NEMS - Sistemas NanoEletromecânicos | Uma visão geral simples

NEMS (abreviação de Sistema NanoEletroMecânico) são dispositivos que integram a funcionalidade elétrica e mecânica em nanoescala, ou seja, em ou abaixo de 100 nanômetros.

Eles são o nível avançado de miniaturização após MEMS (MicroElectroMechanical System) que geralmente lida com componentes entre 1 e 100 nanômetros de tamanho.

O NEMS possui vários atributos fascinantes. Ele pode fornecer acesso a frequências fundamentais na faixa de microondas, sensibilidades de força no nível attonewton, capacidades de calor muito abaixo de uma yoctocaloria, massas ativas na faixa de femtograma, sensibilidade de massa nos níveis de moléculas individuais - a lista continua.

O NEMS contém principalmente aparelhos como atuadores, sensores, ressonadores, feixes, sensores e motores. Esses componentes transformam uma forma de energia em outra, que pode então ser facilmente medida e utilizada.

Exemplos iniciais de NEMS

O primeiro NEMS foi construído por Dawon Kahng e Mohamed M. Atalla no Bell Labs em 1960. Era um MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico) com uma espessura de óxido de porta de 100 nm.

Dois anos depois, eles fabricaram com sucesso um transistor de junção semicondutor de metal à base de nanocamada que continha filmes de ouro com espessura de 10 nm. No entanto, o primeiro MOSFET com óxido de porta de 10 nm não veio até 1987.

Uma ilustração de um MOSFET, mostrando os terminais do corpo (B), fonte (S), porta (G) e dreno (D).

A invenção dos MOSFETs de múltiplas portas em 1989 permitiu que várias empresas, incluindo Intel, IBM, AMD e Samsung Electronics, criassem microprocessadores e células de memória cada vez menores.

O processo VLSI (integração em escala muito grande) tornou possível combinar milhões de transistores MOS em um único chip. Esses circuitos integrados foram amplamente adotados na década de 1970, permitindo o desenvolvimento de semicondutores complexos e de técnicas de comunicação.

CPU, GPU, RAM, ROM e outra lógica de colagem são todos dispositivos VLSI. Antes da invenção do processo VLSI, a maioria dos circuitos integrados só podia realizar um número limitado de tarefas.

microprocessador 80486 (da década de 1990) com mais de um milhão de transistores

O MOSFET é agora considerado o bloco de construção básico da eletrônica moderna. Ele tem sido o principal responsável pelo aumento da densidade do transistor, melhorando o desempenho e reduzindo o consumo de energia dos circuitos integrados desde 1960.

O MOSFET também é um dos dispositivos mais fabricados da história. Em 2018, cerca de 13 sextilhões (ou 13 mil trilhões) de MOSFETs foram fabricados.

Como os dispositivos NEMS são fabricados?

O NEMS pode ser fabricado usando duas abordagens complementares:

Abordagem de cima para baixo: Ele usa técnicas convencionais de microfabricação, como litografia de feixe de elétrons ou óptico e tratamentos térmicos, para construir dispositivos. Embora proporcione maior controle sobre as estruturas resultantes, é limitado pela resolução da técnica que está sendo utilizada.

Nesta abordagem, os materiais de partida são estruturas relativamente grandes, como cristais de silício. Geralmente, camadas de semicondutores gravadas ou filmes finos metálicos são usados ​​para fabricar dispositivos NEMS, como nanobastões, nanofios e nanoestruturas padronizadas.

Em alguns casos, materiais grandes são triturados na escala nanométrica para aumentar a razão entre a área de superfície e o volume, o que, em última análise, aumenta a reatividade dos nanomateriais. O processo de fabricação de nanotubos de carbono usando grafite em um forno a arco é um exemplo perfeito de abordagem de cima para baixo.

Abordagem ascendente: Ele usa as características químicas das moléculas para organizá-las ou montá-las na conformação desejada. Essas abordagens baseiam-se nos conceitos de reconhecimento molecular (interação específica entre duas ou mais moléculas) ou automontagem molecular (sem direção externa).

Embora forneça controle limitado sobre o processo de fabricação, é possível construir estruturas muito menores sem desperdiçar muito material em comparação com as abordagens de cima para baixo.

A abordagem ascendente também pode ser encontrada na natureza. Por exemplo, os sistemas biológicos exploram as forças químicas para produzir as estruturas celulares necessárias para a vida. Os pesquisadores tentam imitar esse comportamento da natureza para criar aglomerados de certos átomos que podem se automontar em algumas estruturas úteis.

