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Mundo Nanométrico: A Dimensão do Novo Século
Henrique E. Toma
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O NOVO PARADIGMA
DOS NANICOS
KKKKAo
contemplarmos o céu, vislumbramos uma imagem aparentemente estática,
porém, com infinita profundidade. O brilho dos corpos celestes, mesmo
propagando-se com a velocidade da luz, acaba percorrendo um espaço imenso,
levando muito tempo até cintilar aos nossos olhos. Assim, não é curioso
pensar que ao olharmos para o céu, estamos observando o passado? Na
imensidão da escala universal, questões dessa natureza, envolvendo conceitos
de espaço e tempo, assim como de energia e matéria, realmente nos deixam
atordoados. Enquanto o nosso planeta se reduz a um ponto insignificante,
quase invisível, na escala universal sua dimensão é dez milhões de vezes
maior que a do homem (Fig. 1.6). Da mesma maneira, para os constituintes
moleculares, o ser humano tem o tamanho do mundo.
Fig.
1.6 Comparação
de escala dimensional entre o planeta, o homem e seu protótipo
molecular, montado por manipulação atômica, isto
é átomo a átomo.
KKKKA
nanotecnologia e as nanociências contemplam o universo nanométrico,
no qual a dimensão física é representada por uma
unidade equivalente a um bilionésimo do metro. Essa dimensão
é expressa pelo prefixo nano, do grego "anão",
de onde também vem a palavra "nanico". Sua notação
é nm ou 10-9 m. Só para se ter uma noção
desse tamanho, 1 nm equivale aproximadamente ao comprimento de dez átomos
enfileirados. Um nanotubo de carbono tem um diâmetro da ordem
de 10 nm. A dimensão de uma molécula de DNA situa-se na
escala de 100 nm e é um pouco menor que a de um vírus.
As hemácias, que são as células vermelhas do sangue,
são da ordem de 10 mícrons ou 10.000 nm. E o diâmetro
de um fio de cabelo, como você já sabe, pode medir cerca
de 100.000 nm. Veja a comparação de escala na Fig. 1.7.
Fig.
1.7 Dimensões
representativas de algumas espécies típicas, em suas várias
escalas. Um nanotubo de carbono é dez mil vezes mais fino do
que um fio de cabelo, porém, pode abrigar várias moléculas
em seu interior. Repare nos grupos hexagonais de átomos carbono,
alinhados em sua superfície.
KKKKAtualmente, estamos presenciando a
transição do universo micrométrico, para o qual
o chip nos trouxe, para o nanométrico, mil vezes menor. Por que
essa transição vem sendo considerada, por muitos cientistas,
como uma ruptura de paradigmas?
KKKKEm primeiro
lugar, pela abrangência. Não é exagero afirmar que
no universo nanométrico todas a ciências se encontram.
Átomos, moléculas e compostos tornam-se objeto de interesse
tanto dos químicos como dos físicos, biólogos,
médicos, engenheiros, cientistas de materiais, economistas, matemáticos,
advogados, ambientalistas, educadores, sociólogos, militares,
políticos, jornalistas e filósofos. Se você não
acredita, pense novamente a respeito, quando chegar ao final deste livro.
Mais excitante, porém, é que nesse universo está
o segredo da vida e, quem sabe, a passagem para um novo futuro.
KKKKDepois vem a questão filosófica.
No universo nanométrico fica ainda mais desafiante trabalhar
com as questões de espaço e tempo, energia e matéria.
Já próximo da escala atômica, vamos encontrar elétrons
movimentando-se em órbitas conservativas (sem perder energia),
com capacidade de cruzar barreiras intransponíveis e de estarem
em dois pontos ao mesmo tempo, contrariando o nosso aparente bom senso.
Realmente, nesse universo, a física clássica começa
a ceder lugar para a mecânica quântica, e assim, muito da
lógica e da observação convencional não
mais se aplicam.
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KKKKAbrindo
um parênteses, lembre-se que a luz é um fenômeno
eletromagnético, produzido por fótons que se propagam
como ondas, com máximos e mínimos que se repetem periodicamente,
no espaço e no tempo. O intervalo percorrido em cada repetição
é denominado comprimento de onda (l). A luz visível, que
abrange um intervalo insignificante do espectro eletromagnético,
apresenta comprimentos de onda na faixa típica entre 400 e 760
nm. Somente essa faixa de radiação consegue sensibilizar
os pigmentos visuais existentes em nossa retina, e é justamente
o componente mais rico do espectro solar que captamos, após atravessar
a atmosfera terrestre. Por que isso é relevante no momento? Acontece
que, pelas leis da física, a resolução máxima
da observação visual é limitada à metade
do comprimento de onda da luz utilizada, mesmo utilizando o microscópio
óptico mais avançado que existe. Isso restringe a utilização
da luz visível só até a escala micrométrica.
