JORGE RODRIGUES SIMÃO

ADVOCACI NASCUNT, UR JUDICES SIUNT

As novas formas da matéria (I) - PORTUGUESE, ENGLISH AND CHINESE VERSIONS

anano 

ACADEMIA.EDU - Portuguese, English and Chinese Versions 20.08.2021

“Democracy is not just about eliminating old hierarchies, it is about building the world together.”  

Jeddediah Purdy

 After Nature: A Politics for the Anthropocene After Nature.

 

Benjamin Franklin, Karl Marx, Hannah Arendt e outras grandes figuras históricas sugeriram que a nossa espécie deveria ser chamada de Homo faber em vez de Homo sapiens. A nossa inclinação para construir coisas, desde pirâmides a centros comerciais e carros eléctricos movidos a bateria significa que esta é uma das nossas principais actividades. Pode argumentar-se que é a característica essencial que nos torna quem somos. O desejo de construir objectos e dispositivos parece estar escrito no nosso ADN. O facto de não nos podermos conter de o fazer tem sido a chave do nosso sucesso espectacular como espécie, em comparação com toda a fauna de penas e pêlos que vive no planeta.

Embora existam milhões de artefactos que podem ser comprados em privado, em mercados, lojas e websites em todo o mundo, a natureza sempre impôs limites aos nossos projectos de construção. Certas propriedades do mundo material limitam os objectos que podem ser construídos. Não se pode fazer um forno a partir de uma banheira de água, por exemplo, e não se pode construir um avião a partir de uma montanha de sanduíches de mortadela. Apesar da engenhosidade e habilidade que os humanos puseram na criação de objectos, a natureza da matéria sempre determinou certos limites. Por muito que o dobre, corte, misture, arrefeça ou forje, não conseguirá obter certas coisas de um determinado material. Pelo menos era o que parecia.

 

O advento da nanotecnologia sugeriu uma subversão desta verdade fundamental. O crédito pelo nascimento do sector da nanotecnologia é geralmente atribuído ao físico teórico americano Richard Feynman, para ser mais preciso, durante um seminário memorável que realizou no Instituto de Tecnologia da Califórnia em 1959. É importante apresentar o autor desse discurso pioneiro. A expressão "homem renascentista" que significa um indivíduo com uma tal gama de talentos que pode transmitir sabedoria ou suscitar admiração ao falar sobre quase qualquer assunto, provavelmente não é suficiente para descrever Richard Feynman. Foi, antes de mais, um eminente físico teórico e matemático.

Mas era também um excelente tocador de bongo, um autor de “best-sellers”, um tradutor de textos maias, um artista a tempo parcial que desenhou sob o pseudónimo "Ofey" (por isso imaginou que se soletrava "au fait", que significa "a propósito" em francês), e um famoso contador de histórias com um sentido de humor um pouco malicioso que muitas vezes exibia com excelentes resultados. Vencedor do Prémio Nobel da Física em 1965, Feynman é também recordado como um distinto servidor do Estado. Quando jovem, após alguma hesitação inicial, fez parte da equipa que desenvolveu a bomba nuclear em Los Alamos, Novo México, o que ajudou a pôr fim à II Guerra Mundial. Nos últimos anos da vida de Feynman, o Presidente Ronald Reagan pediu-lhe que se juntasse à comissão de investigação da explosão fatal do vaivém espacial Challenger em 1986.

Numa audiência pública sobre o desastre, na qual morreram sete astronautas, transmitida em directo pela televisão, Feynman mergulhou um O-ring, um selo de borracha circular, num copo de água gelada para mostrar como a temperatura na noite anterior ao lançamento poderia ter alterado o comportamento elástico normal dos selos de um tanque de combustível do Challenger.Desta forma simples, Feynman deu uma demonstração eficaz da causa da catástrofe aos telespectadores nos Estados Unidos. Apesar de na altura sofrer de cancro terminal do estômago, Feynman examinou muito cuidadosamente os pressupostos e preconceitos que tinham moldado o programa do vaivém espacial. Ele calculou que a hipótese de catástrofe em cada uma das missões não era de um em cem mil, como os engenheiros da NASA sempre afirmaram publicamente, mas estava mais próxima de um em cem (uma estatística tragicamente confirmada durante os trinta anos em que a frota de vaivéns espaciais esteve em funcionamento).

Parte da genialidade de Feynman residia no facto de ser sempre céptico em relação às mentalidades dos membros das instituições, o que os levou a ser demasiado confiantes. Durante o seu tempo em Los Alamos, estava tão preocupado com a possibilidade de a tecnologia nuclear que estavam a desenvolver poder cair nas mãos erradas que praticou para se tornar um ladrão habilidoso. Os seus superiores riram-se, mas pouco depois do fim da II Guerra Mundial, Feynman conseguiu abrir o cofre que continha todos os documentos necessários para construir a bomba, provando assim o seu ponto de vista sobre a complacência institucional. Em teoria e na prática, Feynman soube lançar luz sobre problemas de que os que o rodeavam não tinham conhecimento.

Em 1959, na sala de conferências da Caltech, Feynman discutiu um tema muito mais teórico do que os O-rings e os segredos da Guerra Fria. Dirigindo-se a alguns dos físicos mais brilhantes dos Estados Unidos, Feynman apresentou algumas hipóteses sobre a situação real da matéria à escala dos átomos e moléculas. Na altura, todos suspeitavam que a essa escala se estava a aproximar de certos limites físicos absolutos para além dos quais a natureza das coisas é praticamente fixa. No entanto, no seminário intitulado "Há muito espaço lá em baixo", Feynman sugeriu que havia realmente espaço suficiente dentro de cada peça individual de matéria para os humanos começarem a reorganizar e a manipular as partículas presentes com uma discussão complicada do espaço disponível na cabeça de um alfinete, suficiente para os vinte e quatro volumes da Encyclopaedia Britannica ou a quantidade de informação no ADN.

