Há Muito Espaço lá no Fundo - Richard Feynman

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Gabriel Aleks - 24/07/20

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Nano

"There's Plenty of Room at the Bottom" foi uma palestra dada pelo físico Richard Feynman em 29 de dezembro de 1959, na CalTech

Se você já procurou algo sobre nanotecnologia provavelmente já leu/ouviu o nome de Richard Feynman. Na verdade, é uma prática tão comum fazer a introdução do que é nanotecnologia através de Feynman que, neste editorial de 2009 da Nature Nanotechnology, os autores começam dizendo que "é uma regra não-escrita na Nature Nanotechnology que a famosa palestra de 1959 'There's Plenty of Room at the Bottom', de Richard Feynman, não deve ser referenciada no início de artigos a menos que seja absolutamente necessário. Não é que tenhamos algo contra Feynman ou sua palestra - bem pelo contrário. Na verdade, nossa regra não-escrita existe para encorajar variedade na introdução dos artigos (...)". Bom, aqui não vamos seguir esta regra. Feynman não só aparece no primeiro artigo do site, que trata da história da nanotecnologia, como o segundo artigo - esse aqui - é justamente a tradução dessa palestra para o português.

Físico teórico laureado com o Nobel em 1965, Richard Feynman também é conhecido pelas suas palestras e seus livros. Visitou o Brasil algumas vezes entre o fim dos anos 40 até o meado dos anos 60, tendo descrito sua experiência no seu best-seller de 1985 "O Senhor Está Brincando, Sr. Feynman!".

Uma de suas palestras mais célebres foi a dada em 29 de dezembro de 1959 no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), onde ocorria o encontro anual da American Physical Society. É conhecida justamente pelo seu caráter revolucionário ao tratar do mundo do muito pequeno: nela são abordados os desafios da miniaturização e as vantagens de se trabalhar em escalas muito, muito pequenas. Você vai perceber que em nenhum momento Feynman usa o termo nanotecnologia, ou sequer a palavra nano, em todo o texto. Como foi visto no artigo O que é Nanotecnologia?, a primeira vez que esse termo foi utilizado foi só em 1974 - 15 anos depois! É por conta desse aspecto visionário que o físico é conhecido hoje como o pai da nanotecnologia.

Você pode ler a seguir a tradução livre para português da transcrição da palestra dada por Feynman naquele dia. O original você encontra aqui. Observações: a) Feynman utiliza o Sistema Imperial (polegadas, jardas etc.), portanto para facilitar a compreensão decidi converter essas unidades para o Sistema Internacional. As unidades convertidas estarão do lado das unidades originais e dentro de [colchetes]. b) As imagens não fazem parte do artigo original.

Há Muito Espaço Lá Embaixo

Richard Feynman, 1959

Eu imagino que físicos experimentais devem frequentemente olhar com inveja para homens como Kamerlingh Onnes, que descobriu o campo das baixas temperaturas, que parece ser sem fim e no qual alguém poderia se aprofundar e se aprofundar. Tal tipo de homem é um líder e possui um monopólio temporário em uma aventura científica. Percy Bridgman, ao criar uma maneira de se obter pressões mais altas, fez com que outro campo fosse aberto e nos guiou através dele. O desenvolvimento de vácuos ainda maiores foi um desenvolvimento contínuo do mesmo tipo.

Eu gostaria de descrever um campo no qual pouco foi feito mas que, em princípio, muito pode ser realizado. Esse campo não é parecido com os outros no sentido em que não vai nos ensinar tanto dos fundamentos da física (não responderá, por exemplo, "que partículas estranhas são essas?") mas parece com a física do estado sólido na medida em que pode nos contar muito dos fenômenos estranhos que acontecem em situações complexas. Além do mais, um aspecto muito importante é que teria um grande número de aplicações técnicas.

O que eu quero falar é sobre o problema da manipulação e controle de coisas em pequena escala.

Tão logo eu menciono isso as pessoas me falam sobre miniaturização e o quanto que ela progrediu. Me falam sobre motores elétricos do tamanho da unha de seu dedo mindinho. E existe um instrumento no mercado, me dizem, que te permite escrever a Bíblia na cabeça de um alfinete. Mas isso não é nada; esse é o passo mais hesitante e primitivo na direção que eu pretendo orientar a discussão. O mundo abaixo de nós é surpreendentemente pequeno. No ano 2000, quando olharem para o passado, vão se perguntar por que que só no ano de 1960 que alguém começou a andar seriamente nessa direção.

Por que não podemos escrever os 24 volumes da Encyclopædia Britannica1 na cabeça de um alfinete?

Vamos ver o que estaria envolvido. A cabeça de um alfinete possui o diâmetro de 1/16 polegadas [0,16 centímetros]. Se você ampliar isso 25000 vezes terá a área de todas as páginas da Encyclopædia Britannica. Portanto, tudo que é necessário é reduzir a escrita da Encyclopædia a 25000 vezes o seu tamanho. Isso é possível? A resolução do olho é de 1/120 polegadas [0,02 centímetros] - aproximadamente o diâmetro de um dos pontos utilizado nas reproduções de meio-tom2 da Encyclopædia. Isso, quando você reduz a 25000 vezes seu tamanho, tem ainda 80 ångströms de diâmetro - 32 átomos de um lado a outro, em um metal comum. Em outras palavras, um desses pontos ainda teria a área de 1000 átomos. Portanto, cada ponto pode ter seu tamanho facilmente ajustado quanto necessário pela fotogravura3, e não há duvidas de que há espaço suficiente na cabeça do alfinete para colocar toda a Encyclopædia Britannica.