Então, se o microscópio óptico convencional perde
a sua utilidade no mundo nanométrico, como fazer para enxergar
os objetos nessa escala dimensional?
KKKKPor
escapar à percepção visual, as partículas
nanométricas podem ser incorporadas com vantagem em sólidos
e líquidos, sem comprometer sua transparência, embora modifiquem
significativamente as características físicas dos materiais
(Fig. 1.8). Esses nanomateriais já estão sendo aplicados
em lentes reflexivas que eliminam o brilho e ofuscamento excessivo dos
óculos sob iluminação forte (Fig. 1.9), bem como
em espelhos retrovisores de veículos automotivos.
Fig.
1.8 Veja como a incorporação de nanopartículas
de dióxido de titânio altera a resistência de um
plástico (epóxil), frente a um objeto cortante. A profundidade
média da ranhura no plástico sem qualquer tratamento (à
esquerda) é de 44 mícrons. Com a incorporação
de 10% de nanopartículas de dióxido de titânio,
o material sofre uma ranhura de apenas 28 mícrons.
Fig. 1.9 Agora
você pode tirar foto de óculos, sem ficar escondido do
reflexo da luz. Nanopartículas incorporadas às lentes
eliminam o brilho. Cortesia: Varilux
KKKKÉ
sempre bom destacar que a tecnologia baseia-se na funcionalidade dos
materiais, e vice-versa. Assim, nanotecnologia implica em nanomateriais,
isto é, materiais em que a funcionalidade se reduz a um tamanho
nanométrico. Em princípio, se fragmentássemos os
materiais até os seus limites, teríamos uma dispersão
de nanopartículas, tão pequenas que se misturariam facilmente
com um meio fluido, formando soluções coloidais, ou seja,
soluções que contém partículas de, no máximo,
dois micrômetros, portanto, invisíveis a olho nu. Poderíamos,
por exemplo, ter nanopartículas magnéticas que ficariam
suspensas em um líquido, formando um ferrofluido, onde todo o
meio responde à ação do campo. Por meio da modificação
dessas partículas com receptores químicos adequados, elas
poderiam se ligar a toxinas ou substâncias específicas
em nosso organismo, permitindo sua remoção ou descontaminação,
mediante a simples aplicação de um campo magnético.
KKKKAssociadas
a polímeros e resinas, as nanopartículas podem, ainda,
ser usadas na produção de novos materiais, denominados
nanocompósitos. Em termos econômicos,
o impacto dessa iniciativa será muito expressivo, pois as indústrias
de plásticos e polímeros movimentam US$300 bilhões/ano
só nos EUA, e representam um dos setores mais importantes da
economia global. Isso tem estimulado o aparecimento de empresas em nanomateriais,
como a Nanocor (Arlington Heights, EUA), que vem se especializando na
produção de partículas nanométricas de argila
e nanocompósitos para aplicações na área
de embalagens. Esses materiais são planejados para oferecerem
maior proteção contra umidade, vapores químicos
e solventes. Por meio da introdução de nanopartículas
de argila, os plásticos ganharão novas propriedades e
novos mercados também. Os nanocompósitos já começam
a ser usados nas garrafas, conferindo maior resistência e leveza,
além de diminuir a quantidade de plástico. Por outro lado,
a vida útil de bebidas em garrafas plásticas poderá
ser ampliada de 120 para mais de 180 dias. Desta forma, consegue-se
reduzir o custo e diminuir o impacto dos resíduos descartáveis
sobre o meio ambiente. Vários países, incluindo o Brasil,
apresentam reservas importantes de argilas de qualidade, que poderiam
ser exploradas para aplicações nessa área, contribuindo
para a economia e geração de empregos.
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KKKKOs
nanocompósitos também estão invadindo a indústria
automotiva e aeronáutica, substituindo componentes metálicos
mais pesados e de difícil trabalho por alternativas mais leves,
moldáveis e resistentes. Na realidade, os efeitos das nanopartículas
em polímeros já são conhecidos de longa data. A
eficiência dos pneus, por exemplo, está relacionada com
a presença de grandes quantidades de negro do fumo, que são
nanopartículas de carbono adicionadas à borracha. A Wilson,
tradicional fabricante de bolas de tênis, já está
produzindo bolas incorporando nanocompósitos, que aumentam a
qualidade e durabilidade do produto. Essas bolas foram adotadas como
oficiais na Copa Davis de 2002.
KKKKPolímeros
que incorporam nanopartículas capazes de bloquear radiações
ionizantes e de aumentar a resistência física vêm
sendo utilizados em trajes protetores e em missões espaciais
(Fig. 1.10), por causa da maior leveza, flexibilidade e conforto. Você
já tentou sustentar o peso de uma armadura medieval ou de um
escafandro?
Fig.
1.10 Roupa feita com o Demrom, o primeiro tecido à prova
de radiação do mundo.Ele oferece a mesma proteção
que o chumbo, mas com um peso muito menor.