Feynman descreveu a escala atómica como um ambiente com enorme margem para manipulação. Na sua opinião, estas reconfigurações deliberadas criariam a possibilidade de coisas extraordinárias acontecerem. Era uma área de investigação pronta a ser explorada. Nesse seminário histórico, Feynman previu que um dia os humanos iriam manipular directamente átomos e moléculas, utilizando ferramentas especialmente concebidas para criar novos materiais com propriedades extraordinariamente úteis. Afirmou com confiança que, uma vez obtido o controlo da disposição dos átomos, descobriríamos "uma gama muito maior de propriedades possíveis das substâncias e de diferentes coisas que podemos fazer". Em 1959, ainda não existiam microscópios de efeito túnel capazes de "ver" à escala atómica. Ninguém, portanto, pôde confirmar as hipóteses de Feynman. No entanto, as suas previsões colocam cientistas e engenheiros num novo e revolucionário caminho para refazer o mundo físico.

A revolução nanotecnológica começou por uma revolução furtiva. Os primeiros produtos de consumo contendo nanomateriais foram colocados no mercado em 1999. Muito antes de o público ter qualquer ideia do que era a nanotecnologia, começaram a aparecer nas lojas pára-choques de automóveis cobertos de tinta contendo nanomateriais resistentes a riscos, armações de raquetes de ténis muito fortes devido à inclusão de nanotubos de carbono, e protectores solares com agentes reflectores de tamanho nanométrico que repelem os raios ultravioleta. Os consumidores começaram a comprar estes produtos e a incorporá-los na sua vida quotidiana, mas desconheciam as extraordinárias propriedades físicas dos nanomateriais. O prefixo 'nano' representa 10-9, um bilião de vezes. Os muitos zeros sugerem que um bilionésimo de qualquer coisa é uma fracção muito pequena. Quando se trata de metros, esta fracção corresponde a um comprimento muito pequeno.

As coisas que são medidas em nanómetros são realmente minúsculas pois num centímetro há dez milhões delas. Um nanómetro é aproximadamente um centésimo milésimo da espessura de uma folha de papel. Um fio de ADN no núcleo de uma célula humana já tem dois nanómetros de diâmetro. Se pudesse reduzir o diâmetro de uma bola para um nanómetro, e tudo o resto em proporção, um adulto médio poderia subir sobre a Terra num único degrau (desde que, claro, mantivesse o seu tamanho). Se quiser outra referência ao corpo humano, as unhas crescem a cerca de um nanómetro por segundo. Por muito que se olhe, nunca será capaz de as ver crescer. Pelo contrário, a barba desgrenhada de Ryan Gosling ou de qualquer outra estrela de cinema cresce cinco nanómetros por segundo (e muitas pessoas continuam certamente a olhar fixamente para ela).

A natureza surpreendente do mundo nanoscópico não acaba aí. Uma molécula de água mede menos de meio nanómetro. Um átomo de ouro é ainda mais pequeno (cerca de um quarto de nanómetro de diâmetro). Uma bactéria normal, por outro lado, é de 2500 nanómetros, enquanto o jogador de basquetebol LeBron James tem 2,03 mil milhões de nanómetros de altura. Um ponto importante é que quando um objecto excede cem nanómetros, tendemos a considerá-lo como não sendo mais à escala nanométrica. Para além deste limiar, torna-se um objecto macrométrico. Isto significa que nem a bactéria nem o LeBron James são nanoscópicos. Por outro lado, se um material tiver pelo menos uma dimensão nanométrica, é considerado um nanomaterial. O grafeno, por exemplo, é uma malha de carbono que nunca é mais espessa do que um átomo. Uma folha de grafeno com o diâmetro de uma placa é considerada nanoscópica porque a "placa" de grafeno não mede mais do que um nanómetro em dimensão vertical.

Todos estes exemplos apontam na mesma direcção. Um nanómetro é muito pequeno e a nanociência é o estudo das propriedades da matéria a esta escala muito pequena. Embora o estudo da nanoescala seja uma área relativamente nova de investigação científica, uma série de objectos nanoscópicos flutuantes estão presentes na Terra desde muito antes do Homo faber ter começado a fazer coisas. Várias entidades de nanoescala estão dispersas no solo, nas águas dos oceanos e na atmosfera. Alguns dos fenómenos naturais mais fascinantes tais como o brilho das asas de uma borboleta, a viscosidade das pernas de uma osga ou o deslizamento da superfície das folhas da planta carnívora Nepenthes dependem de estruturas biológicas nanosizadas nesses organismos. Algumas nanoestruturas extraordinárias de carbono, tais como grafenos e fulerenos que são basicamente grafenos enrolados ocorrem naturalmente não só na Terra, mas também no espaço.

Existem também nanomateriais criados involuntariamente pelos seres humanos. O vidro manchado dos séculos passados deve parte da sua beleza à presença de nanopartículas de ouro e prata, embora os artesãos que trabalharam o vidro não tivessem ideia de utilizar a nanoescala. Foram encontradas espadas de Damasco com mais de mil anos, cujas lâminas contêm fulerenos de carbono individuais. A qualidade do aroma de uma chávena de café ou o cheiro desagradável de uma pilha de lixo depende das propriedades presentes na nanoescala. Apesar da presença esporádica de alguns materiais em nanoescala no ambiente natural (e da sua produção não intencional e rara pelo homem ao longo dos séculos), na natureza a grande maioria dos materiais e elementos são milhares de vezes maiores.

