Conceitos básicos relacionados à Nanociência
Apresentação
As evoluções tecnológicas, que permitem dispositivos cada vez menores, estão relacionadas com a miniaturização das peças, o que é alcançado com o aumento da área superficial. Partículas de tamanhos diferentes podem apresentar propriedades distintas, isto pode ser percebido nos fenômenos de reflexão, refração, dispersão e magnetismo. Estes conceitos serão abordados com enfoque nanométrico neste conteúdo.
- Compreender o aumento da área superficial.
- Entender como os conceitos de reflexão, refração e dispersão estão relacionados com materiais em escalas nanométricas.
- Comparar como o magnetismo ocorre em escala macroscópica e nanométrica.
Ficha técnica
- Nanociência
- Nanomateriais de Carbono
- Estrutura Cristalina
- Ensino Superior
- Ensino Médio
Créditos
Bibliografia
Espaço do professor
Download das ideias e propostas para este conteúdo.Introdução
A Nanociência e a Nanotecnologia usam conceitos, tanto da Física Clássica, como da Física Quântica, para auxiliar na compreensão do comportamento de átomos e moléculas que passam a ser manipulados para formar novos materiais, muitas vezes mais resistentes e duráveis. Compostos esses que apresentam propriedades diferentes de quando trabalhados na escala macroscópica. No momento em que os átomos e moléculas são manipulados, podemos reduzir os desperdícios na sua produção, excluindo impurezas e imperfeições (ROUKES, 2008).
A Nanotecnologia tem sido considerada uma área promissora para produção de novos dispositivos tecnológicos que poderão mudar o modo como vivemos (TOMA, 2004). Dessa forma, torna-se essencial a compreensão desta tecnologia, os seus princípios básicos. Uma abordagem de assuntos mais amplos possibilita a interação de várias disciplinas e gera uma compreensão mais profunda do assunto estudado, muitas vezes transcendendo o limite da Física e adentrando em outras áreas do conhecimento, como Biologia e Química, fazendo da Nanociência uma área de natureza interdisciplinar (TOMA, 2004).
Então, neste conteúdo, iremos abordar tópicos que são minimamente necessários para o entedimento da Nanociência.
Área superficial - conceito
Como aumentar a área superficial de um cubo, mantendo o seu volume constante?
Primeiramente vamos calcular a área superficial do cubo, usando a equação (1):
onde L é a aresta do cubo. O volume é calculado pela equação (2):
Se dividirmos a aresta deste cubo pela metade, como pode ser visualizado abaixo, o volume total e a área superficial continuarão os mesmos?
Para respondermos a esta questão, vamos usar as equações (1) e (2).
Então podemos visualizar os cálculos abaixo:
Primeiro, o cálculo do volume:
Agora vamos calcular a área:
Com estes cálculos, você pode concluir que o volume do cubo permaneceu constante, porém, a área superficial aumentou consideravelmente.
Área superficial - exemplos
A possibilidade de conseguir uma maior velocidade na reação de uma substância pode ser visualizada no caso de uma pastilha efervescente. Observe o que ocorre quando colocamos uma pastilha efervescente inteira e outra fragmentada (moída) em um copo com água.
Mais aplicações relacionadas com a Nanociência podem ser encontradas nos links abaixo:
- Notícia sobre o sensor "Língua Eletrônica"
- Blog Nanociência no Ensino Básico, do professor Anderson Ellwanger
Reflexão e Refração
Como é possível obter vitrais coloridos sem a utilização de tintas?
Figura 02: foto do vitral colorido em igreja.
Autor: Thomas Warm, stock.xchng.
Para respondermos essa questão precisamos explorar alguns conceitos físicos que estão envolvidos nesta situação. Inicialmente iremos definir reflexão, refração e dispersão.
Figura 03: Figura ilustrativa de um raio luminoso que incide sobre a superfície (ar-água). O ângulo do raio refletido é 56,3º, o ângulo do raio refratado é 38,7º e o ângulo do raio incidente é 56,3º.
Reflexão: O fenômeno da reflexão ocorre quando uma onda luminosa atinge uma superfície que separa dois meios transparentes como o dioptro (ar-água) que está ilustrado na figura 03. Neste caso uma parte da luz incidente é refletida e parte é transmitida (refratada) para este meio (água). No fenômeno da reflexão, pode-se observar que o ângulo incidente é exatamente igual ao ângulo do raio refletido.
Refração: Quando um raio luminoso atinge uma superfície que separa dois meios transparentes e diferentes, como uma superfície ar-água, parte da luz incidente é refletida e a outra parte penetra no segundo meio (água). Este fenômeno é chamado de refração, que é caracterizado pela mudança de velocidade do raio que penetra ou é transmitido e, neste caso, ocasiona uma mudança de direção, como se pode observar na figura 03.