Além disso, ela pode ser lida caso seja escrita. Vamos imaginar que está escrita em letras de metal com alto-relevo; isto é, onde há preto na Encyclopædia nós salientamos letras de metal que possuem na verdade 1/25000 do seu tamanho original. Como nós leríamos?

Se nós tivéssemos algo escrito dessa maneira poderíamos ler usando técnicas de uso comum atualmente (sem dúvidas que vão encontrar formas melhores de ler quando houver algo realmente escrito, mas para formular meu argumento vou tomar, de forma conservadora, as técnicas que existem atualmente). Nós pressionaríamos o metal contra um material plástico de forma a fazer um molde. Depois descascaríamos o plástico cuidadosamente, evaporaríamos sílica no plástico para gerar um filme muito fino e o sombrearíamos ao evaporar ouro num ângulo com a sílica tal que todas as letras apareçam claramente. Dissolveríamos o plástico do filme de sílica e enxergaríamos com um microscópio eletrônico!

Não há dúvidas de que, se a Encyclopædia fosse reduzida 25000 vezes na forma de letras em alto-relevo na cabeça de um alfinete, nós seríamos capazes de ler hoje em dia. Além disso, não há dúvidas de que conseguiríamos fazer cópias do original; bastaria pressionar a placa de metal novamente no plástico para obtermos uma nova cópia.

encyclopaedia

Coleção completa contendo os 30 volumes da 15a edição da Encyclopædia.

Como Escrever Pequeno?

A próxima pergunta é: como fazemos para escrever? Não temos nenhuma técnica para isso atualmente. Mas posso argumentar que não é tão difícil quanto parece ser. Podemos reverter as lentes do microscópio eletrônico de forma a tanto ampliar quanto reduzir. Uma fonte de íons, enviada através das lentes revertidas do microscópio, poderia ser focada em um ponto bem pequeno. Poderíamos escrever com esse ponto como escrevemos em um osciloscópio de TV de raios catódicos, atravessando em linhas, e ter um ajuste que determina a quantidade de material que vai ser depositado enquanto as linhas são varridas.

Esse método pode ser muito lento por conta de limitações na carga espacial4. Haverá métodos mais rápidos. Nós poderíamos primeiro fazer, talvez por um fotoprocesso, uma tela que tem buracos na forma de letras. Depois nós formaríamos um arco atrás dos buracos e passaríamos íons metálicos através deles; poderíamos então usar novamente nosso sistema de lentes e criar uma pequena imagem na forma de íons, que depositaria o metal no alfinete.

Um jeito mais simples de fazer isso (embora eu não tenha certeza que funcionaria): pegamos luz e, através de um microscópio óptico ao contrário, a focamos em uma tela fotoelétrica muito pequena. Os elétrons são expelidos da tela no ponto em que a luz está incidindo. Esses elétrons são focados pelas lentes de um microscópio eletrônico para atingir diretamente a superfície do metal. Será que um feixe do tipo retira o metal se existir por bastante tempo? Eu não sei. Se não funcionar para uma superfície de metal deve ser possível encontrar uma superfície com a qual revestir o alfinete de forma que, onde os elétrons atingirem, uma mudança reconhecível seja feita.

Não há problema de intensidade nesses instrumentos - não do tipo que você está acostumada na amplificação, em que você tem que pegar alguns elétrons e espalhá-los em telas maiores e maiores; é justamente o contrário. A luz que recebemos de uma página está concentrada em uma área muito pequena, logo é intensa. Os poucos elétrons que vêm da tela fotoelétrica são reduzidos a uma área pequena então, novamente, são muito intensos. Eu não sei por que isso ainda não foi feito!

Isso seria a Encyclopædia Britannica na cabeça de um alfinete, mas consideremos todos os livros do mundo. A Biblioteca do Congresso tem 9 milhões de volumes; a Biblioteca do Museu Britânico tem 5 milhões de volumes; há também 5 milhões de volumes na Biblioteca Nacional da França. Sem dúvida existem duplicatas, então digamos que têm 24 milhões de volumes de interesse no planeta.

O que aconteceria se eu imprimisse tudo isso na escala em que acabamos de discutir? Quanto espaço tomaria? Ocuparia, com certeza, a área de cerca de um milhão de cabeças de alfinete porque, ao invés de 24 volumes da Encyclopædia, estamos falando de 24 milhões de volumes. Esse milhão de alfinetes pode ser colocado num quadrado de mil alfinetes de lado, ou uma área de três jardas quadradas [2,5 metros quadrados]. Isso é dizer que as cópias que fizemos com sílica e plástico, toda essa informação, tomam a mesma área que aproximadamente 35 páginas da Encyclopædia. Isso é apenas um quarto das páginas que existem no Saturday Evening Post. Toda a informação que a humanidade já armazenou em livros pode ser carregada em um panfleto na sua mão - e não na forma de código, mas como reprodução das imagens originais, gravuras e tudo o mais em uma escala pequena sem haver perda de resolução.

O que nossa bibliotecária da Caltech diria, enquanto ela corre de um prédio a outro, se eu dissesse que daqui a 10 anos toda a informação que ela luta para encontrar - 120000 volumes empilhados do chão ao teto, gavetas cheias de cartões, salas de armazenamento com livros mais antigos - pode ser contida em apenas um cartão da biblioteca! Quando a Universidade do Brasil5, por exemplo, descobrir que sua biblioteca queimou, podemos mandá-los uma cópia de cada um dos livros de nossa biblioteca ao copiar nosso original em algumas horas e enviá-los pelo correio num envelope nem maior nem mais pesado que qualquer outro tipo de carta comum.