A razão pela qual a nanoescala se tornou tão interessante para os cientistas depois de Feynman tem muito a ver com a razão da raridade dos nanomateriais. Na nanoescala, os materiais tendem a ser altamente reactivos e mostram uma instabilidade promissora. Isto significa que, deixados à sua própria sorte na natureza, reagem geralmente rapidamente com substâncias vizinhas para se tornarem algo maior e mais inerte. A nanotecnologia tornou-se uma das áreas mais interessantes da ciência e da engenharia precisamente porque os investigadores descobriram como criar materiais para poderem explorar esta intensa reactividade à escala nanométrica antes de terem a oportunidade de reagir e de se tornarem mais aborrecidos e estáveis; com os nanomateriais fabricados intencionalmente, o ordinário torna-se rapidamente extraordinário.

Nos tamanhos nanoescala, a farinha pode explodir quando exposta a uma chama, o ouro pode mudar de cor para vermelho e ter uma temperatura de fusão muito mais baixa, e o carbono, ao contrário de outras formas do elemento, torna-se um excelente condutor de electricidade. Os nanopontos brilham de formas estranhas, mas controláveis, quando iluminados. A resistência dos materiais pode ser aumentada em muitas ordens de magnitude, reduzindo as suas superfícies a dimensões nanométricas, e as nano substâncias podem ser utilizadas para catalisar reacções químicas fortes. No estranho mundo das nanodimensões, as propriedades supermagnéticas podem surgir subitamente e a direcção do campo magnético pode mudar aleatoriamente devido à temperatura. Em muitos domínios, a acção de redução de materiais cria uma realidade completamente nova e excitante. Subjacentes a esta magia estão algumas verdades físicas elementares que esclarecem tudo e não são apenas compreensíveis para um investigador de laboratório com um mestrado em física teórica.

A forte reactividade e as propriedades invulgares de um nanomaterial são, em grande parte, uma questão de geometria elementar. Se pegarmos numa esfera e reduzirmos o seu tamanho, a relação entre a sua área de superfície e o seu volume aumenta. Isto significa que num pequeno pedaço de material, a parte interior é mais pequena do que a superfície. Assim, um mármore pequeno tem uma relação superfície/volume maior do que um mármore grande, e num mármore minúsculo esta relação é ainda maior. O efeito de uma grande relação superfície-volume é que uma percentagem muito maior do material está à superfície e exposto ao mundo exterior. As reacções químicas entre substâncias ocorrem na superfície, pelo que, com toda essa superfície exposta, uma maior percentagem do material em questão está disponível para tomar parte nas reacções.

Estas reacções tornam possíveis muitas coisas interessantes. À medida que o tamanho dos materiais diminui em direcção à nanoescala, a relação superfície/volume começa a tornar-se incrivelmente grande. Por exemplo, uma partícula com um diâmetro de dez nanómetros tem 20 por cento dos seus átomos à superfície. Se o diâmetro mede três nanómetros, a percentagem de átomos na superfície é de 50 por cento. E muito e com tanta área de superfície exposta, não é surpreendente que os materiais adquiram propriedades químicas e físicas que não possuem a uma escala maior. A geometria, no entanto, não é tudo. Outra razão pela qual as propriedades mudam drasticamente à escala nanométrica tem mais a ver com a própria matéria. Em escalas maiores, os efeitos bastante fantasmas presentes no mundo quântico raramente são perceptíveis, porque são calculados em média sobre os milhões de átomos que compõem o material e como na nanoescala o número de átomos de um material é consideravelmente menor, as propriedades quânticas não se anulam, como sempre acontece em escalas maiores.

Os efeitos quânticos podem, portanto, começar a determinar o comportamento do material. Para compreender isto, considere que se dez mil pessoas estiverem a gritar obscenidades consigo, provavelmente só ouve um ruído indistinto, mas se apenas cinco ou seis pessoas estiverem a gritar as mesmas obscenidades consigo, o que ouve é suficiente fácil para o ofender. Algo semelhante acontece na nanoescala, onde um pequeno número de propriedades quânticas pode começar a ser realmente sentido. Em parte, os efeitos quânticos ocorrem como resultado das discretas faixas de energia em que os electrões dentro de um material vibram. Quando o tamanho de um material é reduzido para um tamanho próximo do tamanho destas bandas, o comportamento dos electrões muda. Estas alterações podem afectar significativamente as propriedades ópticas, mecânicas, térmicas, magnéticas e eléctricas de um material, tornando os efeitos de superfície ainda mais interessantes.

Os nanotubos de carbono que se parecem um pouco com macarrão do tamanho de um nanómetro,  conduzem muito bem o calor de uma extremidade do tubo para a outra, mas são excelentes isoladores transversais ao eixo do tubo. O grafeno não é geralmente magnético, mas pode tornar-se magnético depois de ser brevemente envolvido em certos materiais. Tanto os grafenos como os nanotubos, graças às suas dimensões nanométricas, têm também a rara propriedade óptica de serem extremamente fotoabsorventes e estão por isso entre os materiais mais negros que existem, o que é útil para a sua utilização com tecnologias laser. Os nanotubos também se aguentam muito bem, tendo uma resistência à tracção muitas vezes superior à do aço com um peso muitas vezes inferior. Esta força fenomenal torna-os completamente diferentes das formas macrométricas de carbono.

A grafite é bastante frágil, como se deve lembrar das milhares de vezes em que partiu a ponta do seu lápis como aluno. O grafeno nanométrico, por outro lado, é um material adequado para coletes à prova de bala. As propriedades formidáveis da matéria que os cientistas podem agora alcançar à escala nanométrica têm claramente um enorme potencial. Se materiais comuns e baratos como o carbono se podem tornar subitamente mais leves, fortes, flexíveis, condutores e magnéticos simplesmente por serem produzidos a uma escala diferente, isto abre novas e excitantes possibilidades para sectores inteiros como a ciência dos materiais, cuidados de saúde, tecnologia da informação, produção de energia, óptica e sensores, tecnologia militar e produção comercial  e a lista pode aumentar.

