Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, inventores do Microscópio de tunelamento com varredura

Desde que o primeiro microscópio foi inventado, pesquisadores e cientistas de todo o mundo procuraram novas maneiras de ampliar sua compreensão do mundo microscópico. Em 1981, dois pesquisadores da IBM, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, abriram novos caminhos na ciência do muito, muito pequeno, com a invenção do microscópio de varredura por tunelamento (STM).

Como nenhum instrumento anterior, a invenção de Binnig e Rohrer permitiu que os cientistas visualizassem o mundo até suas moléculas e átomos. O STM ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1986 e é amplamente considerado como o instrumento que abriu as portas para a nanotecnologia e uma ampla gama de explorações em campos tão diversos quanto eletroquímica, ciência de semicondutores e biologia molecular.


O STM cresceu a partir de uma colaboração entre dois cientistas que queriam ultrapassar os limites da descoberta. Trabalhando juntos no IBM Zurich Research Laboratory, no final da década de 1970, Binnig e Rohrer tinham experiência em supercondutividade e ficaram fascinados com o estudo de superfícies atômicas – um tópico de extrema complexidade e que deixou os cientistas perplexos devido às características distintas das superfícies. Mas eles foram limitados em suas explorações pelo estado das ferramentas existentes. Nenhuma tecnologia existente permitia aos cientistas explorar diretamente a estrutura e as imperfeições eletrônicas de uma superfície.

Um microscópio comum, que emprega lentes ópticas, pode visualizar objetos menores que o comprimento de onda da luz. Um microscópio eletrônico podia ver coisas menores com maior clareza do que um microscópio óptico, mas ainda não conseguia visualizar claramente átomos individuais.

Então Binnig e Rohrer decidiram construir seu próprio instrumento – algo novo que seria capaz de ver e manipular átomos no nível da nanoescala. Para fazer isso, eles começaram a experimentar o tunelamento, um fenômeno quântico no qual os átomos escapam da superfície de um sólido para formar um tipo de nuvem que paira sobre a superfície; quando outra superfície se aproxima, sua nuvem atômica se sobrepõe e ocorre uma troca atômica.

Ao manobrar uma ponta condutora de metal afiada sobre a superfície de uma amostra a uma distância extremamente pequena, Binnig e Rohrer descobriram que a quantidade de corrente elétrica que flui entre a ponta e a superfície poderia ser medida. Variações nessa corrente podem fornecer informações sobre a estrutura interna e o alívio da altura da superfície. E a partir dessas informações, pode-se construir um mapa tridimensional em escala atômica da superfície da amostra.

Em janeiro de 1979, Binnig e Rohrer apresentaram sua primeira divulgação de patente no STM. Logo depois, com a ajuda do pesquisador Christoph Gerber, eles começaram o projeto e a construção do próprio microscópio.

Durante seus primeiros meses de trabalho no STM, os dois inventores tiveram que fazer uma série de ajustes em seu design original para produzir medições com precisão em uma escala tão minúscula. Essas mudanças levam a reduções de vibrações e ruídos; controle mais preciso da localização e movimento da ponta de digitalização; e melhor nitidez da ponta da sonda.

O primeiro experimento envolveu a estrutura da superfície de um cristal de ouro. As imagens resultantes mostravam fileiras de átomos precisamente espaçados e amplos terraços separados por degraus de um átomo de altura. “Eu não conseguia parar de olhar as imagens”, disse Binnig em sua palestra no Nobel sobre os primeiros experimentos. “Estava entrando em um novo mundo.”

Mais refinamentos no microscópio melhoraram a precisão do projeto mecânico e resultaram em imagens cada vez mais nítidas. E logo o significado da invenção de Binnig e Rohrer começou a atingir cientistas de todo o mundo, que de repente tiveram acesso pela primeira vez ao mundo em nanoescala de átomos e moléculas individuais.

Como o STM também poderia ser usado para empurrar e puxar átomos individuais, também marcou a primeira vez que os seres humanos conseguiram manipular objetos tão pequenos.

Ao conceder a Binnig e Rohrer o Prêmio Nobel de Física apenas cinco anos após a construção do primeiro STM, o comitê do Nobel disse que a invenção abriu “campos totalmente novos … para o estudo da estrutura da matéria”.

A invenção inovadora de Binnig e Rohrer foi o ponto de partida para a pesquisa em nanotecnologia – um campo que a IBM foi pioneira. E devido ao seu poder de imagem de alta resolução e ampla aplicabilidade, o STM encontrou grandes aplicações nos campos da física, química, engenharia e ciência de materiais.

O microscópio de força atômica (AFM), um descendente do STM desenvolvido por Binnig em 1986, iniciou um novo campo de microscopia, possibilitando a imagem de materiais que não eram eletricamente condutores. Além do AFM, o microscópio de tunelamento de Binnig e Rohrer deu origem a toda uma família de instrumentos e técnicas relacionadas que revolucionaram nossa capacidade de visualizar, explorar e manipular superfícies e materiais que não eram observáveis ​​anteriormente.

