Nanotecnologia computacional é um campo emergente da ciência, que utiliza métodos e ferramentas computacionais avançadas para modelar, simular, analisar e projetar materiais, sistemas e dispositivos em escala nanométrica. A partir dela é possível estudar a construção de ferramentas computacionais para auxiliar a compreensão dos fenômenos físicos e químicos que ocorrem em escala nanométrica.

Introdução O objetivo da nanotecnologia computacional é desenvolver teorias, modelos e simulações de larga escala para estabelecer tanto bases científicas quanto ferramentas de desenvolvimento de tecnologias à baixo custo nas seguintes áreas:

Nanoeletrônica e computação Optoeletrônica e fotônica Sensores Materiais de uso específico

A modelagem e simulação são realizadas no tempo e no espaço utilizando fundamentos físicos, químicos e de ciência dos materiais. A verificação da validade dos modelos e dos resultados das simulações é feita através da comparação com experimentos.

História e Evolução

Hardware A miniaturização da escala dos transistores foi prevista por Gordon Moore, cofundador da Intel, em 1965. Segundo a lei de Moore, o número de componentes em um circuito integrado dobraria a cada ano. Para que tal acontecesse o tamanho individual de cada transistor deveria diminuir também chegando eventualmente à escala nanométrica.

No século XXI a proeza nanométrica foi alcançado no período 2004-2005, pela maioria das principais empresas de semicondutores, como Intel, AMD, Infineon, Texas Instruments, IBM, e TSMC. A marca de 90 nanômetros foi feita no nível da tecnologia CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor)

Modelagem computacional No início do século XX, com o surgimento da mecânica quântica, novas formas de visualizar a matéria foram descobertas. Descobrir as equações fundamentais que descrevem o comportamento de átomos e moléculas se tornou um grande foco da ciência. Para tal, é necessário primeiro resolver as equações retiradas dos dados experimentais: aí reside o problema. Como Paul Dirac disse: "As leis físicas subjacentes necessárias para a teoria matemática de grande parte da física e de toda a química são, portanto, completamente conhecidas, e a dificuldade é apenas que a aplicação exata dessas leis leva a equações muito complicadas para serem solúveis. Portanto, torna-se desejável que métodos práticos aproximados de aplicação da mecânica quântica sejam desenvolvidos, o que pode levar a uma explicação das principais características de sistemas atômicos complexos sem muita computação”. Resolver a equação de Schrödinger para sistemas com mais de alguns poucos elétrons é um desafio imenso.

Diante da impossibilidade prática de resolver as equações quânticas complexas para sistemas realistas à mão, o computador virou não só necessário, mas indispensável. É nesse ponto que a nanotecnologia computacional surge como uma ferramenta revolucionária. A escala nano, por conter efeitos quânticos, é essencial para tal feito.

Problemas abordados Os problemas que surgem em nanociência e nanotecnologia são em geral de grande complexidade em diversos aspectos, tais como: grande quantidade de dados para processar, falta de técnicas analíticas para resolução de equações e grande quantidade de variáveis envolvidas nos problemas. A descrição precisa de fenômenos em escala nanométrica é feita através da teoria quântica, que possui equações de alta complexidade matemática. Um exemplo disso é a equação de Schrödinger, usada para descrever fenômenos quânticos, que atualmente possui resolução analítica exata somente para o átomo de hidrogênio.R. Shankar, "Principles of Quantum Mechanics", (1994), Springer Essas peculiaridades tornam o computador uma ferramenta muito poderosa na resolução desses problemas. Através da computação podemos obter soluções numéricas aproximadas, o que possibilita um melhor entendimento dos fenômenos e criação de novas tecnologias.

Métodos e soluções O método para solução dos problemas encontrados são em geral particulares para área em que se aplica. Porém em todas as áreas a solução passa pela resolução de equações diferenciais e algébricas ou um sistema delas. Com isso utilizam-se métodos numéricos para a resolução destas equações, os mais usados são: Método de Newton, Métodos quasi-Newton, Método de Euler, Método de Runge-Kutta, Método de região de confiança e outros. Uma outra abordagem que vem sendo utilizada recentemente é a utilização de técnicas de inteligência artificial tanto quanto para a resolução das equações ou ainda para a substituição das mesmas por modelos unicamente computacionais.A. P. Singulani, O. P. Vilela Neto, M. C. A. Pacheco, M. B.R. Vellasco, M. P. Pires and P. L. Souza (2008) Computational intelligence applied to the growth of quantum dots. [Journal of Crystal Growth] 310(23), 5063-5065

Ver também Nanorobótica Nanociência Nanotecnologia Mecânica Quântica Dinâmica Molecular

Ligações externas

Nanotecnologia computacional (em: Leone Pereira Masiero: Síntese Evolucionária em Nanotecnologia, dissertação de mestrado, PUC-Rio, 2006)

Categoria:Nanotecnologia