Considerando estas possibilidades, o pioneiro da nanotecnologia e prémio Nobel Richard Smalley declarou que "a lista de coisas que poderiam ser feitas com tal tecnologia parece uma lista de presentes de Natal para a nossa civilização". A nanotecnologia tem aplicações possíveis em quase todos os domínios concebidos pelo Homo faber. Uma importante subespécie do Homo faber, o Homo faber economicus, percebeu imediatamente que a novidade das propriedades emergentes da nanoescala tem um enorme potencial económico. Se os humanos pudessem revigorar a matéria mudando o seu tamanho para descobrir as suas propriedades mais raras e mais valiosas, abrir-se-ia um mundo de promessa. Dentro destas promessas, uma enorme quantia de dinheiro poderia ser ganha. Esta é uma das razões pelas quais o governo dos Estados Unidos investe agora cerca de 1,5 mil milhões de dólares por ano na Iniciativa Nacional de Nanotecnologia, um vasto projecto para promover a invenção e descoberta da nanoescala em toda a economia nacional.

 

Jorge Rodrigues Simao

 

ENGLISH

The New Shapes of Matter (I)

 

"Democracy is not just about eliminating old hierarchies, it is about building the world together."  

Jeddediah Purdy

 After Nature: A Politics for the Anthropocene After Nature.

 

Benjamin Franklin, Karl Marx, Hannah Arendt and other great historical figures have suggested that our species should be called Homo faber instead of Homo sapiens. Our inclination to build things, from pyramids to shopping malls to battery-powered electric cars means that this is one of our main activities. It can be argued that it is the essential characteristic that makes us who we are. The desire to build objects and devices seems to be written into our DNA. The fact that we cannot restrain ourselves from doing so has been the key to our spectacular success as a species, compared to all the feathered and furry fauna living on the planet. Although there are millions of artifacts that can be bought privately, in markets, stores and websites around the world, nature has always imposed limits on our building projects. Certain properties of the material world limit the objects that can be built. You can't make an oven out of a tub of water, for example, and you can't build an airplane out of a mountain of bologna sandwiches. Despite the ingenuity and skill that humans have put into creating objects, the nature of matter has always determined certain limits. No matter how much you bend, cut, mix, cool or forge it, you will not be able to get certain things out of a given material.

At least that's what it seemed like.  The advent of nanotechnology suggested a subversion of this fundamental truth. Credit for the birth of the nanotechnology industry is generally attributed to American theoretical physicist Richard Feynman, to be precise, during a memorable seminar he held at the California Institute of Technology in 1959. It is important to introduce the author of this pioneering speech. The expression "renaissance man" meaning an individual with such a range of talents that he can impart wisdom or arouse admiration by speaking on almost any subject, is probably not enough to describe Richard Feynman. He was first and foremost an eminent theoretical physicist and mathematician. But he was also an excellent bongo player, a best-selling author, a translator of Mayan texts, a part-time artist who drew under the pseudonym "Ofey" (so he imagined it was spelled "au fait," which means "by the way" in French), and a famous storyteller with a slightly mischievous sense of humor that he often displayed with excellent results. Winner of the Nobel Prize in Physics in 1965, Feynman is also remembered as a distinguished servant of the state.

As a young man, after some initial hesitation, he was part of the team that developed the nuclear bomb at Los Alamos, New Mexico, which helped end World War II. In the last years of Feynman's life, President Ronald Reagan asked him to join the commission investigating the fatal explosion of the space shuttle Challenger in 1986. At a public hearing on the disaster, in which seven astronauts died, broadcast live on television, Feynman dipped an O-ring, a circular rubber seal, into a glass of ice water to show how the temperature the night before launch could have altered the normal elastic behavior of the seals of a Challenger's fuel tank. In this simple way, Feynman gave an effective demonstration of the cause of the catastrophe to viewers in the United States. Although at the time suffering from terminal stomach cancer, Feynman very carefully examined the assumptions and preconceptions that had shaped the space shuttle program. He calculated that the chance of catastrophe on each of the missions was not one in a hundred thousand, as NASA engineers had always publicly claimed, but was closer to one in a hundred (a statistic tragically confirmed during the thirty years that the space shuttle fleet was in operation). Part of Feynman's genius lay in the fact that he was always skeptical of the mindsets of the members of the institutions, which led them to be overconfident. During his time at Los Alamos, he was so worried that the nuclear technology they were developing might fall into the wrong hands that he practiced to become a skilled thief. His superiors laughed, but shortly after the end of World War II, Feynman managed to open the vault containing all the documents needed to build the bomb, thus proving his point about institutional complacency. In theory and in practice, Feynman was able to shed light on problems that those around him were unaware of.

In 1959, in the Caltech lecture hall, Feynman discussed a much more theoretical topic than O-rings and Cold War secrets. Addressing some of the brightest physicists in the United States, Feynman presented some hypotheses about the real state of matter at the scale of atoms and molecules. At the time, everyone suspected that at that scale it was approaching certain absolute physical limits beyond which the nature of things is practically fixed. However, in the seminar entitled "There's Plenty of Space Down There," Feynman suggested that there was actually enough space within each individual piece of matter for humans to begin rearranging and manipulating the particles present with a complicated discussion of the space available on the head of a pin, enough for the twenty-four volumes of the Encyclopaedia Britannica or the amount of information in DNA.

