História da nanotecnologia

A história da nanotecnologia traça o desenvolvimento dos conceitos e do trabalho experimental abrangidos pela categoria ampla da nanotecnologia. Embora a nanotecnologia seja um desenvolvimento relativamente recente na investigação científica, o desenvolvimento dos seus conceitos centrais ocorreu ao longo de um período mais extenso. O surgimento da nanotecnologia na década de 1980 foi causado pela convergência de avanços experimentais, como a invenção do microscópio de corrente de tunelamento em 1981 e a descoberta dos fulerenos em 1985, com a elucidação e popularização de um quadro conceptual para os objetivos da nanotecnologia, iniciada com a publicação, em 1986, do livro Engines of Creation. O campo foi objeto de crescente consciencialização pública e controvérsia no início dos anos 2000, com debates proeminentes tanto sobre as suas potenciais implicações como sobre a viabilidade das aplicações previstas pelos defensores da nanotecnologia molecular, e com os governos a promoverem e a financiarem a investigação em nanotecnologia. O início dos anos 2000 assistiu também aos primórdios das aplicações comerciais da nanotecnologia, embora estas se limitassem a aplicações em massa de nanomateriais, em vez das aplicações transformadoras previstas pelo campo.

Primeiros usos de nanomateriais

Nanotubos de carbono foram encontrados em cerâmica de Keeladi, na Índia, datada de c. 600–300 a.C., embora não se saiba como se formaram ou se a substância que os continha foi empregada deliberadamente. Cementite nanofios foram observados no aço de Damasco, um material que remonta a c. 900 d.C., embora a sua origem e o seu método de fabrico também sejam desconhecidos.

Embora as nanopartículas estejam associadas à ciência moderna, eram utilizadas por artesãos já no século IX, na Mesopotâmia, para criar um efeito brilhante na superfície de vasos.

Nos tempos modernos, a cerâmica da Idade Média e do Renascimento conserva frequentemente um brilho metálico distinto, de cor dourada ou acobreada. Este lustro é causado por uma película metálica aplicada à superfície transparente de um vidrado, que contém prata e nanopartículas de cobre dispersas homogeneamente na matriz vítrea do vidrado cerâmico. Estas nanopartículas são criadas pelos artesãos através da adição de cobre e prata, sais e óxidos, juntamente com vinagre, ocre e argila, à superfície de cerâmica previamente vidrada. A técnica teve origem no mundo muçulmano. Como os muçulmanos não podiam utilizar ouro em representações artísticas, procuraram uma forma de criar um efeito semelhante sem utilizar ouro verdadeiro. A solução que encontraram foi o uso do lustro.

Origens conceptuais

Richard Feynman

O físico norte-americano Richard Feynman proferiu a palestra "There's Plenty of Room at the Bottom" numa reunião da American Physical Society no Instituto de Tecnologia da Califórnia em 29 de dezembro de 1959, a qual é frequentemente considerada como tendo proporcionado inspiração para o campo da nanotecnologia. Feynman descreveu um processo através do qual poderia ser desenvolvida a capacidade de manipular átomos e moléculas individuais, utilizando um conjunto de ferramentas precisas para construir e operar outro conjunto proporcionalmente menor, e assim sucessivamente até à escala necessária. No decorrer deste processo, observou que surgiriam problemas de escala devido à alteração da magnitude de vários fenómenos físicos: a gravidade tornar-se-ia menos importante, enquanto a tensão superficial e a atração de Van der Waals tornar-se-iam mais importantes.

Após a morte de Feynman, um académico que estudou o desenvolvimento histórico da nanotecnologia concluiu que o seu papel efetivo na catalisação da investigação em nanotecnologia foi limitado, com base nas recordações de muitas das pessoas ativas no campo nascente nas décadas de 1980 e 1990. Chris Toumey, um antropólogo cultural da Universidade da Carolina do Sul, concluiu que as versões publicadas da palestra de Feynman tiveram uma influência negligenciável nos vinte anos posteriores à sua primeira publicação, medida pelas citações na literatura científica, e não tiveram muito mais influência na década posterior à invenção do microscópio de corrente de tunelamento em 1981. Posteriormente, o interesse por "Plenty of Room" na literatura científica aumentou consideravelmente no início da década de 1990. Isto deve-se provavelmente ao facto de o termo "nanotecnologia" ter recebido grande atenção pouco antes dessa altura, após a sua utilização por K. Eric Drexler no seu livro de 1986, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, que retomou o conceito de Feynman de mil milhões de pequenas fábricas e acrescentou a ideia de que estas poderiam fazer cópias de si próprias através de controlo informático, em vez do controlo por um operador humano; e num artigo de capa intitulado "Nanotechnology", publicado mais tarde nesse ano numa revista científica de grande circulação, Omni. A análise de Toumey inclui também comentários de cientistas destacados em nanotecnologia que afirmam que "Plenty of Room" não influenciou o seu trabalho inicial e que, de facto, a maioria deles só a tinha lido posteriormente.

Estes e outros desenvolvimentos sugerem que a redescoberta retrospetiva de "Plenty of Room", de Feynman, proporcionou à nanotecnologia uma história estruturada que lhe conferiu uma data inicial de dezembro de 1959, além de uma ligação ao carisma e ao génio de Richard Feynman. A estatura de Feynman como laureado com o Nobel e como figura icónica da ciência do século XX terá certamente ajudado os defensores da nanotecnologia e proporcionado uma valiosa ligação intelectual ao passado.

