As
palavras soavam como que saídas da boca de um
visionário: "Não tenho receio de considerar como
questão final se, por fim no futuro distante, nos
pudermos arranjar os átomos da maneira que quisermos
(...). O que aconteceria se pudéssemos arranjar os
átomos, um por um, do jeito que quiséssemos?" Na
época em que o físico americano e aprendiz de
profeta Richard Feynman (1918-1988) devaneou diante
de uma platéia incrédula, o mundo não era lugar para
pequenas idéias. Em dezembro de 1959, quando Feynman
proferiu as visionárias palavras na palestra "Há
muito lugar no fundo" para seus colegas da Sociedade
Americana de Física, os computadores ainda eram
geringonças que ocupavam metade das salas em que
eram colocados. Feynman falava em mexer átomos num
tempo em que ninguém sequer tinha visto um deles.
Trinta anos depois, o sonho do físico ganhou forma
na ciência do muito pequeno, a nanotecnologia, assim
chamada porque seus objetos de estudo costumam ser
medidos em nanômetros - 1 milhão de vezes menor que
1 milímetro.
O
que aconteceria se pudéssemos mover átomos?,
perguntava Feynman. Respondem os cientistas que os
manipulam hoje: podem-se construir supercomputadores
que caibam no bolso, gravar bibliotecas inteiras em
superfícies de centímetros quadrados, colocar
microssondas para fazer testes sanguíneos dentro do
corpo humano. Tudo isso ainda é suposição, previsão,
talvez sonho. "A preocupação fundamental não é a
aplicação das descobertas na prática, mas a pesquisa
pela pesquisa. Os resultados disso só se tomarão
visíveis dentro de uma década", O mundo futuro
imaginado por Drexler, em que se construirão
aparelhos ou substâncias molécula por molécula, é
ridicularizado por alguns de seus colegas cientistas
da mesma forma que a maioria dos físicos presentes ã
palestra de Feynman acreditava que ele estava
simplesmente brincando. Tentar prever o que é
possível fazer ao nível dos átomos é tão difícil
quanto entender a natureza lã embaixo. A
nanotecnologia só existe hoje como prática porque,
há quase sessenta anos, os cientistas que estudavam
a matéria derrubaram sólidos conceitos da Física
clássica e criaram a Física quântica, em que as
partículas como os fótons e os elétrons não se
comportam como no mundo de gente grande. O
microscópio de varredura por efeito túnel (scanning
tunnelling microscope, ou SIM), a ferramenta
fundamental para a entrada no pequeno mundo, é filho
afeto da Física quântica. Lã, ande os átomos se
contam às unidades, os elétrons sofrem de dupla
personalidade comportam-se ao mesmo tempo como
partículas e como ondas (mais ou menos como se
fossem ao mesmo tempo balas de um revólver e onda do
mar). Isso é inadmissível para a Física clássica,
mas perfeitamente aceitável para a Física quântica,
mesmo que não se compreenda multo bem o porquê.
A
clássica imagem do átomo como um núcleo de prótons e
nêutrons, em torno do núcleo, os elétrons circulam
em órbitas, também foi por água abaixo. O aspecto
mais importante da Física quântica para os nano
cientistas é a descoberta de que os elétrons às
vezes andam por onde não.deveriam. Normalmente, os
elétrons param de se mover quando não têm energia
para transpor uma barreira ã sua frente. No reino da
Física quântica, no entanto, há determinadas
circunstancias em que os elétrons encontram uma
barreira tão fina que há probabilidade de que eles
simplesmente a ignorem e sigam em frente - é o
chamado efeito túnel. Seria apenas mais uma
descoberta teórica se, em 1981, uma equipe do
laboratório da IBM em Zurique, na Suíça, não tivesse
transformado essa maluquice do elétron num aparelho
de enxergar átomos - ele mesmo, o microscópio de
efeito túnel. O invento valeu a Gerd Binnig e
Heinrich Rohrer o Prêmio Nobel de Física, em 1986.