KKKKEm
breve, nanopartículas de dióxido de titânio (Fig.
1.11) deverão invadir o mercado de protetores solares. Esse material
tem alto poder de absorção de radiação ultravioleta,
atuando como filtro solar (Fig. 1.12). Na forma de nanopartículas,
além da maior eficiência, desaparece o esbranquecimento
típico provocado pela luz espalhada após a aplicação
do protetor. A área de cosméticos, que movimenta cerca
de US$ 20 bilhões só nos EUA, já está empregando
nanopartículas e nanotecnologia visando uma melhor qualidade
dos produtos, não apenas do lado estético.
Fig.
1.11 Dióxido de titânio nanoparticulado. Cortesia:
Degussa
KKKKDe
fato, as nanopartículas permitem controlar o grau de penetração dos
cremes na pele, e podem ser tratadas quimicamente para auxiliar na remoção
de sujeiras e oleosidades, ou para manter a pele úmida. Essa estratégia
permite, ainda, a inclusão de fármacos nas nanopartículas para promoverem
a liberação lenta do produto para a pele. Nessa linha já existem investimentos
em produtos com hormônios (estrógenos) para aliviar os problemas da
menopausa e em cremes que garantem proteção imediata contra agentes
químicos ou biológicos, como o anthrax, por exemplo.
Fig.
1.12 Partículas de dióxido de titânio com
30nm estão sendo desenvolvidas para serem usadas em filtros solares,
elas tem alto poder de absorção dos raios U.V.
KKKKAlém
das novas propriedades físico-químicas, não deve
ser esquecida a enorme vantagem que a própria nanoescala confere
às nanopartículas e nanomateriais. Uma delas é
a maior área superficial. As nanopartículas proporcionam
maior quantidade de átomos ou sítios ativos na superfície,
intensificando a atividade de catálise ou de adsorção
(por exemplo, em filtros de carvão ativado). A respeito da importância
da área superficial, pense em como seria fazer um café
colocando os grãos no coador, em vez do tradicional pó.
O tamanho da partícula não faz diferença?
KKKKOutro
exemplo notável é dado pela simples comparação
das duas formas do carbonato de cálcio, uma obtida industrialmente
e a outra encontrada na concha marinha. O material industrial é
parecido com o giz e pode ser usado para essa finalidade. Por ser constituído
de um aglomerado desordenado de partículas relativamente grandes,
esse material é bastante frágil. Na concha temos um agregado
de nanopartículas de carbonato de cálcio, bem empacotadas
e coladas umas às outras por um filme nanométrico de material
protéico (Fig. 1.13). Com isso, sua resistência torna-se
3 mil vezes superior à do giz. Seguindo o mesmo raciocínio,
é fácil entender por que a qualidade nanométrica
proporcionada pelos materiais nanoestruturados deverá revolucionar
a área de cerâmica e de utensílios domésticos.
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Fig.
1.13 Dois exemplos de nanoestruturas de carbonato de cálcio
encontradas na concha. nas extremidades, onde estão as zonas
de crescimento, formam-se estruturas arrendondadas conhecidas como vaterita
(acima), que vão se convertendo gradualmente em cristais de aragonita
no interior da concha (abaixo). Essas estruturas tornam a concha três
mil vezes mais resistente do que o giz, que também é feito
de carbonato de cálcio. Cortesia: Dras Silvia Maria de Paula
e Marina Silveira, do Instituto de Física da USP.
KKKKA
Nanodyne (New Jersey) já está produzindo componentes mecânicos
para motores fabricados com carbeto de tungstênio nanoestruturado,
material que duplica a resistência e a durabilidade. Como no exemplo
da concha, a perfeição estrutural em nível nanométrico
reduz o impacto das falhas e fraturas na resistência dos materiais,
aumentando-lhes a vida útil.
KKKKIncorporados
em papéis, materiais nanoparticulados permitem a fixação
de mi-crogotas de tintas, de forma a minimizar a dispersão, aumentando
a resolução da imagem. Esse é o princípio
utilizado nos papéis fotográficos de qualidade. Nanopartículas
também têm melhorado o desempenho de lubrificantes, possibilitando,
em muitos casos, trabalhar a temperaturas elevadas, como em aeronaves
e missões espaciais. Revestimentos com nanopartículas
(Fig. 1.14) têm sido, ainda, aplicados em cascos de navios, para
reduzir a corrosão e o crescimento de cracas, além de
possibilitar um ganho de velocidade na navegação. Aplicações
semelhantes estão sendo cogitadas em tubulações
de gases e de petróleo, que ficam sujeitas a condições
drásticas, no fundo do mar e em regiões pantanosas, onde
a ação de agentes químicos, biológicos e
atmosféricos é implacável.
Fig.
1.14 A pintura sob o microscópio: mais brilho e menos
arranhado.
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