Norio Taniguchi

O cientista japonês Norio Taniguchi, da Universidade de Ciências de Tóquio, foi o primeiro a utilizar o termo "nano-tecnologia" numa conferência de 1974, para descrever processos de semicondutores, como a deposição de filmes finos e a fresagem por feixe de iões, que apresentavam um controlo característico da ordem de um nanómetro. A sua definição era: "'Nano-technology' mainly consists of the processing of, separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule." No entanto, o termo não voltou a ser utilizado até 1981, quando Eric Drexler, que desconhecia a utilização anterior do termo por Taniguchi, publicou o seu primeiro artigo sobre nanotecnologia em 1981.

K. Eric Drexler

thumb|K. Eric Drexler desenvolveu e popularizou o conceito de nanotecnologia e fundou o campo da nanotecnologia molecular.

Na década de 1980, a ideia da nanotecnologia como manipulação determinística, em vez de estocástica, de átomos e moléculas individuais foi explorada conceptualmente em profundidade por K. Eric Drexler, que promoveu a importância tecnológica dos fenómenos e dispositivos à nanoescala através de discursos e de dois livros influentes.

Em 1980, Drexler deparou-se com a provocadora palestra de Feynman de 1959, "There's Plenty of Room at the Bottom", enquanto preparava o seu primeiro artigo científico sobre o tema, "Molecular Engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation", publicado nos Proceedings of the National Academy of Sciences em 1981. O termo "nanotecnologia" (que acompanhava a "nano-tecnologia" de Taniguchi) foi aplicado independentemente por Drexler no seu livro de 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, que propunha a ideia de um "montador" à nanoescala capaz de construir uma cópia de si próprio e de outros objetos de complexidade arbitrária. Foi também Drexler quem publicou pela primeira vez o termo "gosma cinzenta" para descrever o que poderia acontecer se uma hipotética máquina autorreplicante, capaz de funcionar de forma independente, fosse construída e libertada. A visão de Drexler da nanotecnologia é frequentemente designada por "nanotecnologia molecular" (MNT) ou "fabrico molecular".

O seu trabalho de doutoramento de 1991 no MIT Media Lab foi o primeiro grau de doutoramento sobre o tema da nanotecnologia molecular e a sua tese, "Molecular Machinery and Manufacturing with Applications to Computation", foi publicada, após algumas edições, como Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, que recebeu o prémio da Association of American Publishers para o Melhor Livro de Ciência Informática de 1992. Drexler fundou o Foresight Institute em 1986 com a missão de "Preparing for nanotechnology." Drexler já não é membro do Foresight Institute.

Investigação experimental e avanços

Na nanoeletrónica, uma espessura à nanoescala foi demonstrada no óxido de porta e nos filmes finos utilizados em transístores já na década de 1960, mas só no final da década de 1990 foram demonstrados MOSFETs (transístores de efeito de campo metal–óxido–semicondutor) com comprimento de porta à nanoescala. A nanotecnologia e a nanociência receberam um impulso no início da década de 1980 com dois grandes desenvolvimentos: o nascimento da ciência dos aglomerados e a invenção do microscópio de corrente de tunelamento (STM). Estes desenvolvimentos conduziram à descoberta dos fulerenos em 1985 e à determinação da estrutura dos nanotubos de carbono em 1991. O desenvolvimento do FinFET na década de 1990 lançou também as bases para a moderna nanoeletrónica e para a fabricação de dispositivos semicondutores.

Invenção da microscopia de varrimento por sonda

O microscópio de corrente de tunelamento, um instrumento para obter imagens de superfícies ao nível atómico, foi desenvolvido em 1981 por Gerd Binnig e Heinrich Rohrer no Laboratório de Investigação da IBM em Zurique, pelo que receberam o Prémio Nobel da Física em 1986. Binnig, Calvin Quate e Christoph Gerber inventaram o primeiro microscópio de força atómica em 1986. O primeiro microscópio de força atómica disponível comercialmente foi introduzido em 1989.

O investigador da IBM Don Eigler foi o primeiro a manipular átomos utilizando um microscópio de corrente de tunelamento, em 1989. Utilizou 35 átomos de xénon para escrever o logótipo da IBM. Partilhou o Prémio Kavli de Nanociência de 2010 por este trabalho.

Avanços na ciência das interfaces e dos coloides

A ciência das interfaces e dos coloides existia há quase um século antes de se associar à nanotecnologia. As primeiras observações e medições do tamanho das nanopartículas foram realizadas durante a primeira década do século XX por Richard Adolf Zsigmondy, laureado com o Prémio Nobel da Química de 1925, que realizou um estudo pormenorizado de sóis de ouro e de outros nanomateriais com dimensões até 10 nm, utilizando um ultramicroscópio capaz de visualizar partículas muito menores do que o comprimento de onda da luz. Zsigmondy foi também o primeiro a utilizar explicitamente o termo "nanómetro" para caracterizar o tamanho das partículas. Na década de 1920, Irving Langmuir, laureado com o Prémio Nobel da Química de 1932, e Katharine B. Blodgett introduziram o conceito de monocamada, uma camada de material com a espessura de uma molécula. No início da década de 1950, Derjaguin e Abrikosova realizaram a primeira medição de forças superficiais.

Em 1974, o processo de deposição de camada atómica para depositar filmes finos uniformes, uma camada atómica de cada vez, foi desenvolvido e patenteado por Tuomo Suntola e colaboradores na Finlândia.

Noutro desenvolvimento, foram estudadas a síntese e as propriedades dos nanocristais semicondutores. Isto conduziu a um rápido aumento do número de nanopartículas de semicondutores de pontos quânticos.

Descoberta dos fulerenos

thumb|Richard Smalley