Feynman described the atomic scale as an environment with enormous scope for manipulation. In his view, these deliberate reconfigurations would create the possibility for extraordinary things to happen. It was an area of research ready to be explored. In that historic seminar, Feynman predicted that one day humans would directly manipulate atoms and molecules, using specially designed tools to create new materials with extraordinarily useful properties. He confidently stated that once we gained control of the arrangement of atoms, we would discover "a much wider range of possible properties of substances and different things we can do." In 1959, there were still no tunnel-effect microscopes capable of "seeing" on an atomic scale. No one, therefore, could confirm Feynman's hypotheses.

Nevertheless, his predictions set scientists and engineers on a revolutionary new path to remaking the physical world. The nanotechnology revolution began by a stealth revolution. The first consumer products containing nanomaterials were put on the market in 1999. Long before the public had any idea what nanotechnology was, paint-covered car bumpers containing scratch-resistant nanomaterials, tennis racket frames that were very strong due to the inclusion of carbon nanotubes, and sunscreens with nano-sized reflective agents that repel ultraviolet rays began appearing in stores. Consumers began to buy these products and incorporate them into their daily lives, but were unaware of the extraordinary physical properties of nanomaterials. The prefix 'nano' stands for 10-9, a billion times. The many zeros suggest that a billionth of anything is a very small fraction. When it comes to meters, this fraction corresponds to a very small length. Things that are measured in nanometers are really tiny because in one centimeter there are ten million of them. A nanometer is approximately one hundred-thousandth of the thickness of a sheet of paper.

A strand of DNA in the nucleus of a human cell is already two nanometers in diameter. If you could reduce the diameter of a ball to one nanometer, and everything else in proportion, an average adult could climb over the Earth in a single step (provided, of course, that they kept their size). If you want another reference to the human body, fingernails grow at about one nanometer per second. No matter how hard you look, you will never be able to see them grow. In contrast, the unkempt beard of Ryan Gosling or any other movie star grows five nanometers per second (and many people are certainly still staring at it). The amazing nature of the nanoscopic world does not end there. A water molecule measures less than half a nanometer. A gold atom is even smaller (about a quarter of a nanometer in diameter). A normal bacterium, on the other hand, is 2500 nanometers, while basketball player LeBron James is 2.03 billion nanometers tall. An important point is that when an object exceeds one hundred nanometers, we tend to consider it as no longer being on the nanometer scale. Beyond this threshold, it becomes a macrometric object. This means that neither bacteria nor LeBron James are nanoscopic. On the other hand, if a material has at least one nanometer dimension, it is considered a nanomaterial. Graphene, for example, is a lattice of carbon that is never thicker than an atom.

A sheet of graphene with the diameter of a plate is considered nanoscopic because the graphene "plate" measures no more than one nanometer in vertical dimension. All these examples point in the same direction. A nanometer is very small, and nanoscience is the study of the properties of matter at this very small scale. Although the study of the nanoscale is a relatively new area of scientific research, a number of floating nanoscopic objects have been present on Earth since long before Homo faber started making things. Various nanoscale entities are scattered on the ground, in the waters of the oceans, and in the atmosphere. Some of the most fascinating natural phenomena such as the glow of a butterfly's wings, the stickiness of a gecko's legs, or the sliding surface of the leaves of the carnivorous plant Nepenthes depend on nanoscale biological structures in these organisms. Some extraordinary carbon nanostructures such as graphene’s and fullerenes that are basically coiled graphene occur naturally not only on Earth but also in space.

There are also nanomaterials created unintentionally by humans. The stained glass of past centuries owes some of its beauty to the presence of gold and silver nanoparticles, although the craftsmen who worked the glass had no idea of using the nanoscale. Damascus swords more than a thousand years old have been found whose blades contain individual carbon fullerenes. The quality of the aroma of a cup of coffee or the unpleasant smell of a pile of garbage depends on the properties present in the nanoscale. Despite the sporadic presence of some nanoscale materials in the natural environment (and their unintentional and rare production by man over the centuries), in nature the vast majority of materials and elements are thousands of times larger.

The reason why the nanoscale became so interesting to scientists after Feynman has a lot to do with the reason for the rarity of nanomaterials. At the nanoscale, materials tend to be highly reactive and show promising instability. This means that, left to their own devices in nature, they generally react quickly with neighboring substances to become something larger and more inert. Nanotechnology has become one of the most interesting areas of science and engineering precisely because researchers have figured out how to create materials so that they can exploit this intense reactivity at the nanoscale before they have a chance to react and become more boring and stable; with intentionally manufactured nanomaterials, the ordinary quickly becomes extraordinary.

At nanoscale sizes, flour can explode when exposed to a flame, gold can change color to red and have a much lower melting temperature, and carbon, unlike other forms of the element, becomes an excellent conductor of electricity. Nano powders glow in strange but controllable ways when illuminated. The strength of materials can be increased by many orders of magnitude by reducing their surfaces to nano dimensions, and nano substances can be used to catalyze strong chemical reactions. In the strange world of nano-dimensions, super magnetic properties can suddenly appear, and the direction of the magnetic field can change randomly due to temperature. In many domains, the action of reducing materials creates a completely new and exciting reality. Underlying this magic are some elementary physical truths that clarify everything and are not only understandable to a laboratory researcher with a master's degree in theoretical physics.

The strong reactivity and unusual properties of a nanomaterial are largely a matter of elementary geometry. If we take a sphere and reduce its size, the ratio between its surface area and its volume increases. This means that in a small piece of material, the inner part is smaller than the surface. Thus, a small marble has a larger surface-to-volume ratio than a large marble, and in a tiny marble this ratio is even larger. The effect of a large surface-to-volume ratio is that a much larger percentage of the material is on the surface and exposed to the outside world. Chemical reactions between substances occur at the surface, so with all that surface exposed, a greater percentage of the material in question is available to take part in the reactions.