Agora, o nome dessa palestra é "Há Muito Espaço lá no Fundo" - não apenas "Há Espaço lá no Fundo". O que eu demonstrei aqui é que há espaço - que você pode diminuir o tamanho das coisas de forma prática. Agora quero demonstrar que há muito espaço. Não vou discutir como vamos fazer isso, mas apenas o que é possível a princípio - em outras palavras, o que é possível de acordo com as leis da física. Não estou inventando antigravidade, que é possível apenas se as leis não forem o que pensamos que são. Estou dizendo a vocês o que pode ser feito se as leis forem como pensamos que são; não estamos fazendo simplesmente porque ainda não descobrimos como.

Informação em Pequena Escala

Suponha que, ao invés de tentar reproduzir imagens e toda a informação diretamente em sua forma presente, nós escrevamos a informação em um código de pontos e traços. Cada letra representa seis ou sete "bits" de informação; isto é, você precisa apenas de seis ou sete pontos ou traços para cada letra. Agora, ao invés de escrever tudo na superfície da cabeça de alfinete, como fiz antes, eu vou usar o interior do material também.

Vamos representar um ponto como um pequeno ponto de um metal, o traço seguinte como um ponto adjacente de outro metal, e por aí vai. Suponha, sendo conservador, que um bit de informação requer um cubo de átomos 5 x 5 x 5 - 125 átomos. Talvez precisemos de 100 e mais alguns átomos para ter certeza de que a informação não é perdida na difusão ou através de outro processo.

Eu estimei quantas letras existem na Encyclopædia e assumi que cada um dos nossos 24 milhões de livros é tão grande quanto um volume da Encyclopædia e calculei, daí, quantos bits de informação existem: 1015. Para cada bit eu dei 100 átomos. E acontece que toda a informação que o homem acumulou cuidadosamente em todos os livros do mundo podem ser escritas dessa maneira em forma de um cubo cujo lado mede 1/200 polegadas [0,01 centímetros] - que é o menor grão de poeira que pode ser visto pelo olho humano. Então existe muito espaço lá no fundo! Não fale comigo sobre microfilme!

Esse fato - que enormes quantidades de informação podem ser carregadas em um espaço extremamente pequeno - é, claro, bem conhecido pelos biólogos, e resolve o mistério que existiu antes de entendermos tudo isso claramente: como que, na menor das células, toda a informação necessária para a organização de criaturas complexas como nós consegue ser armazenada. Toda essa informação - seja lá se temos olhos castanhos, ou se realmente podemos pensar, ou se no embrião a mandíbula deve ser desenvolvida com um pequeno buraco na lateral para que depois um nervo possa crescer através dele - é contida numa minúscula fração da célula na forma de uma molécula de cadeias longas, o DNA, na qual aproximadamente 50 átomos são usados para um bit de informação da célula.

Melhores Microscópios Eletrônicos

Se eu escrever um código, com 5 x 5 x 5 átomos sendo um bit, a pergunta seguinte é: como, hoje, eu conseguiria ler? O microscópio eletrônico ainda não é bom o suficiente; com grande esforço consegue alcançar uns 10 ångströms. Eu gostaria de tentar convencer vocês, enquanto falo sobre todas essas coisas das pequenas escalas, da importância de melhorarmos os microscópios eletrônicos em 100 vezes. Não é impossível; não é contra as leis de difração do elétron. O comprimento de onda do elétron nesse tipo de microscópio é apenas 1/20 de um ångström. Então deve ser possível ver átomos individuais. Que vantagem teríamos em conseguir distinguir os átomos individualmente?

Nós temos amigos em outros campos - na biologia, por exemplo. Nós físicos costumamos olhar para eles e falar "vocês sabem por que estão fazendo tão pouco progresso?" (na verdade não sei de nenhum outro campo que esteja fazendo progresso tão rapidamente quanto a biologia atualmente). "Vocês deveriam usar mais matemática, tipo a gente." Eles poderiam nos responder - mas são educados, então vou responder por eles: "o que vocês deveriam fazer para que nós progredíssemos mais rápido é criar um microscópio eletrônico 100 vezes melhor".

Quais são os problemas centrais e mais fundamentais da biologia hoje? São perguntas do gênero: o que é a sequência de bases do DNA? O que acontece quando ocorre uma mutação? Como que a ordem das bases do DNA se relaciona com a ordem dos aminoácidos nas proteínas? Como é a estrutura do RNA, hélice simples ou dupla, e como que a ordem de suas bases se relaciona com a ordem de bases do DNA? Qual é a organização dos microssomos? Como as proteínas são sintetizadas? Para onde o RNA vai? Como ele atua? Como que as proteínas atuam? Onde que os aminoácidos entram? Na fotossíntese onde está a clorofila; como ela fica organizada; em que parte que os carotenoides se envolvem? O que é o sistema de conversão de luz em energia química?

É muito fácil responder a várias dessas questões fundamentais da biologia, basta olhar pra coisa! Você verá a ordem de bases na cadeia; você verá a estrutura do microssomo. Infelizmente, o microscópio atual vê numa escala bem crua. Torne o microscópio cem vezes mais potente e muitos problemas da biologia ficam bem mais fáceis. Estou exagerando, é claro, mas os biólogos sem dúvida ficariam agradecidos a vocês - e eles prefeririam isso à crítica de que deveriam usar mais matemática.

