelo simplificado para visualizar e converter unidades, basta multiplicar pelo valor na horizontal ou dividir pelo valor na vertical. Tabela 1.1.2 - Conversão de unidades métricas Tabela de conversão de unidades métricas abaixo de 1 metro. Conforme SI Sistema Internacional. (*) → (/) ↓ UNIDADES unit deci cm miles - - µ - - nm Å - - 1. 10-0 1. 10-1 1. 10-2 1. 10-3 1. 10-4 1. 10-5 1. 10-6 1. 10-7 1. 10-8 1. 10-9 1. 10-10 1. 10-11 1. 10-12 1.10-0 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10 -4 1.10 -5 1.10 -6 1.10 -7 1.10 -8 1.10 -9 1.10 -10 1.10 -11 1.10 -12 1.10-1 1.101 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10 -4 1.10 -5 1.10 -6 1.10 -7 1.10 -8 1.10 -9 1.10 -10 1.10 -11 1.10-2 1.102 1.10 1 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10 -4 1.10 -5 1.10 -6 1.10 -7 1.10 -8 1.10 -9 1.10 -10 1.10-3 1.103 1.10 2 1.10 1 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10 -4 1.10 -5 1.10 -6 1.10 -7 1.10 -8 1.10 -9 1.10-4 1.104 1.10 3 1.10 2 1.10 1 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10 -4 1.10 -5 1.10 -6 1.10 -7 1.10 -8 1.10-5 1.105 1.10 4 1.10 3 1.10 2 1.10 1 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10 -4 1.10 -5 1.10 -6 1.10 -7 1.10-6 1.106 1.10 5 1.10 4 1.10 3 1.10 2 1.10 1 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10 -4 1.10 -5 1.10 -6 1.10-7 1.107 1.10 6 1.10 5 1.10 4 1.10 3 1.10 2 1.10 1 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10 -4 1.10 -5 1.10-8 1.108 1.10 7 1.10 6 1.10 5 1.10 4 1.10 3 1.10 2 1.10 1 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10 -4 1.10-9 1.109 1.10 8 1.10 7 1.10 6 1.10 5 1.10 4 1.10 3 1.10 2 1.10 1 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10 -3 1.10-10 1.1010 1.10 9 1.10 8 1.10 7 1.10 6 1.10 5 1.10 4 1.10 3 1.10 2 1.10 1 1 1.10 -1 1.10 -2 1.10-11 1.1011 1.10 10 1.10 9 1.10 8 1.10 7 1.10 6 1.10 5 1.10 4 1.10 3 1.10 2 1.10 1 1 1.10 -1 1.10-12 1.1012 1.1011 1.1010 1.10 9 1.10 8 1.10 7 1.10 6 1.10 5 1.10 4 1.10 3 1.10 2 1.10 1 1
  24. 24. B. Tabela para identificação de unidades derivadas do litro Tabela 1.1.3 – Unidades para fluidos. Nota: Embora nosso assunto principal seja a física e nanotecnologia, o artigo inclusive contempla assuntos ligados à biotecnologia e novas ciências. Desta forma, como novas ciências temos a geoengenharia que em uma de suas disciplinas há a terra formação (terraform) que em cálculos usaria unidades e.g., 1012 ou maiores, para cálculo do volume de uma atmosfera a ser modificada. Todos são assuntos ricos para o físico desenvolver e discutir com seus alunos. Litro (l) múltiplos sub-múltiplos múltiplo variável símbolo múltiplo variável símbolo 100 litro l 101 decalitro dal 10-1 decilitro Dl 10² hectolitro hl 10-² centilitro cl 10³ quilolitro kl 10-³ mililitro ml 106 megalitro ml 10-6 microlitro µl 109 gigalitro gL 10-9 nanolitro nl 1012 teralitro tl 10-12 picolitro pl 1015 petalitro pl 10-15 femtolitro fl 1018 exalitro el 10-18 attolitro al 1021 zettalitro zl 10-21 zeptolitro zl 1024 yottalitro yl 10-24 yoctolitro yl
  25. 25. C. Tabela o tamanho dos átomos • Uma das coisas mais importantes em qualquer projeto técnico é o conhecimento das coisas ao qual se pretende trabalhar, e saber que a nanotecnologia está conforme a ASTM A56 entre 1-100 nm, é de fato um indicativo muito importante, mas não basta! Temos a física que classifica a nanotecnologia pelo espectro de luz, de acordo com o comprimento de onda, ao qual já é uma medida muito mais exata. No entanto, saber mais é importante, medidas são importantes a um bom projeto, e saber, mesmo que estimado o tamanho dos átomos é algo em nanotecnologia de crucial relevância. A este ponto, a seguir na tabela 1.1.4 podemos observar para consulta uma tabela muito importante para futuros dimensionamentos muito importante, ao qual classifica, embora como dito teoricamente, mas com boa precisão, assim temos um norte para o tamanho dos átomos. O estudo foi baseado no raio teórico calculado dos átomos em questão, ao qual foi usado como medida a unidade picômetro que representa em SI 10-12 metros. Deste modo, o raio atômico é metade da distância entre o núcleo de dois átomos adjacentes, no