These reactions make many interesting things possible. As the size of materials decreases toward the nanoscale, the surface-to-volume ratio starts to become incredibly large. For example, a particle with a diameter of ten nanometers has 20 percent of its atoms on the surface. If the diameter measures three nanometers, the percentage of atoms on the surface is 50 percent. And a lot, and with so much surface area exposed, it is not surprising that materials acquire chemical and physical properties that they do not possess at a larger scale. Geometry, however, is not everything. Another reason why properties change dramatically at the nanoscale has more to do with the matter itself. At larger scales, the rather phantom effects present in the quantum world are rarely noticeable, because they are averaged over the millions of atoms that make up the material, and since at the nanoscale the number of atoms in a material is considerably smaller, the quantum properties do not cancel out, as they always do at larger scales.

Quantum effects can therefore begin to determine the behavior of the material. To understand this, consider that if ten thousand people are shouting obscenities at you, you probably only hear an indistinct noise, but if only five or six people are shouting the same obscenities at you, what you hear is easy enough to offend you. Something similar happens at the nanoscale, where a small number of quantum properties can actually start to be felt. In part, quantum effects occur as a result of the discrete energy bands in which electrons within a material vibrate. When the size of a material is reduced to near the size of these bands, the behavior of the electrons changes. These changes can significantly affect the optical, mechanical, thermal, magnetic and electrical properties of a material, making surface effects even more interesting.

Carbon nanotubes that look a bit like nanometer-sized noodles conduct heat very well from one end of the tube to the other, but are excellent insulators transverse to the tube axis. Graphene is generally not magnetic, but can become magnetic after being briefly wrapped in certain materials. Both graphene and nanotubes, thanks to their nanometer dimensions, also have the rare optical property of being extremely photo absorbent and are therefore among the blackest materials available, which is useful for their use with laser technologies. Nanotubes also hold up very well, having tensile strength many times that of steel at a weight many times less. This phenomenal strength makes them completely different from macro metric forms of carbon.

Graphite is quite brittle, as you may recall from the thousands of times you broke the tip of your pencil as a student. Nanoscale graphene, on the other hand, is a material suitable for bulletproof vests. The formidable properties of matter that scientists can now achieve at the nanometer scale clearly have enormous potential. If ordinary, cheap materials like carbon can suddenly become lighter, stronger, more flexible, conductive and magnetic simply by being produced at a different scale, this opens up exciting new possibilities for whole sectors like materials science, healthcare, information technology, energy production, optics and sensors, military technology and commercial production, and the list could grow.

Considering these possibilities, nanotechnology pioneer and Nobel laureate Richard Smalley declared that "the list of things that could be done with such technology reads like a list of Christmas presents for our civilization." Nanotechnology has possible applications in almost every field designed by Homo faber. An important subspecies of Homo faber, Homo faber economicus, immediately realized that the novelty of the emerging properties of the nanoscale has enormous economic potential. If humans could invigorate matter by changing its size to discover its rarer and more valuable properties, a world of promise would open up. Within these promises, an enormous amount of money could be earned. This is one reason why the United States government now invests about $1.5 billion a year in the National Nanotechnology Initiative, a vast project to promote nanoscale invention and discovery throughout the national economy.

 

Jorge Rodrigues Simao

CHINESE

质的新形式 (I)

 

"民主不仅仅是消除旧的等级制度而是要共同建设世界。"  

Jeddediah Purdy

 After Nature: A Politics for the Anthropocene After Nature.

 

本杰明-兰克林、卡尔-马克思、汉娜-伦特和其他伟大的历史人物都建议,我们这个物种应该被称为Homo faber而不是Homo sapiens。我们倾向于建造东西,从金字塔到购物中心再到电池供电的电动汽车,这意味着这是我们的主要活动之一。可以说,它是使我们成为我们自己的基本特征。建造物体和设备的愿望似乎已经写进了我们的DNA。与生活在地球上的所有有羽毛和毛茸茸的动物相比,我们不能克制自己这样做的事实一直是我们作为一个物种取得惊人成功的关键。

虽然有数以百万计的文物可以在世界各地的市场、商店和网站上私下购买,但大自然总是对我们的建筑项目施加限制。物质世界的某些属性限制了可以建造的物体。例如,你不能用一盆水做一个烤箱,你也不能用一堆腊肠三明治造一架飞机。尽管人类在创造物体时投入了大量的智慧和技能,但物质的性质总是决定了某些限制。无论你如何弯曲、切割、混合、冷却或锻造,你都无法从特定的材料中得到某些东西。至少看起来是这样的。

纳米技术的出现表明对这一基本真理的颠覆。纳米技术领域的诞生一般归功于美国理论物理学家理查德-费曼,准确地说,是在1959年他在加州理工学院举行的一次难忘的研讨会上。有必要介绍一下那篇开创性演讲的作者。"艺复兴者 "说法,意思是指一个人具有如此广泛的才能,他可以通过对几乎任何主题的演讲来传授智慧或引起人们的钦佩,这可能不足以描述理查德-费曼。他首先是一位杰出的理论物理学家和数学家。

但他也是一位出色的邦戈舞者,一位畅销书作家,一位玛雅文字的翻译者,一位兼职艺术家,以 "Ofey"(所以他想象它的拼写是 "au fait",在法语中是 "顺便 "的意思)为笔名作画,还是一位著名的讲故事者,他经常展示出一种略带调皮的幽默感,效果极佳。1965诺贝尔物理学奖得主,费曼也作为一位杰出的国家公务员而被铭记。作为一个年轻人,在最初的一些犹豫之后,他成为在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯开发核弹的团队的一员,这有助于结束第二次世界大战。在费曼生命的最后几年,罗纳德-里根总统请他加入调查1986年挑战者号航天飞机致命爆炸事件的委员会。