A teoria dos processos químicos atual é baseada na física teórica. Neste sentido, a física fornece a fundação da química. Mas química também tem análise. Se você tem uma substância estranha e quer saber o que é, você realiza um longo e complicado processo de análise química. Você pode analizar quase tudo hoje em dia, então minha ideia é meio atrasada. Mas se os físicos quisessem também poderiam se aprofundar mais que os químicos nos problemas da análise química. Seria muito fácil fazer uma análise de qualquer substância química complexa; bastaria olhar e ver onde os átomos estão. O único problema é que o microscópio eletrônico é cem vezes menos potente que o necessário (depois, eu gostaria de perguntar: os físicos podem fazer algo sobre o terceiro problema da química - ou seja, síntese? Existe uma forma física de sintetizar qualquer substância química?)

A razão da microscopia eletrônica ser tão pobre é que o número-f6 das lentes é apenas 1 parte em 1000; você não tem uma abertura grande o suficiente. E eu sei que existem teoremas que provam que é impossível, com lentes estacionárias de campo axialmente simétrico, produzir um número-f maior; e portanto a resolução dos microscópios atuais está no seu máximo teórico. Mas em todo teorema há suposições. Por que o campo deve ser axialmente simétrico? Por que o campo deve ser estacionário? Não podemos ter pulsos de feixes de elétrons em campos se movendo junto com os elétrons? O campo deve ser simétrico? Coloco isso como desafio: existe uma maneira de criar um microscópio eletrônico mais poderoso?

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Microscópio eletrônico de transmissão feito por Ernst Ruska em 1933. Créditos: AAAS

O Maravilhoso Sistema Biológico

O exemplo biológico de escrever informação numa pequena escala me inspirou a pensar em algo que deveria ser possível. Biologia não é só sobre escrever a informação; é fazer alguma coisa com ela. Um sistema biológico pode ser incrivelmente pequeno. Muitas células são minúsculas, porém bem ativas; elas produzem várias substâncias; elas andam por aí; elas se agitam; elas fazem todo tipo de coisas maravilhosas - tudo em uma escala muito pequena. Além disso, elas armazenam informação. Considere a possibilidade de que nós também podemos contruir uma coisa minúscula e que faz o que nós quisermos - que nós somos capazes de fabricar um objeto que opera nessa escala!

Pode até haver aspectos econômicos no negócio de fazer coisas muito pequenas. Deixe-me lembrá-los de alguns problemas dos computadores. Nos computadores temos que armazenar uma enorme quantidade de informação. O tipo de escrita que eu mencionei antes, no qual tínhamos tudo como uma destribuição de metal, é permanente. Muito mais interessante para um computador é uma maneira de escrever, apagar e escrever algo diferente (isso porque normalmente não queremos desperdiçar o material no qual escrevemos. Mas, se pudéssemos escrever num espaço pequeno, não faria diferença; poderia ser jogado fora depois de lido. O material não custa muito.)

Miniaturizando o Computador

Eu não sei como fazer isso numa escala pequena de forma prática, mas sei que computadores são muito grandes; eles ocupam salas inteiras. Por que não podemos fazê-los pequenos, de pequenos fios, pequenos elementos - e por pequeno eu quero dizer pequeno. Por exemplo, os fios teriam 10 ou 100 átomos de diâmetro e os circuitos teriam alguns milhares de ångströms de comprimento. Todos que analizaram a teoria da lógica dos computadores chegaram à conclusão de que as possibilidades para eles são muito interessantes - se eles pudessem se tornar mais complexos por várias ordens de grandeza. Se eles tivessem milhões de vezes mais elementos poderiam tomar decisões. Teriam tempo de calcular qual a melhor maneira de se fazer o cálculo que estão prestes a fazer. Poderiam selecionar o método de análise que, por experiências prévias, é melhor do que aquele que demos a eles. E, em muitos outros aspectos, teriam novas características qualitativas.

Se eu olhar para seu rosto eu imediatamente reconheço que já o vi antes (bom, meus amigos vão dizer que eu escolhi um exemplo infeliz para essa ilustração. Pelo menos eu sei reconhecer que é um homem e não uma maçã). Mesmo assim não há máquina que, com essa velocidade, consiga tirar uma foto de um rosto e dizer pelo menos que é um homem; muito menos que é o mesmo homem que você mostrou antes - a menos que seja a mesma foto. Se o rosto mudar; se eu estiver mais perto dele; se eu estiver mais distante; se a iluminação mudar - eu conseguirei reconhecer mesmo assim. Esse pequeno computador que eu carrego na minha cabeça consegue fazer isso facilmente. Os computadores que construímos, não. O número de elementos nessa caixa de ossos que eu tenho é muitíssimo maior que o número de elementos dos nossos "maravilhosos" computadores. Mas nossos computadores mecânicos são muito grandes; os elementos dessa caixa são microscópicos. Quero fazer elementos submicroscópicos.

Se nós quiséssemos construir um computador que tivesse todas essas habilidades qualitativas extras teríamos que fazê-lo, talvez, do tamanho do Pentágono. Há várias desvantagens nisso. Primeiro, requer muito material; talvez não haja germânio suficiente no mundo para todos os transistores que essa monstruosidade precisaria. Há também o problema da geração de calor e consumo de energia; a TVA7 seria necessária para manter o computador rodando. Mas uma dificuldade prática maior ainda é que o computador teria velocidade limitada. Por conta de seu enorme tamanho há um tempo necessário para levar informação de um canto a outro. A informação não pode ultrapassar a velocidade da luz - então, no fim das contas, quando nossos computadores se tornarem mais e mais velozes e elaborados, teremos que deixá-los menores e menores.

