Equipamento testa resistência de materiais em nanoescala

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/09/2005

O projeto, desenvolvimento e fabricação de produtos como automóveis, aviões e computadores, devem grande parte de seu sucesso aos sistemas de testes de materiais em larga escala - os MTS ("Material Testing Systems"). Eles permitiram que os engenheiros entendessem os fundamentos do comportamento mecânico de vários materiais e estruturas.

No mundo da nanotecnologia, entretanto, onde a caracterização de materiais e estruturas acontece na escala de átomos e moléculas, os sistemas atuais de testes de materiais não têm qualquer utilidade. Mas o problema com que se deparam os nanotecnologistas é o mesmo dos primeiros engenheiros mecânicos e de materiais.

É por isto que o desenvolvimento de um sistema de testes de materiais universal em nanoescala, que possa ser colocado em um microscópio de força atômica - instrumento capaz de ampliar imagens aproximadamente um milhão de vezes - e possua a resolução e precisão necessárias para testar mecanicamente objetos em nanoescala, tem sido um dos grandes desafios da comunidade científica que trabalha com nanotecnologia.

Agora, pesquisadores da Universidade Northwestern, Estados Unidos, construíram a primeira micromáquina completa que é capaz de testar e analisar fenômenos de nanomecânica em tempo real. O equipamento, minúsculo o suficiente para ser inserido em um microscópio eletrônico, já demonstrou suas capacidades ao caracterizar as propriedades mecânicas de nanofios e nanotubos de carbono.

O n-MTS ("nano-Material Testing System"), desenvolvido pela equipe do Dr. Horacio D. Espinosa, consiste de um atuador e um sensor de carga, fabricados por meio da microtecnologia utilizada na fabricação de chips de computador. O sensor de carga é baseado no sensoriamento de diferencial capacitivo, o que lhe dá uma resolução de cerca de 10 nano-Newtons.

Este é o primeiro sistema de testes de materiais em nanoescala que oferece capacidade de observação contínua da deformação e falha de amostras, com resolução sub-nanométrica, ao mesmo tempo em que mede eletronicamente as forças aplicadas com resolução de nano-Newtons. Suaconstrução foi possível graças à integração de componentes eletromecânicos e termomecânicos em escala microscópica.

Um dos desafios resolvidos pelos pesquisadores foi a integração dos sistemas microeletromecânicos (MEMS) com os circuitos para a medição de sinais eletrônicos. Eles resolveram o problema utilizando uma arquitetura de duplo chip, consistindo de um chip MEMS e de outro chip contendo os sensores microeletrônicos.

Outro desafio foi a montagem das nanoestruturas individuais sobre o dispositivo de testes. Utilizando um nanomanipulador no interior de um microscópio de rastreamento eletrônico de duplo feixe e de um aparato de foco de feixe iônico - uma nova ferramenta agora à disposição dos nanocientistas - os pesquisadores pegaram as nanoestruturas, cortaram-nas no comprimento adequado e as soldaram sobre o n-MTS utilizando umatécnica que consiste na deposição de platina, induzida por meio de um feixe de elétrons.