Um bom exemplo de tais abordagens é a fabricação de nanotubos de carbono usando uma técnica de polimerização catalisada por metal.

Materiais usados ​​para fazer NEMS

1 Polidimetilsiloxano



O polidimetilsiloxano é o polímero orgânico à base de silício mais utilizado. Este elastômero de silicone é conhecido por suas propriedades exclusivas. É termicamente estável, quimicamente inerte, mecanicamente configurável, opticamente transparente e, em geral, não tóxico, inerte e não inflamável.

Uma vez que pode formar uma vedação estanque com silício, pode ser integrado ao NEMS, configurando as características elétricas e mecânicas. As forças adesivas do polidimetilsiloxano funcionam melhor em ambientes úmidos variados e possuem um coeficiente de atrito menor em comparação com o silício.

O baixo coeficiente de atrito e a hidrofobicidade do polidimetilsiloxano tornam-no um material perfeito para ser incorporado na pesquisa do NEMS. Ele também está ganhando atenção na tecnologia NEMS devido à sua fabricação econômica e rápida.

Estudos mostram que a taxa de degradação do polidimetilsiloxano na luz, calor e radiação pode ser reduzida com embalagem apropriada e boa estabilidade ao envelhecimento.

2. Materiais à base de carbono

Uma foto de microscopia de tunelamento de um nanotubo de carbono de parede única | Crédito:NIST

Alótropos de carbono, especificamente grafeno e nanotubo de carbono, são amplamente usados ​​na tecnologia NEMS. Suas características atendem diretamente aos requisitos do NEMS. Por exemplo, o semicondutor e as condutividades metálicas dos alótropos de carbono permitem que eles operem como transistores.

Além das vantagens mecânicas dos alótropos de carbono, as propriedades elétricas do grafeno e dos nanotubos de carbono permitem que eles sejam usados ​​em diversos componentes do NEMS. A força física do grafeno e dos nanotubos de carbono atendem às demandas de maior estresse. Assim, eles são usados ​​principalmente no desenvolvimento tecnológico da NEMS.

Enquanto o grafeno NEMS pode operar como sensores de massa e força, os nanotubos de carbono NEMS têm sido amplamente utilizados em nanomotores (que geram forças da ordem de piconewtons), interruptores e osciladores de alta frequência.

3. Máquinas biológicas

Ilustração de nanorrobôs que lutam contra o câncer

As máquinas biológicas, como a miosina (controla a contração muscular), são as máquinas macromoleculares mais complexas encontradas dentro das células, geralmente na forma de complexos multiproteicos.

Alguns deles são responsáveis ​​pela produção de energia e alguns pela expressão gênica. Eles podem desempenhar um papel crucial na nanomedicina. Por exemplo, eles podem ser usados ​​para detectar e destruir células tumorais.

A nanotecnologia molecular é um campo emergente da nanotecnologia que explora a possibilidade de engenharia de máquinas biológicas, que poderiam reorganizar a matéria em escala atômica. BioNEMS inclui elementos estruturais biológicos e sintéticos (de tamanho em nanoescala) para aplicações biomédicas / robóticas. Os nanorrobôs, por exemplo, podem ser injetados no corpo para identificar e reparar infecções.

Enquanto os elementos propostos do BioNEMS, como nanorrobôs e montadores moleculares, estão muito além das capacidades atuais, vários estudos produziram resultados promissores para aplicações futuras.

Leia:Nanorrobôs de DNA programados podem reduzir o tumor

Aplicativos

O NEMS atua como uma tecnologia capacitadora, mesclando ciências biológicas com engenharia de maneiras que atualmente não são viáveis ​​com técnicas em microescala. Isso terá um impacto significativo em vários setores:

Indústria de Semicondutores: O dispositivo semicondutor mais amplamente usado é o MOSFET. É responsável por 99,9% de todos os transistores. Considerando o comprimento de porta dos transistores em dispositivos CPU ou DRAM, a escala crítica de comprimento dos circuitos integrados já está abaixo de 50 nanômetros. MOSFETs de silício recentes são baseados em transistores de efeito de campo de aletas que utilizam processos de 10 nm e 7 nm.

Automotivo: Nanomateriais, como nanofolhas, nanofibras, nanotubos, nanofios e nanobastões, oferecem diversos benefícios no setor automotivo. Por exemplo, nanoaditivos podem melhorar significativamente a vida útil dos pneus, bem como a resistência à abrasão, resistência ao rolamento e tração em piso molhado. O NEMS também é a chave para melhorar o desempenho da célula de combustível das futuras gerações de carros movidos a hidrogênio.