Mas há muito espaço para deixá-los menores. Não vejo nada nas leis da física que diga que os elementos dos computadores não podem ficar extremamente menores do que são hoje. Na verdade, pode haver certas vantagens quanto a isso.

Miniaturização por Evaporação

Como podemos construir um equipamento assim? Que tipo de processos de fabricação nós usaríamos? Uma possibilidade a considerar, já que falamos sobre escrever pelo posicionamento de átomos em certos arranjos, seria evaporar o material e depois evaporar o isolante próximo a ele. Então, para a próxima camada, evaporar outra posição de um fio, outro isolante, e assim por diante. Portanto, você simplesmente evapora até ter um bloco de coisas que tem os elementos - bobinas e condensadores, transistores e por aí vai - com dimensões excessivamente finas.

Mas eu gostaria de discutir com vocês, só por diversão, que existem outras possibilidades. Por que não podemos fabricar esses pequenos computadores de forma semelhante à que fabricamos os grandes? Por que não fazer furos, cortar, soldar e modelar coisas em diferentes formas, tudo num nível infinitesimal? Quais são as limitações a quão pequeno algo pode ser antes que seja impossível de modelar? Quantas vezes você disse a si mesmo enquanto trabalhava em algo pequeno, como o relógio de pulso da sua esposa, algo como "ah, se eu pudesse pelo menos treinar uma formiga para fazer isso!"? O que eu gostaria de sugerir é a possibilidade de treinar uma formiga para treinar um ácaro para fazer isso. Quais são as possibilidades de pequenas, porém móveis, máquinas? Elas podem ou não ser úteis, mas com certeza seriam divertidas de criar.

Considere qualquer máquina - por exemplo, um carro - e pense sobre os problemas de se criar uma versão infinitesimal dela. Suponha, no design particular desse carro, que nós precisamos de precisão nas peças; suponha que necessitamos de uma precisão de 4/10000 de polegada [0,001 centímetros]. Se as coisas forem menos precisas que isso, como no formato do cilindro, o carro não vai funcionar tão bem. Se eu fizer muito pequeno, vou ter que me preocupar com o tamanho dos átomos; não posso fazer um círculo de "bolas", por assim dizer, se o círculo for muito pequeno. Então, se eu fizer o erro correspondente a 4/10000 de polegada corresponder a um erro de 10 átomos, eu consigo reduzir as dimensões do carro aproximadamente 4000 vezes - de forma a ter 1 milímetro de comprimento. Obviamente, se você redesenhar o carro para que ele funcione numa tolerância maior, o que não é impossível, você poderia construir um dispositivo muito menor.

É interessante considerar quais são os problemas em máquinas tão pequenas. Primeiro, com as partes tensionadas de forma igual, as forças diminuem conforme a área é reduzida, portanto coisas como peso e inércia são relativamente sem importância. A resistência do material, em outras palavras, é proporcionalmente muito maior. As tensões e expansões do volante do motor provenientes da força centrífuga, por exemplo, seriam da mesma proporção apenas se a velocidade de rotação aumentar na mesma proporção com que diminuimos o seu tamanho. Por outro lado, os metais que usamos têm estrutura granular e isso seria incômodo em menores escalas porque o material não é homogêneo. Plásticos, vidros e coisas de natureza amorfa são muito mais homogêneas, então teríamos que construir nossas máquinas com esses materiais.

Há problemas associados com a parte elétrico do sistema - os fios de cobre e os componentes magnéticos. As propriedades magnéticas em uma escala muito pequena não são as mesmas que em escalas maiores; existe esse problema do "domínio". Um grande ímã feito de milhões de domínios pode ser feito numa escala menor apenas com um domínio. O equipamento elétrico não pode simplesmente ser reduzido; deve ser redesenhado. Mas não vejo por que não possa ser redesenhado e funcionar novamente.

Problemas de Lubrificação

A lubrificação envolve alguns pontos interessantes. A viscosidade efetiva do óleo seria cada vez maior conforme diminuímos o tamanho (e se aumentarmos a velocidade tanto quanto pudermos). Se não aumentarmos tanto a velocidade e mudarmos de óleo para querosene ou outro fluido, o problema não é tão grave. Mas talvez nem tenhamos que usar lubrificante! Temos muita força extra. Deixe os rolamentos funcionando a seco; eles não vão esquentar porque o calor escapa de dispositivos pequenos muito, muito rapidamente.

Essa perda rápida de calor iria impedir a gasolina de explodir, então um motor de combustão interna é impossível. Outras reações químicas, que liberam energia quando frias, podem ser usadas. Provavelmente uma fonte externa de energia elétrica seria mais conveniente para máquinas tão pequenas.

Qual seria a utilidade dessas máquinas minúsculas? Quem sabe? Claro, um pequeno carro seria útil apenas para ácaros dirigirem, e suponho que nossos interesses de bons cristãos não vão tão longe. Entretanto, notamos a possibilidade de produzir pequenos elementos para computadores em fábricas completamente automatizadas, contendo tornos e outras ferramentas em uma pequena escala. O torno não teria que ser exatamente igual ao torno de tamanho normal. Deixo para a imaginação de vocês o aperfeiçoamento de design de modo a se aproveitar completamente das propriedades das coisas em pequena escala, e de forma que o aspecto automático seja mais fácil de controlar.