电视直播的关于这场灾难的公开听证会上,有7名宇航员死亡,费曼将一个O环(一种圆形橡胶密封圈)浸入一杯冰水中,以显示发射前夜的温度如何改变了挑战者号燃料箱密封圈的正常弹性行为。尽管当时患有晚期胃癌,费曼还是非常仔细地研究了塑造航天飞机计划的假设和先入为主的观念。他计算出,在每次任务中发生灾难的几率不是十万分之一,就像美国宇航局的工程师一直公开宣称的那样,而是接近一百分之一(这一统计数字在航天飞机队运行的30年中不幸得到了证实)。

费曼的部分天才在于,他总是对机构成员的心态持怀疑态度,这导致他们过于自信。在洛斯阿拉莫斯工作期间,他非常担心他们正在开发的核技术会落入坏人手中,因此他练习成为一名熟练的小偷。他的上司嘲笑他,但在二战结束后不久,费曼设法打开了装有制造炸弹所需的所有文件的保险库,从而证明了他关于机构自满的观点。在理论和实践中,费曼能够阐明他周围的人没有意识到的问题。

1959年,在加州理工学院的演讲厅里,费曼讨论了一个比O环和冷战秘密更理论化的话题。在对美国一些最聪明的物理学家讲话时,费曼提出了一些关于原子和分子尺度上物质的真实状态的假设。当时,每个人都怀疑,在那个尺度上,它正在接近某些绝对的物理极限,超过这个极限,事物的性质实际上就固定了。然而,在题为 "下面有足够的空间 "的研讨会上,费曼提出,在每个单独的物质内部实际上有足够的空间,人类可以开始重新安排和操纵存在的粒子,对针头上的空间进行了复杂的讨论,足以容纳二十四卷《大英百科全书》或DNA中的信息量。

费曼将原子尺度描述为一个具有巨大操纵空间的环境。在他看来,这些有意的重新配置将为非同寻常的事情的发生创造可能性。这是一个随时可以探索的研究领域。在那次具有里程碑意义的讨会上,费曼预言,有一天人类将直接操纵原子和分子,使用专门设计的工具来创造具有特别有用的特性的新材料。他自信地表示,一旦我们获得了对原子排列的控制,我们就会发现 "质的可能属性和我们能做的不同事情的更大范围"。在1959年,仍然没有能够在原子尺度上 "看到 "的隧道效应显微镜。因此,没有人能够证实费曼的假设。然而,他的预言使科学家和工程师们走上了一条重塑物理世界的革命性新道路。

纳米技术革命是由一场隐形的革命开始的。第一批含有纳米材料的消费产品于1999年投放市场。早在公众还不知道什么是纳米技术的时候,含有耐刮擦纳米材料的油漆覆盖的汽车保险杠、由于含有碳纳米管而非常坚固的网球拍框、以及含有纳米大小的反射剂以排斥紫外线的防晒霜就开始出现在商店里。消费者开始购买这些产品,并将其纳入他们的日常生活中,但却不知道纳米材料的非凡物理特性。前缀 "纳米 "代表10-9,即10亿倍。许多零表明,任何事物的十亿分之一都是一个非常小的分数。当涉及到米时,这个分数对应的是一个非常小的长度。

纳米为单位的东西真的很微小,因为在一厘米内有1000万个。一纳米大约是一张纸的十万分之一的厚度。人体细胞核中的一条DNA链的直径已经达到了两纳米。如果你能把球的直径减少到一纳米,其他一切都成比例,一个普通的成年人就可以一步一步地爬过地球(当然,前提是他们要保持自己的体型)。如果你想再参考一下人体的情况,指甲的生长速度大约为每秒一纳米。无论你如何努力寻找,你将永远无法看到他们的成长。相比之下,瑞恩-高斯林或任何其他电影明星的蓬松胡须以每秒5纳米的速度增长(而且很多人肯定还在盯着它)。

纳米世界的令人惊讶的性质并没有就此结束。一个水分子的尺寸不到半纳米。一个金原子甚至更小(直径约为四分之一个纳米)。另一方面,一个正常的细菌是2500纳米,而篮球运动员勒布朗-詹姆斯的身高是20.3亿纳米。重要的一点是,当一个物体超过一百纳米时,我们往往认为它不再是纳米级的。超过这个阈值,它就变成了一个大尺寸的物体。这意味着,细菌和勒布朗-詹姆斯都不是纳米级的。另一方面,如果一种材料至少有一个纳米尺寸,它就被认为是一种纳米材料。例如,石墨烯是一个碳晶格,其厚度绝不超过一个原子。一片直径为板的石墨烯被认为是纳米级的,因为石墨烯 " "的垂直尺寸不超过一纳米。

所有这些例子都指向同一个方向。一个纳米是非常小的,纳米科学是在这个非常小的尺度上研究物质的特性。尽管对纳米尺度的研究是一个相对较新的科学研究领域,但早在智人开始制造东西之前,一些漂浮的纳米物体就已经出现在地球上。各种纳米级实体散布在地面、海洋水域和大气中。一些最迷人的自然现象,如蝴蝶翅膀的光芒,壁虎腿的粘性,或食肉植物Nepenthes的叶子的滑行表面,都取决于这些生物体中的纳米级生物结构。一些非同寻常的碳纳米结构,如石墨烯和富勒烯,基本上是盘绕的石墨烯,不仅在地球上,而且在太空中也自然出现。

还有一些纳米材料是由人类无意中创造的。过去几个世纪的彩色玻璃在一定程度上归功于金和银纳米颗粒的存在,尽管加工玻璃的工匠们不知道使用纳米尺度。已发现有一千多年历史的大马士革剑,其剑身含有单独的碳富勒烯。一杯咖啡的香气或一堆垃圾的难闻气味的质量取决于存在于纳米级的特性。尽管在自然环境中零星存在一些纳米级的材料(几个世纪以来,人类无意地、罕见地生产了这些材料),但在自然界中,绝大多数材料和元素都要大几千倍。