Esse microscópio nada mais é do que uma minúscula
ponta feita de material condutor que percorre - ou
varre - toda a superfície da amostra a ser
analisada. A ponta e o substrato ande se deposita a
amostra ficam ligadas por um circuito. Aplica-se uma
tensão elétrica no circuito e abaixa-se a ponta do
microscópio até quase encostar na amostra. É um
"quase" imperceptível ao olho humano, pois a
distancia entre a ponta e a amostra chega a alguns
nanômetros. Pois os elétrons, que só deveriam passar
da amostra para a ponta se as duas estivessem
encostadas, simplesmente pulam pelo ar mesmo -
tunelam -, fechando o circuito entre a ponta e a
amostra, e criando uma comente com uma voltagem
infinitamente pequena, da ordem de al guns
nanoampéres. É um grande salto para o elétron e um
grande passo para a humanidade.
Com
o microscópio de efeito túnel, passou-se a enxergar
os átomos, antes jamais vistos, e, melhor ainda,
conseguiu-se manipulá-los. certo que dizer
"enxergar" átomos chega a ser uma licença poética,
pois o que se vê é uma imagem simulada da variação
da corrente elétrica. O levantar e abaixar da ponta
do microscópio é uma operação que exige precisão
multo além do que qualquer mão humana ou mecânica
possa alcançar. Esse trabalho é feito pelos cristais
piezoelétricos, como o quartzo, que se expandem ou
encolhem quando recebem tensão elétrica (sim,
mexem-se apenas alguns nanômetros). Há três
cristais: o do eixo z (que se move para cima e para
baixo), o x (para a frepte e para trás) e o y (para
a esquerda e para a direita). Quando a ponta do
microscópio começa a varrer a amostra, movendo-se
nos eixos x e y, o eixo z fica na mesma. Porém,
quando a ponta encontra uma pequena montanha pela
frente, ou seja, um átomo mais alto que os outros, a
voltagem da corrente elétrica aumenta, pois a
distancia em relação ã amostra diminuí. No modo de
operação mais comum, o de voltagem constante, o eixo
z deve portanto receber um alteração de tensão, para
que se contraía e suspenda a ponta do microscópio de
modo a fazer a voltagem retornar ao valor prévio. A
variação da tensão do cristal z resulta num gráfico,
que é transformado em imagem - está pronta a
fotografia dos átomos. Obviamente, o microscópio de
efeito túnel só funciona com amostras de materiais
condutores ou semicondutores; do contrario, não
haveria passagem de corrente elétrica. Materiais
isolantes, como vidro ou células vivas, seriam
invisíveis ao SIM.
Que
o pequeno mundo não se perca por isso - o mesmo Gerd
Binnig deu um jeitinho e inventou uma ponta de
microscópio capaz de enxergar qualquer coisa. Ele
acoplou ã ponta um pequeno fragmento de diamante,
que contoma os átomos da amostra exercendo uma
pressão pequena o suficiente para não destruí-la. É
o microscópio de força atômica (AFM, em inglês).
Conforme o fragmento de diamante se move quando
encontra saliências, move-se também a ponta,
criando-se então imagens como no SIM. Mais
importante do que ver átomos é a possibilidade de
mové-los, um a um. isso acontece quando se aplica
uma tensão,elétrica muito forte entre a ponta do
microscópio e a amostra - um átomo salta e gruda na
ponta. Se a polaridade da comente for invertida, o
átomo volta para baixo com força, ficando encravado
naquele ponto. Desde que o pesquisador americano Don
g Eigler, do laboratório da IBM na Califómia, nos
Estados Unidos, alinhou átomos de xenônio para
escrever o logotipo da empresa sobre uma superfície
de níquel, começou urna verdadeira corrida entre os
cientistas para conseguir o melhor domínio da
técnica de arrancar átomos de um ponto e colocá-los
em outro. O homem enfim toca o coração da matéria e,
átomo por átomo, pode chegar a construir moléculas
sob medida. Dar o sonho de montar um minúsculo
supercomputador - enquanto nos chips dos
computadores atuais a linguagem binária do sim/não é
feita com a passagem ou não de bilhões de elétrons
da comente elétrica, a manipulação atômica poderia
levar ã montagem de um interruptor que fosse uma
única molécula. Em laboratório, pelo menos, já se
demonstrou que isso funciona, quando se verificou
que a mudança de posição de um átomo de xenônio, ora
sobre uma superfície de níquel, ora grudado na ponta
do microscópio, causava uma variação na corrente
elétrica que bem poderia servir como 0 e 1 do código
binário. Claro que isso é inviável como tecnologia,
já que uma das partes desse interruptor molecular é
o próprio microscópio.
