Menor motor do mundo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/07/2003

[Imagem: Zettl Group/Berkeley]

Nanomotor

Quinze anos após o lançamento do primeiro motor na escala do mícron, engenheiros da Universidade de Berkeley (Estados Unidos) avançaram mil vezes em relação ao seu feito anterior e lançaram o primeiro motor na escala do nanômetro. O nanomotor, atualmente o menor motor do mundo, possui um rotor de ouro fixado em um eixo de nanotubo de carbono. O nanomotor inteiro é menor do que um vírus.

"É o menor motor sintético já construído," comemora Alex Zettl, o físico que chefiou a pesquisa. "A natureza está um pouco à nossa frente - há motores biológicos que são iguais ou um pouco menores - mas nós estamos chegando lá." O trabalho foi publicado no número de 24 de Julho da revista Nature.

O nanomotor, medindo cerca de 500 nanômetros, representa um marco na nanotecnologia e prova que os nanotubos e outras nanoestruturas podem ser manipuladas e montadas para formar mecanismos reais e práticos. "É o primeiro nanomecanismo ao qual você pode conectar fios externos e ter algo girando, algo que você pode controlar," afirma Zettl.

Eixo móvel

Ao contrário dos motores atuais, o rotor do nanomotor pode ser posicionado em qualquer ângulo. Isso abre a possibildade de sua utilização em circuitos ópticos, para efetuar o redirecionamento da luz, um processo chamado de chaveamento óptico. O rotor pode ainda ser movimentado rapidamente para frente e para trás para criar um oscilador de microondas, ou ainda, o rotor em movimento pode ser utilizado para misturar líquidos em equipamentos microfluídicos.

Embora o nanomotor todo meça cerca de 500 nanômetros, o nanotubo de carbono que serve de eixo possui apenas alguns átomos, medindo entre 5 e 10 nanômetros. Seus estatores foram usinados em um bloco de silício, o mesmo material utilizado para se construir chips de computadores.

De RPM para GHz

Mas o nanomotor é tão pequeno que os cientistas depararam-se com problemas inusitados. Um exemplo é a dificuldade em se medir a velocidade do menor motor do mundo. O microscópio de tunelamento utilizado para se acompanhar o movimento do nanomotor é capaz de tirar fotos a apenas cada 33 milissegundos, o que impede os pesquisadores de saber se ele é capaz de girar a velocidades maiores do que 30 rotações por segundo.

"Nós supomos que podemos ir muito, muito mais rápido do que isto, provavelmente até freqüências de microondas," afirma Zettl. "Não há como nós possamos detectar isso agora, mas em princípio o motor é capaz de rodar até essa freqüência." Freqüências de microondas, comuns em redes de comunicação, estão acima de um bilhão de ciclos por segundo, daí sua mensuração em gigahertz.

[Imagem: Zettl Group/Berkeley]

O eixo do menor motor do mundo é um nanotubo multi-camadas, ou seja, ele consiste de nanotubos montados uns dentro dos outros, mais ou menos como as camadas de uma cebola. Conectando as duas extremidades no rotor e no ponto de fixação, o rígido nanotubo permitia ao rotor mover-se apenas 20 graus. Entretanto, os pesquisadores conseguiram quebrar a camada externa do nanotubo multi-camadas para permitir que o nanotubo mais externo, e por conseqüência o rotor, girassem livremente ao redor dos nanotubos internos como um rolamento praticamente sem fricção.

Motor de nanotubos

Para construir o nanomotor, Zettl e sua equipe construíram uma grande quantidade de nanotubos multi-camadas em um arco elétrico e os depositaram sobre uma superfície plana de uma pastilha de óxido de silício. Utilizando um microscópio de força atômica, um equipamento capaz de capturar um único átomo, eles identificaram aquele que melhor serviria aos seus propósitos.

O rotor de ouro, suas fixações no nanotubo e os estatores foram então simultaneamente usinados no silício ao redor do nanotubo escolhido utilizando a técnica de litografia. Um terceiro estator já havia sido construído sob a superfície do óxido de silício. O rotor foi então fixado nos nanotubos e sua superfície foi seletivamente entalhada para prover a liberdade de movimento necessária.

Quando os estatores recebiam uma carga de até 50 volts de corrente contínua, o rotor deflexionava até 20 graus, o que era visível no microscópio. Com voltagem alternada, o rotor movimentou-se para frente e para trás, agindo como um oscilador de torção. Um oscilador desses, provavelmente capaz de atingir oscilações de microondas de centenas de megahertz até os gigahertz, poderá ser útil em muitos tipos de dispositivos, em particular equipamentos de comunicação tais como telefones celulares ou mesmo computadores. Com uma forte carga elétrica, os pesquisadores conseguiram dar um tranco no rotor e quebrar a camada externa do nanotubo, permitindo que o rotor girasse livremente.

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