费曼之后,纳米尺度变得对科学家如此有趣,其原因与纳米材料如此罕见有很大关系。在纳米尺度上,材料往往是高度反应性的,并显示出有希望的不稳定性。这意味着,在自然界中,如果任其自生自灭,它们通常会迅速与邻近的物质发生反应,成为更大、更惰性的东西。纳米技术已经成为科学和工程领域最有趣的领域之一,正是因为研究人员已经想出了如何创造材料,以便在纳米尺度上利用这种强烈的反应性,然后才有机会发生反应,变得更加枯燥和稳定;有了有意制造的纳米材料,平凡的东西很快就变得不平凡。

纳米尺寸下,面粉在暴露于火焰时可以爆炸,黄金可以变成红色,并具有更低的熔化温度,而碳,与其他形式的元素不同,成为一个优秀的电导体。纳米粉末在被照亮时以奇怪但可控制的方式发光。通过将材料的表面缩小到纳米尺寸,材料的强度可以提高许多数量级,纳米物质可以用来催化强化学反应。在奇怪的纳米维度世界中,超磁性能会突然出现,磁场的方向会因温度而随机改变。在许多领域,还原材料的作用创造了一个全新的、令人兴奋的现实。在这种魔力的背后是一些基本的物理真理,它们阐明了一切,不仅是拥有理论物理学硕士学位的实验室研究人员可以理解的。

纳米材料的强反应性和不寻常的特性主要是基本的几何问题。如果你把一个球体缩小,它的表面积和体积之间的比率就会增加。这意味着,在一小块材料中,内部比表面小。因此,一个小的大理石比一个大的大理石有更大的表面与体积之比,而在一个小的大理石中,这个比例甚至更大。大的表面与体积比的效果是,更大比例的材料在表面上,暴露在外部世界。物质之间的化学反应是在表面进行的,所以随着所有的表面暴露出来,有问题的材料有更大的比例可以参与反应。

这些反应使许多有趣的事情成为可能。随着材料的尺寸向纳米级缩小,表面与体积的比率开始变得难以置信地大。例如,一个直径为10纳米的粒子,其20%的原子在表面。如果直径3纳米,则表面的原子百分比为50%这么多,而且有这么多的表面积暴露出来,材料获得它们在更大范围内不具备的化学和物理特性就不奇怪了。然而,几何学并不是一切。另一个原因是,特性在纳米尺度上发生了巨大的变化,这与物质本身有更大的关系。在更大的尺度上,量子世界中存在的相当幽微的效应很少被注意到,因为它们是构成材料的数百万个原子的平均值,由于在纳米尺度上,材料中的原子数量要小得多,量子特性不会被抵消,就像它们在更大的尺度上总是这样。

因此,量子效应可以开始决定材料的行为。为了理解这一点,请考虑一下,如果有一万个人对你喊脏话,你可能只听到一种模糊不清的声音,但如果只有五六个人对你喊同样的脏话,你听到的东西就很容易冒犯你了。类似的事情发生在纳米级,在那里,少量的量子特性实际上可以开始被感觉到。在某种程度上,量子效应的发生是材料内电子振动的离散能带的结果。当一个材料的尺寸缩小到接近这些带子的尺寸时,电子的行为就会发生变化。这些变化可以显著影响材料的光学、机械、热、磁和电性能,使表面效应变得更加有趣。

纳米管,看起来有点像纳米大小的面条,从管子的一端到另一端非常好地导热,但在横跨管子轴线时是极好的绝缘体。石墨烯一般不具有磁性,但在被某些材料短暂包裹后可以变得具有磁性。石墨烯和纳米管,由于其纳米级的尺寸,还具有罕见的光学特性,即极度吸光,因此是现有的最黑的材料之一,这对它们与激光技术的使用很有用。纳米管也能很好地保持,其抗拉强度是钢的许多倍,而重量却要小许多倍。这种惊人的强度使它们与碳的宏观形式完全不同。

石墨是很脆的,你可能还记得你在学生时代成千上万次折断铅笔尖的经历。另一方面,纳米级石墨烯是一种适合用于防弹衣的材料。科学家们现在可以在纳米尺度上实现的物质的可怕特性显然具有巨大的潜力。如果像碳这样的普通廉价材料仅仅通过不同规模的生产就能突然变得更轻、更强、更灵活、更具导电性和磁性,这就为整个行业开辟了令人兴奋的新的可能性,如材料科学、医疗保健、信息技术、能源生产、光学传感器、军事技术和商业生产,而且这个名单可能会越来越长。

虑到这些可能性,纳米技术先驱和诺贝尔奖获得者理查德-马利宣称,"这种技术可以做的事情清单就像给我们文明的圣诞礼物清单"纳米技术在智人所设想的几乎所有领域都有可能应用。智人的一个重要亚种--经济智人(Homo faber economicus)立即意识到,纳米级的新出现的特性具有巨大的经济潜力。如果人类能够通过改变物质的大小来发现其更稀有和更有价值的特性,就会打开一个充满希望的世界。在这些承诺中,可以赚取大量的钱。这就是为什么美国政府现在每年向国家纳米技术计划投资约15亿美元的原因之一,该计划是一个庞大的项目,旨在促进整个国民经济的纳米级发明和发现。

 

Jorge Rodrigues Simao

Share

Pesquisar

Traduzir

ar bg ca zh-chs zh-cht cs da nl en et fi fr de el ht he hi hu id it ja ko lv lt no pl pt ro ru sk sl es sv th

Azulejos de Coimbra

painesi.jpg