Nanotecnologia na estrada

As descobertas decorrentes do microscópio de tunelamento de varredura podem ser microscópicas, mas seus benefícios se tornaram rapidamente aparentes em toda a indústria. Por mais de uma década, os fabricantes de automóveis incorporam nanomateriais em seus carros. Por exemplo, o desempenho e a longevidade dos pneus melhoraram como resultado de compostos moleculares derivados da nanotecnologia. A pintura corporal avançada contendo nanopartículas levou a um exterior de carro muito mais duradouro. Os pára-choques também são agora comumente feitos com nanocristais para aumentar a força e a segurança dos passageiros.

Inovações na cura

A ciência biomédica está pronta para se beneficiar de uma ampla gama de dispositivos e técnicas de nanotecnologia. Num futuro próximo, as estruturas moleculares podem permitir a entrega de medicamentos a alvos precisos dentro do corpo. Por exemplo, a quimioterapia poderia eventualmente usar a nanotecnologia para atacar células cancerígenas com maior precisão e muito menos efeitos colaterais. Uma abordagem promissora usa um vírus – o nanobot da natureza – com 17 nanômetros de “espaço de carga” para transportar uma carga útil de drogas em escala atômica.

Purificando a água do mundo

As Nações Unidas prevêem que, até 2050, uma escassez crítica de água potável afetará aproximadamente metade da população mundial. Respondendo à crise, a IBM e outros cientistas de todo o mundo criaram filtros de nanomembranas. A tecnologia altamente eficiente em termos de energia elimina sal e elementos indesejados, como o arsênico, dos suprimentos de água públicos e privados para ajudar a manter a qualidade da água potável.

Promoção das energias renováveis

À medida que a segurança e a sustentabilidade da energia se tornam preocupações globais, o uso da nanotecnologia no setor de energia continua a crescer. Veja as turbinas eólicas, por exemplo. Os lubrificantes baseados em nano podem manter as turbinas geradoras de energia girando de maneira eficiente e contínua, enquanto os nanomateriais podem proteger seu exterior. Os revestimentos ajudam a evitar o acúmulo excessivo de gelo e sujeira no eixo e nas pás da turbina, que agora são feitos de materiais nanocompósitos para aumentar a resistência.

Um flash mais plano

Em 2003, a IBM foi uma das primeiras empresas a fabricar microprocessadores com uma espessura de 90 nanômetros – mil vezes mais fina que um cabelo humano. Desde então, a tecnologia de 90 nanômetros avançou constantemente, fornecendo capacidade aprimorada de processamento e armazenamento. Um dos produtos mais recentes a estrear é a tecnologia de memória flash de armazenamento flash de filme fino. O dispositivo de memória contém nanocristais de silício que podem fornecer maior confiabilidade ao produto. Uma versão da tecnologia também pode incluir uma nova forma de memória somente leitura programável e substituível eletricamente (EEPROM).

Nanotecnologia como narrativa

A nanotecnologia apareceu em obras literárias antes e depois da criação do microscópio de varredura por tunelamento. O lendário escritor de ficção científica Arthur C. Clarke é creditado pela primeira vez a se referir a aspectos da nanotecnologia em seu conto, The Next Tenants (1956). Nesse conto de um cientista interessado em cupins, Clarke faz alusão a dispositivos poderosos e invisíveis que se aproximam de proporções em escala atômica. Então, em 2002, Michael Crichton escreveu o romance Prey . O conto de advertência centra-se em um projeto de pesquisa em nanotecnologia que deu errado, com nano-robôs como os vilões da história.

Nanotech em filme

Uma das primeiras representações cinematográficas da nanotecnologia está em Terminator 2 (1991). Arnold Schwarzenegger como o terminador do modelo original parece obsoleto, compartilhando a tela com uma versão nova e aprimorada. Esse terminador de última geração foi construído a partir de um conjunto de milhões de “nanobots”, capazes de se reformular quando incinerados, esmagados ou disparados em pedaços. Lançado em 2004, o popular filme de ficção científica I Robot se passa em 2035. Nanobots ocupam o centro do palco como sondas biomédicas, construídas e projetadas para curar seres humanos. O filme foi vagamente baseado em uma coleção de contos escritos pelo grande escritor de ficção científica Isaac Asimov.

Nanotech na televisão

O microscópio de força atômica (AFM), um descendente da tecnologia STM, estreou na televisão em 2008 na popular série criminal CSI: Miami . Em um episódio intitulado “Rock and a Hard Place”, especialistas forenses usam o AFM para examinar uma pílula encontrada durante uma investigação da cena do crime. Na realidade, a nanotecnologia está constantemente ganhando aceitação na ciência forense. Por exemplo, o método mais recente de recuperação de impressão digital consiste em líquido contendo nanopartículas de ouro.

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