O 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?


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Em 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.