Um amigo meu (Albert R. Hibbs) sugere uma possibilidade muito interessante para relativamente pequenas máquinas. Ele diz que, embora seja uma ideia esquisita, as cirurgias seriam interessantes se você pudesse engolir o cirurgião. Você põe o cirurgião mecânico dentro do vaso sanguíneo, ele vai até o coração e "olha" em volta (claro, a informação deve ser transmitida para fora). Ele descobre qual válvula é a defeituosa, saca uma pequena faca e corta-a fora. Outras pequenas máquinas poderiam ser incorporadas permanentemente ao corpo para assistir algum órgão com mau funcionamento.

Agora vem a questão intrigante: como nós fazemos um mecanismo tão pequeno? Isso eu deixo para vocês. Mas deixe-me sugerir uma possibilidade esquisita. Sabe, existem máquinas e materiais nas usinas nucleares que eles não podem interagir diretamente porque elas se tornaram radioativas. Para remover porcas, colocar parafusos e coisas do tipo eles usam um conjunto de manipuladores 'master' e 'slave'8, de modo que quando controladas as alavancas do lado de cá você controla as "mãos" do lado de lá, podendo mexê-las de forma a interagir com bem com as coisas.

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Exemplo moderno de um manipulador tipo master-slave. Créditos: HWM

A maioria desses dispositivos são feitos de modo bem simples em que há um cabo, como uma corda de marionete, que vai diretamente dos controles para as "mãos". Mas, claro, também já foram feitas coisas usando servo motores, tornando a conexão entre uma coisa e a outra elétrica ao invés de mecânica. Quando você mexe as alavancas elas acionam o servo motor, mudando assim a corrente elétrica dos fios e reposicionando um motor que existe do outro lado.

Eu quero construir o mesmo instrumento - um sistema 'master-slave' que opere eletricamente. Mas eu quero os 'slaves' feitos cuidadosamente por mecânicos de larga-escala modernos para que sejam um quarto do tamanho das "mãos" que você normalmente opera. Então você terá um projeto em que poderá fazer as coisas a um quarto do tamanho - os pequenos servo motores com pequenas mãos interagem com as pequenas porcas e parafusos; fazem pequenos furos; são quatro vezes menores. Aha! Então eu fabrico um torno com um quarto do seu tamanho; fabrico ferramentas com um quarto do tamanho; e faço novamente, em escala quatro vezes menor, outro conjunto de mãos com tamanho quatro vezes menor do meu conjunto atual! Esse é dezesseis vezes menor do meu ponto de vista. E depois de fazer isso eu ligo meu sistema de larga escala - através de transformadores, possivelmente - aos servo motores dezesseis vezes menores. Agora consigo manipular mãos dezesseis vezes menores.

Bom, vocês entenderam o princípio daqui. É um projeto difícil, mas possível. Você pode argumentar que é possível diminuir mais em uma etapa do que por quatro. Claro, isso tudo deve ser projetado cuidadosamente e não é necessário fazer como mãos. Se você pensar com muito cuidado pode provavelmente chegar em um sistema bem melhor para fazer essas coisas.

Se você trabalhar com um pantógrafo9, mesmo hoje em dia, consegue muito mais que um fator de quatro por etapa. Mas você não pode trabalhar com um pantógrafo que faz um pantógrafo menor e que daí faz um pantógrafo menor - isso por conta da folga dos buracos e das irregularidades da construção. A extremidade do pantógrafo balança com uma irregularidade maior do que a irregularidade com que você move suas mãos. Conforme diminuo a escala, eu iria achar que o final do pantógrafo no final do pantógrafo no final do pantógrafo está balançando tanto que não estou fazendo nada de forma sensível.

A cada estágio é necessário aperfeiçoar a precisão do instrumento. Se, por exemplo, tendo feito um pequeno torno com um pantógrafo nós descobríssemos que seu fuso é irregular - mais irregular do que o torno de larga escala -, poderíamos envolver o fuso com porcas de cabeças quebráveis que você pode inverter e movimentar o fuso para lá e para cá até que, na sua escala, ele esteja tão preciso quanto o fuso da nossa escala.

Nós podemos fazer superfícies planas ao esfregar superfícies não-planas em trios juntas - em três pares - e as superfícies ficam mais planas do que quando começamos. Portanto, não é impossível aperfeiçoar a precisão em escalas pequenas através das operações corretas. Então, quando construirmos essa coisa, é necessário melhorar a precisão do equipamento a cada etapa ao trabalhar por um tempo na escala pequena, fazendo fusos mais precisos, blocos padrão10 e todos os demais equipamentos que usamos em trabalhos de precisão na escala grande. Temos que parar a cada nível e fabricar todas as coisas para ir para o próximo nível - um programa muito longo e complicado. Talvez vocês possam descobrir uma maneira melhor para atingir menores escalas mais rapidamente.

Ainda assim, depois disso tudo, você conseguiu um torno bebê quatro mil vezes menor do que o normal. Mas nós estávamos pensando em fazer um enorme computador, que seria fabricado ao se fazer buracos com esse torno para fazer arruelas para o computador. Quantas arruelas você pode fabricar com esse torno?

Uma Centena de Mãozinhas

Quando eu fizer meu primeiro conjunto de mãos 'slaves' em um quarto do tamanho original, vou fazer dez conjuntos. Faço dez conjuntos de mãos e as conecto com minhas alavancas originais, de forma que todas fazem a mesma coisa paralela e simultaneamente. Agora, enquanto eu fizer meus novos componentes a um quarto do tamanho de novo, faço com que cada uma das mãos fabrique dez cópias, portanto terei cem mãozinhas a 1/16 do tamanho original.

