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No coração da matéria

Graças ao microscópio de efeito túnel, baseado nos princípios da Física quântica, os cientistas conseguem enxergar átomos e manipulá-los um a um. Em uma década, a nanotecnologia, ciência do infinitamente pequeno, poderá ver os primeiros resultados práticos da possibilidade de construir moléculas sob medida. A longo prazo, em vinte ou trinta anos, é provável que surjam supercomputadores de bolso e minúsculas sondas para percorrer o interior do corpo humano.

Fátima Cardoso

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 — nós 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 preferiu 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 sangüíneos 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 tornarão visíveis dentro de uma década”, disse a SUPERINTERESSANTE o físico americano K. Eric Drexler, da Universidade Stanford, o papa da nanotecnologia. 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 à 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 lá 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 STM), a ferramenta fundamental para a entrada no pequeno mundo, é filho direto da Física quântica.

Lá, onde 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 muito bem o porquê. A clássica imagem do átomo como um núcleo de prótons e nêutrons, em torno do qual os elétrons circulam em órbitas, também foi por água abaixo. O aspecto mais importante da Física quântica para os nanocientistas 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 à sua frente. No reino da Física quântica, no entanto, há determinadas circunstâncias em que os elétrons encontram uma barreira tão fina que há probabilidade de que eles simplesmente a ignorem e sigam em frente e 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 onde 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 corrente com uma voltagem infinitamente pequena.

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.. E 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 muito 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 frente 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 à amostra diminui. No modo de operação mais comum, o de voltagem constante, o eixo z deve portanto receber um alteração de tensão, para que se contraia 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 contrário, não haveria passagem de corrente elétrica. Materiais isolantes, como vidro ou células vivas, seriam invisíveis ao STM. 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 à ponta um pequeno fragmento de diamante, que contorna 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 STM.

Mais importante do que ver átomos é a possibilidade de movê-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 corrente for invertida, o átomo volta para baixo com força, ficando cravado naquele ponto. Desde que o pesquisador americano Don Eigler, do laboratório da IBM na Califórnia, nos Estados Unidos, alinhou átomos de xenônio para escrever o logotipo da empresa sobre uma superfície de níquel, começou uma 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. Dai 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 corrente elétrica, a manipulação atômica poderia levar à 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 O 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 nanoamostra. 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 10 000 vezes 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 encontrará 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 nanomáquinas, 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 micromotores 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 substâncias. Na Universidade de Michigan, construiu-se uma microssonda 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 microengenhocas ou, enquanto elas não chegam, movimentar as partes ultra-sensíveis de equipamentos atuais, como a cabeça de leitura de discos magnéticos nos computadores.

Para saber mais:

Depois do quark top, para onde vai a Física?

( SUPER número 7, ano 8)

A arte dos elétrons no efeito túnel

Esquema do microscópio de varredura por efeito túnel, a ferramenta que permite chegar ao coração da matéria. A ponta e a amostra são ligadas por uma das extremidades, formando um circuito. Quando a ponta se aproxima da amostra, os elétrons tunelam — pulam da amostra para a ponta — e fecham o circuito elétrico. A ponta do microscópio varre a amostra movimentando-se nos eixos x, y e z. Quando passa sobre uma saliência, a voltagem aumenta; vem então a ordem do microcomputador para que o cristal z receba uma tensão elétrica e encolha, suspendendo a ponta. A variação da tensão aplicada ao cristal z é o dado que o programa do micro usa para calcular a topografia da amostra.