PELA 1° VEZ, NANOTUBOS DE CARBONO ULTRAPASSAM A PERFORMANCE DO SILÍCIO

Há décadas, cientistas procuram formas eficazes de aproveitar as propriedades únicas de nanotubos de carbono para criar eletrônicos de alto desempenho, mais rápidos ou que consumam menos da vida útil da bateria do que os materiais atuais. Esse avanço é importante porque levaria a uma comunicação sem fio mais rápida e a maior processamento de velocidade para dispositivos como smartphones e laptops. Porém, uma série de desafios têm impedido o desenvolvimento de transistores de nanotubos de carbono – com apenas um átomo de espessura – de alta performance. Consequentemente, o seu desempenho tem ficado muito atrás de semicondutores de arsenieto de gálio e de silício, largamente usados hoje em eletrônicos. Agora, pela primeira vez, engenheiros de materiais da Universidade de Wisconsin-Madison (EUA) criaram transistores de nanotubos de carbono que superam os de silício. A equipe chegou a um transistor 1,9 vezes melhor do que os atuais. Os resultados foram publicados na revista Science. “Esta conquista tem sido um sonho da nanotecnologia pelos últimos 20 anos”, disse um dos principais autores do estudo, Michael Arnold. “Fazer transistores de nanotubos de carbono melhores do que os transistores de silício é um grande marco. Este avanço no desempenho é um avanço crítico em relação a explorar nanotubos de carbono na lógica, comunicações de alta velocidade e outras tecnologias de eletrônica”. Os novos transistores são particularmente promissores para tecnologias de comunicação sem fio que requerem uma grande quantidade de corrente fluindo através de uma área relativamente pequena. Transistores de nanotubos de carbono devem ser capazes de realizar cinco vezes mais rápido ou usar cinco vezes menos energia do que os transistores de silício, de acordo com a extrapolação feita a partir de medições de nanotubos individuais. Suas dimensões ultrapequenas tornam possível a alteração rápida de um sinal correndo através dele, o que poderia levar a ganhos substanciais na largura de banda de dispositivos de comunicação sem fio. No entanto, os pesquisadores têm tido dificuldade para isolar nanotubos de carbono de impurezas metálicas que agem como fios de cobre e interrompem suas propriedades como semicondutores. A equipe do novo estudo usou polímeros para selecionar somente os nanotubos semicondutores, alcançando uma solução com alta pureza. “Nós identificamos as condições específicas em que você pode se livrar de quase todos os nanotubos metálicos, onde temos menos de 0,01% de nanotubos metálicos”, explicou Arnold. A colocação e o alinhamento dos nanotubos também é difícil de controlar. Para fazer um bom transistor, os nanotubos precisam ser alinhados na ordem certa, com o espaçamento certo. Em 2014, os pesquisadores da mesma universidade superaram esse desafio quando anunciaram uma técnica de automontagem flutuante. Os nanotubos devem fazer contato elétrico com os eletrodos de metal do transistor. Como o polímero que os pesquisadores utilizaram para isolar os nanotubos também funciona como uma camada isolante entre os nanotubos e os eletrodos, a equipa “cozinhou” as matrizes de nanotubos numa estufa de vácuo para remover a camada de isolamento. “Em nossa pesquisa, nós mostramos que podemos, simultaneamente, superar todos os desafios de trabalhar com nanotubos, o que nos permitiu criar esses inovadores transistores que ultrapassam os de silício e de arsenieto de gálio”, concluiu Arnold. Os cientistas compararam o seu transistor de nanotubos de carbono contra um transistor de silício do mesmo tamanho, geometria e corrente de fuga, a fim de fazer uma análise justa. Eles continuam a trabalhar na adaptação do seu dispositivo para coincidir com a geometria usada em transistores de silício, que ficam menores a cada nova geração. Embora os pesquisadores já tenham escalado a tecnologia para chips de menos de três centímetros, eles querem escalar o processo para produção comercial. No geral, é emocionante ter finalmente chegado ao ponto no qual os pesquisadores podem explorar os nanotubos para atingir ganhos de desempenho semelhantes aos de tecnologias atuais. “Houve um monte de propaganda sobre nanotubos de carbono que não se tornou realidade, e azedou as perspectivas de muitas pessoas”, afirma Arnold. “Mas achamos que a empolgação é merecida. Só levou décadas de trabalho para a ciência nos permitir aproveitar de forma eficaz este material”. fonte: phys.org/news/2016-09-carbon-nanotube-transistors-outperform-silicon.amp