Onde eu vou colocar os milhões de tornos que terei? Bom, não há nada demais nisso; o volume ocupado por eles é bem menor do que o de um único torno em larga escala. Por exemplo, se eu fizer um bilhão de tornos, cada um a 1/4000 do tamanho original, mesmo assim haverá material e espaço suficientes porque em um bilhão desses tornos há menos do que 2% do material usado em um torno grande.

Os materiais não vão custar nada, como podem ver. Quero então construir um bilhão de pequeninas fábricas, todas iguais e que funcionam simultaneamente fazendo buracos, estampando metal e por aí vai.

Conforme diminuímos de tamanho surgem vários problemas interessantes. Não é tudo que simplesmente diminui proporcionalmente. Há o problema dos materiais ficarem grudados por conta de atrações moleculares (Van der Waals). Seria algo do tipo: depois de você ter criado uma peça e afrouxar a porca do parafuso do torno, esse componente não vai cair porque a gravidade não é significante; seria até difícil retirar a peça do parafuso. Seria como naqueles filmes antigos em que um homem com as mãos cheias de melaço tenta soltar um copo d'água. Haverá vários problemas desta natureza que deveremos estar preparados para contornar.

Rearranjando os Átomos

Mas não me preocupo em considerar a questão final de se algum dia - em um futuro distante - nós poderemos rearranjar os átomos da maneira que quisermos; os próprios átomos, lá embaixo! O que aconteceria se pudéssemos posicionar os átomos um por um da maneira como queremos que eles fiquem (dentro do razoável, é claro; você não pode posicioná-los de forma que eles fiquem quimicamente instáveis, por exemplo).

Até agora estivemos satisfeitos em cavar o chão para encontrar minerais. Nós os esquentamos e fazemos coisas em larga escala com eles, além de esperarmos conseguir uma substância que terá certa quantidade de impureza e por aí vai. Mas devemos sempre aceitar alguns arranjos atômicos que a natureza nos fornece. Ainda não temos nada, por exemplo, com um arranjo de tabuleiro de xadrez, em que os átomos de impureza estão afastados exatamente 1000 ångströms um do outro, ou algum outro padrão particular.

O que poderíamos fazer com estruturas de camadas que possuem as melhores camadas? Quais seriam as propriedades dos materiais se pudéssemos realmente posicionar os átomos da forma como queremos? Elas seriam muito interessantes de se investigar teoricamente. Não consigo imaginar exatamente o que aconteceria, mas duvido fortemente que quando tivermos algum controle do arranjo de coisas em pequena escala teremos uma maior gama de propriedades possíveis que as substâncias podem ter e de coisas diferentes que podemos fazer.

Considere, por exemplo, um pedaço de um material no qual fazemos pequenas bobinas e condensadores (ou seus análogos do estado sólido) a 1000 ou 10000 ångströms de distância num circuito, sobre uma grande área, com antenas se projetando do outro lado - uma série circuitos.

É possível, por exemplo, emitir luz de um conjunto de antenas da mesma maneira como irradiamos ondas de rádio de um conjunto organizado de antenas para transmitir nossos programas de rádio para a Europa? Irradiar luz em uma direção definida com baixa intensidade seria a mesma coisa (talvez esse feixe irradiado não seja muito útil técnica ou economicamente).

Eu pensei sobre alguns dos problemas de se construir circuitos elétricos em pequenas escala, e o problema da resistência é sério. Se você construir um circuito de forma proporcional em pequena escala, sua frequência natural sobe, visto que o comprimento de onda diminui com a escala; mas o efeito pelicular11 só diminui com a raiz quadrada da razão entre as escalas, portanto problemas de resistência são de dificuldade crescente. Nós possivelmente podemos resolver essa questão através do uso do efeito de supercondutividade se a frequência não for muito alta - ou por outros truques.

Átomos em um Pequeno Mundo

Quando chegamos no mundo do muito, muito pequeno - como circuitos de sete átomos - temos várias coisas novas que aconteceriam e que representam novas oportunidades para o design do projeto. Átomos numa escala pequena não se comportam como nada da larga escala, pois satisfazem as leis da mecânica quântica. Portanto, enquanto vamos para baixo e brincamos com os átomos, estamos trabalhando com leis diferentes e podemos esperar fazer coisas diferentes. Podemos fabricar de formas distintas. Podemos usar não apenas circuitos mas algum sistema envolvendo os níveis quantizados de energia, ou as interações de spins quantizados etc..

Outra coisa que vamos notar é que, se formos suficientemente para baixo, todas as nossas ferramentas podem ser produzidas em massa de forma que sejam cópias perfeitas umas das outras. Não conseguimos construir duas máquinas em larga escala iguais de forma que suas dimensões sejam idênticas. Mas se sua máquina possui apenas 100 átomos de altura você só tem que ter uma precisão de meio porcento para garantir que a outra tenha exatamente o mesmo tamanho - ou seja, 100 átomos de altura!

No nível atômico nós temos novos tipos de forças e efeitos, novas possibilidades. Os problemas com a fabricação e a reprodução de materiais serão bem diferentes. Eu estou, como já disse, inspirado pelo fenômeno biológico no qual forças químicas são usadas de forma repetitiva para produzir toda sorte de efeitos estranhos (um dos quais é o próprio autor).

Os princípios da física, conforme os enxergo, não argumentam contra a possibilidade de manobrar as coisas átomo por átomo. Não é uma tentativa de violar nenhuma lei; é algo, a princípio, que pode ser feito; mas, na prática, não foi ainda porque somos grandes demais.