Para aumentar a compreensão sobre reflexão e refração você poderá acessar os aplicativos abaixo (é necessário ter instalado em seu computador o software gratuito Java):
- Aplicativo "Curvando a luz", da PhET Interactive Simulations, University of Colorado
- Aplicativo "Refração da Luz", do professor Walter Fendt
Dispersão
Figura 04: Figura ilustrativa de um raio luminoso que incide sobre um prisma, mostrando a decomposição da luz.
Dispersão: A velocidade da luz no vácuo é a mesma para todas as cores. Porém, no interior de um material, ela varia de acordo com o comprimento de onda, ou seja, cores diferentes possuem velocidades diferentes. Então, quando uma luz branca, que é a composição de todas as cores, incide sobre um prisma, ocorre a dispersão. Esta é definida como a decomposição da luz branca, indicando como a velocidade da onda e o índice de refração dependem do comprimento de onda.
O arco-íris que ocorre naturalmente é uma exemplificação cotidiana da reflexão, refração e dispersão da luz. Estes fenômenos também estão presentes em escalas menores, como na escala nanométrica, explicando alguns efeitos como a presença de diferentes cores nos vitrais, o que pode ser visualizado na figura 05.
Figura 05. Clique para expandir.
(Extraída de Ellwanger e Fagan, 2010)
Na figura 05, temos um exemplo do ouro (Au), que apresenta diferentes características quando manipulado em tamanhos menores. Uma das mudanças visíveis está na cor que este elemento apresenta. O ouro e outras substâncias, como o estanho e o bismuto, foram usados na antiguidade para ornamentar as igrejas medievais, que usavam técnicas de moagem para obter cores diversificadas quando essas substâncias eram diluídas no vidro, sem conhecer os conceitos óticos envolvidos.
Portanto, os fênomenos de reflexão, refração e dispersão, quando analisados em conjunto com partículas nanométricas, resultam num composto de cores, que só é alcançado nestas condições.
Magnetismo
Os ímãs fazem parte do nosso dia a dia e estão presentes em ímãs de geladeira, autofalantes, televisores, tarjas de cartões de banco, telefone e ainda possuem aplicações na indústria e na ciência.
Convencionalmente, todos os ímãs tem dois pólos, os quais são denominados pólo magnético norte e sul, e que visualmente não apresentam diferença. Estas características são válidas para sistemas macroscópicos, microscópicos e nanométricos. No caso de ímãs em escala nanométrica, os efeitos são diferentes daqueles em outras escalas, pois a magnetização ocorre de forma individual no átomo, o que permite efeitos magnéticos mais precisos.
Podemos magnetizar diferentes substâncias, as quais são classificadas como: Ferromagnéticas, paramagnéticas e diamagnéticas.
Ferromagnetismo: tem o Ferro, o Níquel, o Cobalto e suas ligas como representantes. Quando aproximamos estes elementos de um ímã permanente, a magnetização é intensa e o material passa a ser fortemente atraído pelo ímã. Em alguns casos, quando esses elementos são expostos a ímãs permanentes por muito tempo, eles podem tornar-se um ímã permanente. No caso de partículas nanométricas, a magnetização é intensa e definitiva, o que na maioria das aplicações inviabiliza sua utilização.
Paramagnetismo: Tem como exemplos o Alumínio, o Magnésio e o Sulfato de Cobre. É uma das formas mais fracas do magnetismo, sendo quase imperceptível em escala macroscópica. Já em escala nanométrica, seus efeitos são potencializados, pois, quando estão próximos de uma substância magnética, apresentam vantagens em relação às substâncias ferromagnéticas, não permanecem magnetizadas após a retirada do ímã (KNOBEL, 2000). Este efeito é conhecido como superparamagnetismo e só é observado em partículas com diâmetro menor que 30 nm.
Como exemplo temos os ferrofluidos, que são caracterizados como substâncias paramagnéticas, mas sua origem está nos ferromagnéticos. Estes podem ser usados na remoção de óleos quando misturados com outras substâncias, como a água. Esse processo é visualizado no vídeo abaixo.
Para observar os ferrofluídos sendo usados acesse os links abaixo:
Diamagnetismo: Os principais representantes diamagnéticos são o Ouro, a Prata e o Chumbo. Estas substâncias, quando próximas de um ímã, são fracamente repelidas.
Atividades
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MAIS
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Objetos de Aprendizagem
Participe
Figura 05 (Extraída de Ellwanger e Fagan, 2010)
todos os objetos são bons porque evidenciam a prática, o que torna a leitura mais interessante, principalmente para quem não é da área, ou não gostava de física.