Comunicação: Devido às propriedades mecânicas exclusivas (que permitem frequências de alta ressonância e sintonização de alta frequência), os ressonadores NEMS, incluindo ressonadores de grafeno, fornecem uma base promissora para futuros sistemas de comunicação ultrarrápidos. No entanto, a maioria dos desenvolvimentos neste campo está atualmente confinada a modelos teóricos, simulações e experimentos de laboratório.

Eletrodo de grafeno para ressonadores piezoelétricos NEMS | Crédito da imagem:Northeastern University

Setor Médico: Os sensores NEMS detectam e monitoram os dados dos pacientes, como nível de água, nível de glicose e presença de várias proteínas e íons. Esses sensores podem ser configurados para identificar proteínas específicas que variam de albumina humana a beta-2-microglobulinas. Além de monitorar, eles podem separar células de diferentes tamanhos, evitando o entupimento em um sistema microfluídico.

Armazenamento e produção de energia: A nanotecnologia é uma grande promessa para aumentar a vida útil e o desempenho das baterias de íon-lítio. Ele também tem o potencial de aumentar a densidade de energia, encurtar o tempo de recarga, bem como reduzir o peso e o tamanho, melhorando a estabilidade e a segurança das baterias.

Além disso, pesquisas estão em andamento para usar dispositivos eletroquímicos em nanoescala, como células galvânicas ou de combustível, para produzir energia. Eles são bio-nano geradores que retiram energia da glicose do sangue em um corpo vivo (da mesma forma que o corpo gera energia dos alimentos).

Há também pesquisas em diversos materiais nanoestruturados, especialmente nanofios, com o objetivo de desenvolver células solares mais eficientes e econômicas do que as células solares planas tradicionais de silício.

Mercado global e futuro

O mercado atual para dispositivos NEMS está em sua infância. É segmentado em nanotweezers, nanorressonadores, giroscópios, nanosensores, nanorrobôs, nanotweezers e outros componentes minúsculos.

Espera-se um crescimento robusto nos próximos anos, o que é atribuído aos benefícios do NEMS, como sua alta frequência de ressonância, baixo consumo de energia, múltiplas frequências em um único chip e tamanho e redução de custo dos circuitos integrados.

Leia:O que é MEMS (Sistema MicroEletromecânico)? Tipos e aplicação

Pesquisa e desenvolvimento na área de nanomateriais e nanotecnologia estão em andamento. De acordo com relatórios, o mercado global de NEMS deve crescer a um CAGR de 29%. Chegará a US $ 108,88 milhões em 2022, com a América do Norte liderando o mercado.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre MEMS e NEMS?

MEMS (sistemas microeletromecânicos) são formados por componentes cujo tamanho varia de 1 μm a 100 μm. Dispositivos MEMS geralmente contêm uma unidade de processamento central (como um microprocessador) e vários componentes que interagem com os arredores (como microssensores).

Os NEMS (sistemas nanoeletromecânicos), por outro lado, são a próxima etapa de miniaturização lógica dos MEMS. Esses dispositivos integram funcionalidade mecânica e elétrica em nanoescala, estritamente entre 1 e 100 nm.

Quais são as principais vantagens do NEMS?

Os NEMS têm propriedades únicas e interessantes, que se desviam muito de seus MEMS predecessores. Por exemplo, eles podem ter

• Frequências fundamentais na faixa de microondas (cerca de ∼100 GHz)
• Massa ativa na faixa do femtograma (10 ⁻¹⁵ g)
• Sensibilidade de massa até níveis de attograma (10 ⁻¹⁸ g)
• Sensibilidade de força no nível attonewton (10 ^-18 Newton)
• Capacidades de calor muito abaixo de yoctocaloria (4.184 x 10 ⁺²⁴ J)
• Consumo de energia na ordem de 10 attowatts (10 ⁻¹⁸ watts)
• Baixa dissipação de energia
• Nível de integração extremamente alto, aproximando-se de 1.012 elementos por centímetro quadrado

Leia:14 usos não familiares da nanotecnologia | Benefícios e aplicativos

De que são feitos os nanossensores?

Os nanossensores são feitos de nanomateriais unidimensionais, como nanotubos e nanofios.

Esses minúsculos dispositivos medem características físicas como volume, concentração, temperatura, pressão ou forças elétricas e magnéticas. As leituras de nanosensores mais comuns incluem mecânica, vibracional, óptica ou eletromagnética.