Por fim, podemos fazer sínteses químicas. Um químico vem na gente e fala, "olha, eu quero uma molécula em que os átomos estejam organizados assim e assim; façam essa molécula pra mim". O químico faz uma coisa misteriosa quando quer sintetizar uma molécula. Ele vê que ela tem um anel, então ele combina isso com aquilo, mistura e agita. E, no fim de um processo complicado, ele geralmente tem sucesso em sintetizar o que ele quer. Quando eu conseguir fazer que meus instrumentos funcionem de modo que possamos realizar isso pela física, ele terá descoberto como sintetizar absolutamente tudo, então isso será inútil.

Mas é interessante que seria, a princípio, possível (eu acho) para um físico sintetizar qualquer substância química que o químico pedir. Dê a ordem e o físico sintetiza. Como? Posicione os átomos onde o químico manda e você cria a substância. Os problemas da química e biologia podem ter grandes avanços se nossa habilidade de ver o que estamos fazendo, e fazer coisas no nível atômico, for desenvolvida - um desenvolvimento que eu acho que não pode ser evitado.

Agora, você pode dizer: "quem deveria fazer isso e por que deveria?". Bem, eu apontei algumas das aplicações econômicas, mas sei que a razão pela qual vocês fariam seria simplesmente diversão. Divirtam-se! Tenhamos uma competição entre laboratórios. Um laboratório pode fazer um pequeno motor que é mandado para outro laboratório que, por sua vez, manda o motor de volta com alguma coisa que caiba dentre do seu eixo.

Competição Escolar

Por diversão e para fazer com que as crianças se interessem por este campo, eu proponho que alguém que tenha contato com escolas pense em fazer algum tipo de competição escolar. Afinal, nem começamos esse campo ainda e até as crianças conseguem escrever menor do que já foi possível até então. Elas poderiam ter competições nos colégios. O colégio de Los Angeles poderia mandar um alfinete em que diz "como que está isso aqui?" para o colégio de Venice. Eles receberiam o alfinete de volta e no pingo do "i" estaria escrito "não tão bom".

Talvez isso não deixe vocês animados a participar e só um aspecto econômico o faria. Então quero fazer algo; mas não posso agora porque não preparei o terreno ainda. Ofereço o prêmio de $1000 para a primeira pessoa que conseguir reunir a informação da página de um livro e colocá-la numa área 25000 menor, de maneira que possa ser lida por um microscópio eletrônico.

E eu quero oferecer outro prêmio - se eu conseguir descobrir como formular a frase de maneira que eu não me meta em discussões sobre definições - de mais $1000 para a primeira pessoa que fizer um motor elétrico funcional - um motor elétrico rotacional que possa ser controlado de fora e, descontando os fios, tenha apenas 1/64 polegadas cúbicas [0,00025 litros].

Não espero que esses prêmios demorem muito tempo para serem reclamados12.


  1. Enciclopédia Britânica é uma enciclopédia de conhecimentos gerais. Atualmente só existe digitalmente, porém era impressa até pouco tempo atrás. A última versão - de 2010 - possuiu 32 volumes e 32640 páginas. 

  2. Meio-tom é um método de impressão de imagens que se caracteriza pela união de vários pequenos pontos com o objetivo de gerar uma variação contínua de cor. 

  3. Fotogravura é um processo fotográfico que envolve a transferência de uma imagem fotográfica para uma placa de cobre. 

  4. Carga Espacial é um conceito físico que explica a carga elétrica distribuída em um espaço tridimensional. 

  5. Atual Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). 

  6. O número-f é um índice que representa a abertura da lente. 

  7. Tennessee Valley Authority. É uma agência estatal americana que provê, entre outros serviços, energia elétrica para alguns estados americanos.  

  8. Exemplo de controles desse tipo. 

  9. Pantógrafo é um instrumento constituído de paralelogramos em que, ao se realizar movimentos com uma caneta, outra caneta faz os mesmos movimentos de maneira maior ou menor. 

  10. Blocos Padrão são utilizados para produzir um sistema com comprimentos precisos. 

  11. Efeito Pelicular é a tendência da corrente elétrica em se distribuir igualmente dentro de um condutor de forma que a densidade de corrente é maior perto da superfície.  

  12. Esse artigo, "There's Plenty of Room at the Bottom" (Há Muito Espaço lá no Fundo) foi publicado originalmente em fevereiro de 1960 como artigo da revista da Caltech Engineering and Science Magazine, e subsequentemente publicado como capítulo do livro Miniaturization de Horace D. Gilbert, publicado pela Reinhold Publishing Corporation. O primeiro desafio foi vencido por Tom Newman, um estudante do R. Fabian Pease. Tom Newman usou um feixe de elétrons para escrever a primeira página de "Tale of Two Cities" numa área de 5.9 x 5.9 μm. O segundo prêmio foi dado pelo Dr. Feynman no dia 28 de novembro de 1960 para William McLellan, que construiu um motor elétrico com lado de 1/64 polegadas [0,039 cm]. Ele pesa 250 microgramas e gera 1/1000000 de cavalo-vapor [0,0007 watts]. 

3 comentários

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  • Ele sabia muito... 
    Obrigado por tornar esse material acessível!
  • Marcelo 1 year ago
    Feynman era realmente fantástico!!
    Belíssimo tradução!
    Parabéns!
  • Maria Macedo 8 months ago
    Feynman era um Gênio. Grande contribuição nesse 
    encantado mundo do invisível. Excelente artigo.