Na
hora de armazenar informações, a nanotecnologia pode
encolher a níveis absurdos o tamanho do suporte para
gravá-las. John Mamin, também do laboratório da IBM
na Califórnia, desenhou um mapa com átomos de ouro
para demonstrar o potencial de armazenagem de
informações em pouco espaço. Da mesma maneira que a
superfície plana alternada com buracos num compact
disc formam a linguagem binária, um simples átomo e
sua ausência construiriam a mesma linguagem numa
nano amostra. A técnica de Mamin poderia armazenar a
obra completa do dramaturgo inglês William
Shakespeare numa superfície menor do que 0,2
milímetros. É uma densidade de informação l0
000vezes maior do que o melhor disquete de
computador existente. Eric Drexler pensa longe
quando visualiza aonde tudo isso pode levar: "A
curto prazo, acredito que a nanotecnologia será
pioneira no lançamento de novos instrumentos
científicos voltados para a medição de escalas
moleculares. Depois disso, provavelmente encontrarão
um campo de ação fértil na computação, primeiro na
área da memória, e em seguida nos próprios
computadores. Haverá também aplicações importantes
nos produtos resultantes da manufaturação molecular,
na medicina, nos equipamentos para uso aéreo e
espacial, em instrumentos de proteção do meio
ambiente e inclusive no desenvolvimento de novos
instrumentos para esse fim". Uma das idéias de
Drexler neste campo é a criação de nano máquinas,
que seriam lançadas na estratosfera para capturar
átomos de cloro e resguardar a camada de ozônio do
planeta.
Embora
ainda não tão pequenos, já existem micro motores e
microssondas fabricados com a mesma técnica dos
chips de silício dos computadores. Sobre finas
camadas de materiais semicondutores, como arsenieto
de gálio, grava-se o padrão desejado para aquela
camada e corroem-se as partes restantes, que depois
podem ser preenchidas com outras substancia. Na
Universidade de Michigan, construiu-se urna micros
sonda de apenas 4,7 milímetros de comprimento, que
permite estudar com detalhes tanto o cérebro humano
como os circuitos neuronais, que imitam o
funcionamento do cérebro. Micromotores de diâmetro
menor que um fio de cabelo estão saindo do
laboratório prontos para fazer rodar as futuras
micro engenhocas ou, enquanto estas não chegam,
movimentar as par partes ultra-sensíveis de
equipamentos atuais, como a cabeça de leitura de
discos magnéticos nos computadores.
O
que aconteceria se pudéssemos mover átomos?,
perguntava Feynman. Respondem os cientistas que os
manipulam hoje: podem-se construir supercomputadores
que caibam no bolso, gravar bibliotecas inteiras em
superfícies de centímetros quadrados, colocar
microssondas para fazer testes sanguíneos dentro do
corpo humano. Tudo isso ainda é suposição, previsão,
talvez sonho. "A preocupação fundamental não é a
aplicação das descobertas na prática, mas a pesquisa
pela pesquisa. Os resultados disso só se tomarão
visíveis dentro de uma década", O mundo futuro
imaginado por Drexler, em que se construirão
aparelhos ou substâncias molécula por molécula, é
ridicularizado por alguns de seus colegas cientistas
da mesma forma que a maioria dos físicos presentes ã
palestra de Feynman acreditava que ele estava
simplesmente brincando. Tentar prever o que é
possível fazer ao nível dos átomos é tão difícil
quanto entender a natureza lã embaixo. A
nanotecnologia só existe hoje como prática porque,
há quase sessenta anos, os cientistas que estudavam
a matéria derrubaram sólidos conceitos da Física
clássica e criaram a Física quântica, em que as
partículas como os fótons e os elétrons não se
comportam como no mundo de gente grande. O
microscópio de varredura por efeito túnel (scanning
tunnelling microscope, ou SIM), a ferramenta
fundamental para a entrada no pequeno mundo, é filho
afeto da Física quântica. Lã, ande os átomos se
contam às unidades, os elétrons sofrem de dupla
personalidade comportam-se ao mesmo tempo como
partículas e como ondas (mais ou menos como se
fossem ao mesmo tempo balas de um revólver e onda do
mar). Isso é inadmissível para a Física clássica,
mas perfeitamente aceitável para a Física quântica,
mesmo que não se compreenda multo bem o porquê.
