NEMS: Sistemas NanoEletroMecânicos Explicados – Principais Características e Aplicações

NEMS (abreviação de NanoElectroMechanical System) são dispositivos que integram funcionalidade elétrica e mecânica na nanoescala, ou seja, em 100 nanômetros ou abaixo.

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

NEMS tem vários atributos fascinantes. Pode fornecer acesso a frequências fundamentais na faixa de micro-ondas, sensibilidades de força no nível de attonewton, capacidades de calor muito abaixo de um yoctocalorie, massas ativas na faixa de femtograma, sensibilidade de massa nos níveis de moléculas individuais — a lista continua.

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 nos Bell Labs em 1960. Era um MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor) com espessura de óxido de porta de 100 nm.

Dois anos depois, eles fabricaram com sucesso um transistor de junção metal-semicondutor com base em 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.

Ilustração de um MOSFET, mostrando corpo (B), fonte (S), porta (G) e dreno (D).

A invenção de MOSFETs multi-porta 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 muito grande escala) tornou possível combinar milhões de transistores MOS em um único chip. Esses circuitos integrados foram amplamente adotados nos anos 1970, permitindo que semicondutores complexos e técnicas de comunicação fossem desenvolvidos.

CPU, GPU, RAM, ROM e outra lógica de cola 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 (dos anos 1990) com mais de um milhão de transistores

MOSFET é agora considerado o bloco de construção básico da eletrônica moderna. Foi majoritariamente responsável por aumentar a densidade de transistores, melhorar desempenho e reduzir consumo de energia de circuitos integrados desde os anos 1960.

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 Dispositivos NEMS São Fabricados?

NEMS podem ser fabricados usando duas abordagens complementares:

Abordagem Top-down (Descendente):

Usa técnicas convencionais de microfabricação, como litografia de feixe de elétrons ou óptico e tratamentos térmicos, para construir dispositivos. Embora forneça maior controle sobre as estruturas resultantes, é limitada pela resolução da técnica sendo usada.

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

Em alguns casos, materiais grandes são triturados à escala nanométrica para aumentar a proporção de área de superfície para volume, o que finalmente aumenta a reatividade de nanomateriais. O processo de fabricação de nanotubos de carbono usando grafite em forno a arco é um exemplo perfeito da abordagem top-down.

Abordagem Bottom-up (Ascendente):

Usa as características químicas das moléculas para organizá-las ou montá-las na conformação desejada. Essas abordagens dependem dos conceitos de reconhecimento molecular (interação específica entre duas ou mais moléculas) ou auto-montagem molecular (sem direção externa).

Embora forneça controle limitado sobre o processo de fabricação, pode-se construir estruturas muito menores sem desperdiçar muito material comparado às abordagens top-down.

A abordagem bottom-up também pode ser encontrada na natureza. Por exemplo, sistemas biológicos exploram forças químicas para produzir estruturas celulares necessárias para a vida. Pesquisadores tentam imitar esse comportamento da natureza para criar clusters de certos átomos que podem se auto-montar em algumas estruturas úteis.

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

Materiais Usados para Fabricar NEMS

1. Polidimetilsiloxano

Polidimetilsiloxano é o polímero orgânico à base de silício mais usado. Este elastômero de silicone é conhecido por suas propriedades únicas. É termicamente estável, quimicamente inerte, mecanicamente configurável, opticamente claro e, em geral, não tóxico, inerte e não inflamável.

Como pode formar uma vedação apertada com silício, pode ser integrado em NEMS, configurando tanto características elétricas quanto mecânicas. As forças adesivas do polidimetilsiloxano funcionam melhor sob ambientes de umidade variável e possuem coeficiente de atrito menor comparado ao silício.

O baixo coeficiente de atrito e hidrofobicidade do polidimetilsiloxano o tornam um material perfeito para ser incorporado na pesquisa de NEMS. Também está ganhando atenção na tecnologia NEMS devido à sua fabricação eficiente em tempo e barata.

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

2. Materiais Baseados em Carbono

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

Alotropes de carbono, especificamente grafeno e nanotubo de carbono, são amplamente usados em tecnologia NEMS. Suas características atendem diretamente aos requisitos de NEMS. Por exemplo, as condutividades semicondutoras e metálicas dos alotropes de carbono permitem que operem como transistores.

Além das vantagens mecânicas dos alotropes de carbono, as propriedades elétricas do grafeno e nanotubos de carbono permitem que sejam usados em vários componentes de NEMS. A resistência física do grafeno e nanotubos de carbono atendem a demandas de estresse mais altas. Assim, são majoritariamente usados no desenvolvimento tecnológico de NEMS.