POR QUE CIENTISTAS PRECISAM ACELERAR A PESQUISA EM NANOTUBOS DE CARBONO

A combinação entre tamanho e tempo pode tornar nanotubos de carbono (CNTs, na sigla em inglês) na resposta às preces da indústria de computadores na medida que esta se segura à pressão de fazer chips de silício cada vez menores. Caso contrário, os mesmos fatores podem transformar os CNTs em um beco sem saída tecnológico. Nesse universo, o tamanho se refere às dimensões dos nanotubos de carbono versus a geometria reduzida dos componentes nos chips de silício entregues hoje. Um CNT é basicamente um tubo cuja parede conta com um átomo de carbono de espessura. Para colocar a coisa toda em perspectiva, o próprio tubo conta com 1 nanômetro ou milésimos de um mícron, apesar de que pode ter dezenas de mícrons de comprimento. Apesar de ser feito em carbono, paredes únicas de CNTs são excelentes condutoras graças a condutância quântica, que permite que elétrons propaguem ao longo do comprimento dos tubos. Já o tempo se refere a progressão da Lei de Moore, uma observação feita pelo co-fundador da Intel, Gordon Moore, que defendeu que o número de componentes em um chip deve dobrar a cada dois anos, sem aumento de seu preço. De acordo com isso, cerca de oito anos a partir de agora, a tecnologia de silício - que atingiu a geometria de 14 nm - chegará ao nível atômico. A essa altura, presumivelmente, a indústria não será mais capaz de sustentar a Lei de Moore, tornando componentes de silício cada vez menores. Então, a pergunta que fica é - estarão os nanotubos de carbono com geometria de 1nm prontos até lá? O principal trabalho em tecnologia CNT para o design de chips está sendo conduzido pela Stanford University e pela IBM Research. Pesquisadores das duas instituições estão otimistas, porém cautelosos. “Nós sentimos que os CNTs têm uma chance de substituir os transistores de silício em algum momento do futuro – se problemas críticos forem resolvidos”, explica Supratik Guha, diretor de ciências físicas na IBM Research.

Esta raquete conta com minúsculos computadores que se beneficiam de nanotubos de carbono, material que poderia levar a processadores menores e mais eficientes

Pequenos tubos com grande impacto

O problema de estabelecer circuitos de chip com nanotubos de carbono que correspondem ao tamanho dos componentes de silício ainda não foi resolvido, destaca Guha. Uma vez que CNTs não carregam corrente suficiente para um transistor funcional, cinco ou seis tubos paralelos são necessários para uma conexão. Os tubos devem ser estabelecidos a 6nm ou 7nm para minimizar a interferência, mas uma maior separação somente desperdiçaria espaço. “Atualmente, nós somos capazes de separá-los a 100nm, então é preciso uma melhora significativa aqui”, ressalta o pesquisador da IBM Research. “É aqui que precisamos de um novo pensamento. Com a corrente separação não há nenhuma vantagem sobre o silício”, completa. Um circuito de silício que é superior a 30nm de largura não é um problema, como vestígios de metal em dispositivos 14nm são cerca de 50 nm de largura, indica o analista da indústria de semicondutores Linley Gwennap, líder no Linley Group. “Não há nada no processo de 14nm que atualmente meça 14nm”, diz acrescentando que o corpo principal de um transistor Intel a 14nm mede 10nm. Outra questão que preocupa Guha, da IBM, diz respeito a pureza das fibras de carbono. A construção de circuito exige nanotubos de carbono de paredes únicas, enquanto tubos com duas ou mais paredes contam com características elétricas diferentes e sua presença constitui impurezas. “Nós precisamos de 99.999% de pureza” - em outras palavras, paredes únicas de CNTs - “e agora nós estamos a 99,9%”, diz Guha. “Nós estamos chegando lá, e eu estou confiante que nós consertaremos o problema”. Além disso, Max Shulaker, estudante da Stanford que atende como representante para a pesquisa de CNT, diz que o principal obstáculo para a comercialização dos CNTs é a necessidade de melhorar a sua resistência de contato, ou em outras palavras, a sua conectividade com outros condutores utilizados no sistema, como o silício e cobre. Os pontos de conexão são finos e então criam resistência elétrica que exige voltagem adicional para superar e operar o sistema, ele explica. A questão também está presente no silício, mas designers de silício têm trabalhado em soluções por anos. Shulaker também vê a necessidade de um melhor "doping" dos nanotubos de carbono que serão utilizados como transistores. O doping, neste caso, é a introdução de certas impurezas para controlar as propriedades elétricas para que funcione como um transistor.