qual os valores apresentados na tabela são estimados, mas realmente próximos. Tabela 1.1.4 – Tamanho teórico dos átomos em picômetros (pm). Fonte: Esta tabela é uma adaptação para língua portuguesa dos estudos de Enrico Clementi et.al, e das indicações consultadas ao: Bureau international des poids et mesures. Tamanho teórico dos átomos em picômetros – Considere: (1 pm = 10-12 metros) Átomo Tamanho Átomo Tamanho Átomo Tamanho Átomo Tamanho H 53 K 243 Rb 265 Cs 298 He 31 Ca 194 Sr 219 Ba 253 Li 167 Sc 184 Y 216 Lu 217 Be 112 Ti 176 Zr 206 Hf 208 B 87 V 171 Nb 198 Ta 200 C 67 Cr 166 Mo 190 W 193 N 56 Mn 161 Tc 183 Re 188 O 48 Fe 156 Ru 178 Os 185 F 42 Co 152 Rh 173 Ir 180 Ne 38 Ni 149 Pd 169 Pt 177 Na 190 Cu 145 Ag 165 Au 174 Mg 145 Zn 142 Cd 161 Hg 171 Al 118 Ga 136 In 156 Tl 156 Si 111 Ge 125 Sn 145 Pb 154 P 98 As 114 Sb 133 Bi 143 S 88 Se 103 Te 123 Po 135 Cl 79 Br 94 I 115 At 127 Ar 71 Kr 88 Xe 108 Rn 120
  26. 26. D. Tabela Periódica Embora teorias apontem que novos elementos poderão ser criados com as novas ciências, a atual tabela periódica é completa e apresenta praticamente tudo do que precisamos para viver. Como uma forma de simplificar, apresentamos na imagem 1.1.5 uma listagem geral com os elementos da tabela periódica para facilitar a rápida consulta. • Tabela 1.1.5 – Tabela periódica linear. Elementos da Tabela periódica listada Principais elementos da tabela periódica atual. Para ver uma tabela periódica dinâmica: http://periodicvideos.com Nome Símbol o Número Atomico Númer o de Massa Nome Simbol o Número Atomico Númer o de Massa Nome Símbolo Número Atomico Númer o de Massa Actínio Ac 89 227,02 8 Ouro Au 79 196,96 7 Praseodím io Pr 59 140,90 8 Alumíni o Al 13 26,982 Háfnio Hf 72 178,49 Promécio Pm 61 145 Ameríci o Am 95 243 Hássio Hs 108 265 Protactínio Pa 91 231,03 6 Antimô nio Sb 51 121,76 Hélio He 2 4,003 Rádio Ra 88 226,02 5 Árgon Ar 18 39,948 Hólmio Ho 67 164,93 Rádon Rn 86 222 Arsênic o As 33 74,922 Hidrogêni o H 1 1,0079 Rênio Re 75 186,20 7 Ástato At 85 210 Índium In 49 114,82 Ródio Rh 45 102,90 6 Bário Ba 56 137,32 7 Iodo I 53 126,90 5 Rubídio Rb 37 85,468 Berquél io Bk 97 247 Irídio Ir 77 192,22 Rutênio Ru 44 101,07 Berílio Be 4 9,012 Ferro Fe 26 55,845 Rutherfórd io Rf 104 261 Bismut o Bi 83 208,98 0 Criptônio Kr 36 83,8 Samário Sm 62 150,36 Bóhrio Bh 107 262 Lantânio La 57 138,90 6 Escândio Sc 21 44,956 Boro B 5 10,811 Laurêncio Lr 103 262 Seabórgio Sg 106 263 Bromo Br 35 79,904 Chumbo Pb 82 207,2 Selênio Se 34 78,96 Cádmio Cd 48 112,41 1 Lítio Li 3 6,941 Silício Si 14 28,086 Cálcio Ca 20 40,078 Lutécio Lu 71 174,96 7 Prata Ag 47 107,86 8 Califórn io Cf 98 251 Magnésio Mg 12 24,305 Sódio Na 11 22,990 Carbon o C 6 12,011 Manganês Mn 25 54,938 Estrôncio Sr 38 87,62 Cério Ce 58 140,11 5 Meitnério Mt 109 266 Enxofre S 16 32,066 Césio Cs 55 132,90 5 Mendelévi o Md 101 258 Tântalo Ta 73 180,94 8 Cloro Cl 17 35,453 Mercúrio Hg 80 200,59 Tecnécio Tc 43 98 Crômio Cr 24 51,996 Molibdêni o Mo 42 95,94 Telúrio Te 52 127,6 Cobalto Co 27 58,933 Neodímio Nd 60 144,24 Térbio Tb 65 158,92 5 Cobre Cu 29 63,546 Neon Ne 10 20,180 Tálio Ti 81 204,38 3 Cúrio Cm 96 247 Neptúnio Np 93 237,04 8 Tório Th 90 232,03 8 Dubniu m Db 105 262 Níquel Ni 28 58,69 Túlio Tm 69 168,93 4 Disprósi o Dy 66 162,5 Nióbio Nb 41 92,906 Estanho Sn 50 118,71 Einstéin io Es 99 252 Nitrogêni o N 7 14,007 Titânio Ti 22 47,88 Érbio Er 68 167,26 Nobélio No 102 259 Tungstêni o W 74 183,84 Europiu m Eu 63 151,96 4 Ósmio Os 76 190,23 Urânio U 92 238,02 9 Fermiu m Fm 100 257 Oxigênio O 8 15,999 Vanádio V 23 50,942 Flúor F 9 18,998 Paládio Pb 46 106,42 Xênon Xe 54 131,29 Frâncio Fr 87 223 Fósforo P 15 30,974 Itérbio Yb 70 173,04 Gadolín io Gd 64 157,25 Platina Pt 78 195,08 Ítrio Y 39 88,906 Gálio Ga 31 69,723 Plutônio Pu 94 244 Zinco Zn 30 65,39 Germân io Ge 32 72,61 Polônio Po 84 209 Zircônio Zr 40 91,224 Potássio K 19 39,098
  27. 27. “Em todos os ambientes há um espaço para aplicação de nanociência. Porém, para encontrar essa aplicação é preciso pensar e agir. Esse é um dos segredos para se aumentar a produtividade e inovar.” – Edilson Gomes de Lima

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