Nanotecnologia descobre nova estrutura: os nanoanéis

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/04/2004

Um artigo publicado na revista Science introduz os nanoanéis como os mais novos membros de uma crescente família de estruturas em escala nanométrica. O advento da nanotecnologia já havia trazido os nanotubos, nanochifres, nanocintos e nanomolas. O caçula da família, batizado de nanoanel, é formado por cristais únicos de óxido de zinco, um material semicondutor e piezoelétrico com importantes aplicações tecnológicas.

Os nanoanéis, círculos completos formados por um processo espontâneo de auto-espiralamento, poderão vir a ter utilização como sensores, ressonadores ou como transdutores. Eles também poderão ser utilizados para o estudo dos efeitos piezoelétricos em escala nanométrica, já que o comportamento dos materiais comumente se altera nessas dimensões sub-microscópicas.

"Nanoanéis são feitos de finos nanocintos que são enrolados como molas, camada por camada, com até centenas de voltas," explica o Dr. Zhong L. Wang, pesquisador do Georgia Institute of Technology (Estados Unidos). "Ele é uma nova nanoestrutura com um mecanismo diferente de crescimento. Os nanoanéis sem costura, cada um feito de um único cristal de óxido de zinco deformado de maneira homogênea, poderá ser a base para componentes em nanoescala e servir como um sistema modelo para o estudo dos acoplamentos elétricos e mecânicos em escala nanométrica."

Os resultados da pesquisa que, além do Dr. Wang, contou com a participação dos pesquisadores Xiang Yang Kong, Yong Ding e Rusen Yang, já está em processo de patenteamento quanto ao método utilizado para a fabricação da nova estrutura.

Os nanoanéis, que variam em diâmetro entre um e quatro micra e em espessura entre 10 e 30 nanômetros, formam-se em um forno horizontal quando uma mistura de óxido de zinco, óxido de índio e carbonato de lítio, numa proporção 20:1:1, são aquecidos a 1.400º C sob um fluxo de gás argônio.

As estruturas formam-se sobre um substrato de alumina em uma seção do forno mantido a temperaturas entre 200 e 400º C. Eles começam crescendo como nanocintos, longas estruturas na forma de fitas, produzidas pela primeira vez pela própria equipe do Dr. Wang, em 2.001. Os cintos têm uma espessura e uma largura de cerca de 15 nanômetros.

As superfícies desses nanocintos são dominados por cargas polares, positivas num lado, negativas no outro, criadas pelas terminações de íons de zinco e íons de oxigênio nos lados opostos da estrutura, o que cria uma polarização espontânea ao longo de sua espessura. Se os nanocintos se mantiveram retos, o momento dipolar total diverge à medida em que eles crescem. Entretanto, enrolando-os como uma nanomola, neutraliza-se as cargas polares, resultando em um decréscimo da energia eletrostática. À medida em que a estrutura cresce, entretanto, forças eletrostáticas de longo alcance fazem com que elas comecem a se dobrar e enrolar sobre elas mesmas, como forma de minimizar a energia eletrostática no sistema.

Se os nanocintos enrolam-se sobre si mesmos, as superfícies carregadas negativa e positivamente colam-se pela atração das cargas e a estrutura continua crescendo paralelamente à borda, volta após volta. A atração das cargas mantém as espirais juntas em perfeito alinhamento.

Após cerca de 30 minutos no forno, a alta temperatura faz com que as molas fiquem sinterizadas, com conexões químicas e epitaxiais formando um único cristal que não pode mais ser separado em "voltas" individuais. Os nanoanéis resultantes variam em largura, compondo-se desde cinco até 100 espiras.

O Dr. Wang explica que o lítio e o índio facilitam o mecanismo único de crescimento criando um defeito planar no nanocinto de óxido de zinco. Esse defeito cria condições energéticas e leva a um crescimento rápido do nanocinto ao longo da borda.

Tal como as outras estruturas da nanotecnologia, os nanoanéis oferecem novas possibilidades para a fabricação de sistemas nanoeletromecânicos, os NEMS, tais como ressonadores piezoelétricos para a detecção de biomoléculas individuais e atuadores de diversos tipos.

Os nanoanéis também juntam-se às nanomolas como candidatos à construção de sensores implantáveis no corpo humano para acompanhamento de dados biomédicos como pressão sanguínea, fluxo de sangue e stress no nível de células individuais, afirma o Dr. Wang.

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