Um deadline apertado

No entanto, resolver os diversos problemas dos nanotubos de carbono devem acontecer dentro de um tempo limite ou a tecnologia pode também ser abandonada. Com a tecnologia de chip agora ao nível 14nm, em dois anos, alcançando o nível 10 nm, e em quatro anos aos 7nm, e talvez os 5 nm nos próximos seis anos, explica Guha. Mas 5nm é em torno de 20 átomos de silício de largura, dimensões tão reduzidas que ser inferior a 5nm pode se tornar difícil, barrando a descoberta de alguma forma de manipular os átomos individuais. “Nós temos talvez três outras gerações da tecnologia – talvez quatro se você for realmente otimista. Depois as melhorias no silício cessarão”, prevê Guha. CNTs estão ao nível 1nm. Mas para a indústria adotar a tecnologia, seus problemas devem ser resolvidos em tempo para planejadores acrescentá-los aos roteiros de produção, antes de fabricar chips, eles precisam construir fábricas para isso. Em consequência, “nós precisamos demonstrar a praticidade da tecnologia CNT nos próximos dois ou três anos, ou a oportunidade irá se fechar e a tecnologia não estará lá quando precisarmos dela”, disse Guha. Se os problemas forem resolvidos, “nós poderemos ver produtos comerciais em seis ou sete anos”, diz o pesquisador. “Ou o desenvolvimento pode se arrastar por uma década ou a tecnologia nunca se tornará econômica”, disse. No entanto, mesmo diante de todas as suas particularidades, a bússola continua a apontar para a tecnologia CNT como uma possível forma de estar em dia com a Lei de Moore – assumindo que não há forma de fazer componentes de silício cada vez menores. Outra questão é que “qualquer nova tecnologia precisa ter em mente que o silício tem dominado a indústria por décadas e bilhões foram investidos na infraestrutura. Mas nanotubos de carbono são 100% compatíveis com silício, já que você consegue construi-los em substratos de silício”, explica Shulaker. “Eu espero que CNTs sejam usados algum dia”, ele acrescentou. “Não precisa substituir o silício, pode ser construído sobre o silício, e, portanto, não precisaria fazer tudo de uma vez”, prevê Gwennap. FONTE: idgnow.com.br/mobilidade/2015/11/10/por-que-cientistas-precisam-acelerar-a-pesquisa-em-nanotubos-de-carbono/

VOCÊ PROVAVELMENTE TEM NANOTUBOS DE CARBONO NO SEU PULMÃO

s nanotubos de carbono são ótimos para fazer materiais super expansíveis ou para detectar substâncias químicas potencialmente nocivas. Mas, estudos anteriores mostraram que eles provavelmente não são tão bons de ter em seus pulmões – ao longo do tempo, eles poderiam causar um colapso nos pulmões, com efeitos semelhantes ao amianto. Pela primeira vez, os pesquisadores os descobriram em seres humanos – especificamente, nos pulmões de 64 crianças com asma, de acordo com um estudo publicado este mês na EBioMedicine e relatado pelo The New Scientist. No estudo, os pesquisadores usaram várias técnicas diferentes para analisar os fluidos pulmonares de 64 crianças asmáticas que vivem em Paris (escolhidos porque eles já haviam sido submetidos a um processo invasivo de remoção de fluidos pulmonares, o que seria árduo para pacientes saudáveis). Nanotubos de carbono feitos pelo homem foram encontrados em cada amostra, o que fez com que os pesquisadores concluíssem que os seres humanos estão constantemente respirando-os. Usando várias técnicas analíticas diferentes em cinco amostras, os pesquisadores também descobriram nanotubos de carbono dentro de macrófagos, células de imunidade que funcionam dentro dos tecidos para combater patógenos. Os pesquisadores suspeitam que os nanotubos de carbono sejam originários do escape de veículos, e eles descobriram estruturas similares na poeira e no escape que eles testaram. Mas, não está claro se essa é a única fonte. E, embora haja evidências de que a exposição prolongada aos nanotubos de carbono possa ter efeitos iguais ao amianto sobre os pulmões, causando inflamação e lesões que podem se transformar em câncer, os pesquisadores não têm certeza de que a forma e o comprimento dos nanotubos de carbono encontrados no escapamento dos veículos possa causar esse tipo de dano. Mais importante, os pesquisadores já descobriram e documentaram uma forma eficaz de observar de perto os nanotubos de carbono em amostras de tecido. Sua esperança, eles escrevem, é que essa metodologia leve a novas descobertas sobre os seus efeitos na saúde dos pulmões. FONTE: curioso.blog.br/post/nanotubos-carbono-pulmao/