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

3. Máquinas Biológicas

Ilustração de nanorrobôs combatendo câncer

Máquinas biológicas, como miosina (lida com contração muscular), são as máquinas macromoleculares mais complexas encontradas dentro de células, tipicamente na forma de complexos multi-proteína.

Algumas são responsáveis por produção de energia e algumas por expressão gênica. Podem desempenhar papel crucial em nanomedicina. Por exemplo, poderiam ser usadas para detectar e destruir células tumorais.

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

Embora os elementos propostos de BioNEMS, como nanorrobôs e montadores moleculares, estejam muito além das capacidades atuais, vários estudos renderam resultados promissores para aplicações futuras.

Aplicações

NEMS serve como tecnologia habilitadora, fundindo ciências da vida com engenharia de maneiras que não são atualmente viáveis com técnicas de microescala. Terá impacto significativo em várias indústrias:

Indústria de Semicondutores:

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

Automotiva:

Nanomateriais, como nanolâminas, nanofibras, nanotubos, nanofios e nanohastes, oferecem vários benefícios no setor automotivo. Por exemplo, nano-aditivos podem melhorar significativamente a vida útil dos pneus, bem como resistência à abrasão, resistência ao rolamento e tração em piso molhado. NEMS também é a chave para melhorar o desempenho de células de combustível de futuras gerações de carros movidos a hidrogênio.

Comunicação:

Devido a propriedades mecânicas únicas (que permitem altas frequências de ressonância e alta sintonizabilidade de frequência), 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 NEMS piezoelétricos | Crédito da imagem: Northeastern University

Setor Médico:

Sensores NEMS detectam e monitoram dados de pacientes como nível de água, nível de glicose e presença de várias proteínas e íons. Esses sensores podem ser configurados para identificar proteínas específicas variando de albumina humana a beta-2-microglobulinas. Além do monitoramento, podem separar células de diferentes tamanhos, prevenindo entupimento em um sistema microfluídico.

Armazenamento e Produção de Energia:

Nanotecnologia tem grande promessa para aumentar a vida útil e desempenho de baterias de íon-lítio. Também tem potencial para aumentar a densidade de potência, encurtar o tempo de recarga, bem como reduzir peso e tamanho enquanto melhora a estabilidade e segurança das baterias.

Além disso, pesquisas estão em andamento para usar dispositivos eletroquímicos nanoescalados, como células galvânicas ou de combustível, para produzir energia. São bio-nano geradores que extraem energia da glicose no sangue em um corpo vivo (da mesma forma que o corpo gera energia dos alimentos).

Há também pesquisa em vários materiais nanoestruturados, especialmente nanofios, com o objetivo de desenvolver células solares mais eficientes e baratas do que é possível com células solares planares de silício tradicionais.

Mercado Global e Futuro

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

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

Pesquisa e desenvolvimento no campo de nanomateriais e nanotecnologia estão em andamento. Segundo relatórios, o mercado global de NEMS deve crescer a uma CAGR de 29%. Alcançará $108,88 milhões até 2022, com a América do Norte liderando o mercado.

Perguntas Frequentes

Qual a diferença entre MEMS e NEMS?

MEMS (sistemas microeletromecânicos) são compostos por componentes cujo tamanho varia de 1 μm a 100 μm. Dispositivos MEMS geralmente contêm uma unidade de processamento central (como um microprocessador) e múltiplos componentes que interagem com o ambiente (como microsensores).

NEMS (sistemas nanoeletromecânicos), por outro lado, são o próximo passo lógico de miniaturização de MEMS. Esses dispositivos integram funcionalidade mecânica e elétrica na nanoescala, estritamente entre 1 e 100 nm.

Quais são as principais vantagens de NEMS?

NEMS têm propriedades únicas e interessantes, que se desviam muito de seu predecessor MEMS. Por exemplo, podem ter:

• Frequências fundamentais na faixa de micro-ondas (cerca de ~100 GHz)
• Massa ativa na faixa de femtograma (10⁻¹⁵ g)
• Sensibilidade de massa até níveis de attograma (10⁻¹⁸ g)
• Sensibilidade de força no nível de attonewton (10^-18 Newton)
• Capacidades de calor muito abaixo de um yoctocalorie (4,184 x 10⁺²⁴ J)
• Consumo de energia na ordem de 10 attowatts (10⁻¹⁸ watts)
• Baixa dissipação de energia
• Nível de integração extremo, aproximando-se de 1,012 elementos por centímetro quadrado

Do que são feitos nanosensores?

Nanosensores 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 mais comuns de nanosensores incluem mecânicas, vibracionais, ópticas ou eletromagnéticas.