A
clássica imagem do átomo como um núcleo de prótons e
nêutrons, em torno do núcleo, os elétrons circulam
em órbitas, também foi por água abaixo. O aspecto
mais importante da Física quântica para os nano
cientistas é a descoberta de que os elétrons às
vezes andam por onde não.deveriam. Normalmente, os
elétrons param de se mover quando não têm energia
para transpor uma barreira ã sua frente. No reino da
Física quântica, no entanto, há determinadas
circunstancias em que os elétrons encontram uma
barreira tão fina que há probabilidade de que eles
simplesmente a ignorem e sigam em frente - é o
chamado efeito túnel. Seria apenas mais uma
descoberta teórica se, em 1981, uma equipe do
laboratório da IBM em Zurique, na Suíça, não tivesse
transformado essa maluquice do elétron num aparelho
de enxergar átomos - ele mesmo, o microscópio de
efeito túnel. O invento valeu a Gerd Binnig e
Heinrich Rohrer o Prêmio Nobel de Física, em 1986.
Esse microscópio nada mais é do que uma minúscula
ponta feita de material condutor que percorre - ou
varre - toda a superfície da amostra a ser
analisada. A ponta e o substrato ande se deposita a
amostra ficam ligadas por um circuito. Aplica-se uma
tensão elétrica no circuito e abaixa-se a ponta do
microscópio até quase encostar na amostra. É um
"quase" imperceptível ao olho humano, pois a
distancia entre a ponta e a amostra chega a alguns
nanômetros. Pois os elétrons, que só deveriam passar
da amostra para a ponta se as duas estivessem
encostadas, simplesmente pulam pelo ar mesmo -
tunelam -, fechando o circuito entre a ponta e a
amostra, e criando uma comente com uma voltagem
infinitamente pequena, da ordem de al guns
nanoampéres. É um grande salto para o elétron e um
grande passo para a humanidade. 
Com
o microscópio de efeito túnel, passou-se a enxergar
os átomos, antes jamais vistos, e, melhor ainda,
conseguiu-se manipulá-los. certo que dizer
"enxergar" átomos chega a ser uma licença poética,
pois o que se vê é uma imagem simulada da variação
da corrente elétrica. O levantar e abaixar da ponta
do microscópio é uma operação que exige precisão
multo além do que qualquer mão humana ou mecânica
possa alcançar. Esse trabalho é feito pelos cristais
piezoelétricos, como o quartzo, que se expandem ou
encolhem quando recebem tensão elétrica (sim,
mexem-se apenas alguns nanômetros). Há três
cristais: o do eixo z (que se move para cima e para
baixo), o x (para a frepte e para trás) e o y (para
a esquerda e para a direita). Quando a ponta do
microscópio começa a varrer a amostra, movendo-se
nos eixos x e y, o eixo z fica na mesma. Porém,
quando a ponta encontra uma pequena montanha pela
frente, ou seja, um átomo mais alto que os outros, a
voltagem da corrente elétrica aumenta, pois a
distancia em relação ã amostra diminuí. No modo de
operação mais comum, o de voltagem constante, o eixo
z deve portanto receber um alteração de tensão, para
que se contraía e suspenda a ponta do microscópio de
modo a fazer a voltagem retornar ao valor prévio. A
variação da tensão do cristal z resulta num gráfico,
que é transformado em imagem - está pronta a
fotografia dos átomos. Obviamente, o microscópio de
efeito túnel só funciona com amostras de materiais
condutores ou semicondutores; do contrario, não
haveria passagem de corrente elétrica. Materiais
isolantes, como vidro ou células vivas, seriam
invisíveis ao SIM. 
Que
o pequeno mundo não se perca por isso - o mesmo Gerd
Binnig deu um jeitinho e inventou uma ponta de
microscópio capaz de enxergar qualquer coisa. Ele
acoplou ã ponta um pequeno fragmento de diamante,
que contoma os átomos da amostra exercendo uma
pressão pequena o suficiente para não destruí-la. É
o microscópio de força atômica (AFM, em inglês).
Conforme o fragmento de diamante se move quando
encontra saliências, move-se também a ponta,
criando-se então imagens como no SIM. Mais
importante do que ver átomos é a possibilidade de
mové-los, um a um. isso acontece quando se aplica
uma tensão,elétrica muito forte entre a ponta do
microscópio e a amostra - um átomo salta e gruda na
ponta. Se a polaridade da comente for invertida, o
átomo volta para baixo com força, ficando encravado
naquele ponto. Desde que o pesquisador americano Don
g Eigler, do laboratório da IBM na Califómia, nos
Estados Unidos, alinhou átomos de xenônio para
escrever o logotipo da empresa sobre uma superfície
de níquel, começou urna verdadeira corrida entre os
cientistas para conseguir o melhor domínio da
técnica de arrancar átomos de um ponto e colocá-los
em outro. O homem enfim toca o coração da matéria e,
átomo por átomo, pode chegar a construir moléculas
sob medida. Dar o sonho de montar um minúsculo
supercomputador - enquanto nos chips dos
computadores atuais a linguagem binária do sim/não é
feita com a passagem ou não de bilhões de elétrons
da comente elétrica, a manipulação atômica poderia
levar ã montagem de um interruptor que fosse uma
única molécula. Em laboratório, pelo menos, já se
demonstrou que isso funciona, quando se verificou
que a mudança de posição de um átomo de xenônio, ora
sobre uma superfície de níquel, ora grudado na ponta
do microscópio, causava uma variação na corrente
elétrica que bem poderia servir como 0 e 1 do código
binário. Claro que isso é inviável como tecnologia,
já que uma das partes desse interruptor molecular é
o próprio microscópio. 
Na
hora de armazenar informações, a nanotecnologia pode
encolher a níveis absurdos o tamanho do suporte para
gravá-las. John Mamin, também do laboratório da IBM
na Califórnia, desenhou um mapa com átomos de ouro
para demonstrar o potencial de armazenagem de
informações em pouco espaço. Da mesma maneira que a
superfície plana alternada com buracos num compact
disc formam a linguagem binária, um simples átomo e
sua ausência construiriam a mesma linguagem numa
nano amostra. A técnica de Mamin poderia armazenar a
obra completa do dramaturgo inglês William
Shakespeare numa superfície menor do que 0,2
milímetros. É uma densidade de informação l0
000vezes maior do que o melhor disquete de
computador existente. Eric Drexler pensa longe
quando visualiza aonde tudo isso pode levar: "A
curto prazo, acredito que a nanotecnologia será
pioneira no lançamento de novos instrumentos
científicos voltados para a medição de escalas
moleculares. Depois disso, provavelmente encontrarão
um campo de ação fértil na computação, primeiro na
área da memória, e em seguida nos próprios
computadores. Haverá também aplicações importantes
nos produtos resultantes da manufaturação molecular,
na medicina, nos equipamentos para uso aéreo e
espacial, em instrumentos de proteção do meio
ambiente e inclusive no desenvolvimento de novos
instrumentos para esse fim". Uma das idéias de
Drexler neste campo é a criação de nano máquinas,
que seriam lançadas na estratosfera para capturar
átomos de cloro e resguardar a camada de ozônio do
planeta.
Embora
ainda não tão pequenos, já existem micro motores e
microssondas fabricados com a mesma técnica dos
chips de silício dos computadores. Sobre finas
camadas de materiais semicondutores, como arsenieto
de gálio, grava-se o padrão desejado para aquela
camada e corroem-se as partes restantes, que depois
podem ser preenchidas com outras substancia. Na
Universidade de Michigan, construiu-se urna micros
sonda de apenas 4,7 milímetros de comprimento, que
permite estudar com detalhes tanto o cérebro humano
como os circuitos neuronais, que imitam o
funcionamento do cérebro. Micromotores de diâmetro
menor que um fio de cabelo estão saindo do
laboratório prontos para fazer rodar as futuras
micro engenhocas ou, enquanto estas não chegam,
movimentar as par partes ultra-sensíveis de
equipamentos atuais, como a cabeça de leitura de
discos magnéticos nos computadores.