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A revolução da nanotecnologia

O Brasil está entre os quinze países do mundo mais desenvolvidos em nanotecnologia. Essa é talvez a melhor notícia que se poderia dar no início de um novo ano, como prova a entrevista do professor Henrique Toma, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP).2

Ethevaldo Siqueira

02 Janeiro 2011 | 07h18

Imagine tecidos que não molham, não sujam, nem mancham. São os nanotecidos. Ou o alumínio, transformado num pó finíssimo, o nanoalumínio, que é um perigoso explosivo. Ou o ouro manométrico, que tem propriedades surpreendentes, a começar de sua cor avermelhada. A prata em nanopartículas é um dos mais poderosos bactericidas. Os nanocristais de óxido de zinco permitem a fabricação de telas ou filtros solares invisíveis e que bloqueiam a luz ultravioleta.

Assim é a nanotecnologia, uma ciência com jeito de magia. Altamente interdisciplinar, ela associa física, química, eletrônica, biologia, ciência dos materiais e praticamente todas as disciplinas da engenharia. Seu impacto na economia e na vida humana poderá superar, talvez, o da microeletrônica e o da biotecnologia. Por tudo isso, ela deverá ser o grande diferencial entre as nações desenvolvidas, por volta de 2020, na opinião de muitos cientistas.

A boa notícia é que o Brasil já domina vastos segmentos da nanotecnologia. E está, seguramente, entre os 15 países mais desenvolvidos do mundo nessa área. Uma posição, aliás, bastante parecida com a alcançada quanto ao seu desenvolvimento científico em geral. Essa é a avaliação do professor Henrique Eisi Toma, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP), um dos mais respeitados cientistas do País nessa especialidade.

No laboratório da USP trabalham 20 pesquisadores doutores (PhDs), sob a liderança do professor Toma, envolvidos na pesquisa e no desenvolvimento de aplicações das propriedades revolucionárias dos nanomateriais, nanopartículas e nanomoléculas. Esse laboratório já conquistou mais de uma dúzia de patentes apenas em 2010.

A USP não é a única universidade com pesquisas avançadas em nanotecnologia. A Universidade de Campinas, Unesp e Universidade Federal de Minas Gerais e a PUC Rio, entre outras, já desenvolvem há alguns anos seus projetos e revelam surpreendentes avanços nessa área. 

O Brasil conta hoje com mais de 500 pesquisadores nesse setor de vanguarda. Na indústria, a experiência brasileira já apresenta os primeiros bons resultados. A Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa) conta com um grande laboratório especializado. Diversas empresas privadas se dedicam a essa área, entre as quais, a Rhodia, a Brasken e a Plásticos Mueller, as três no Estado de São Paulo, além de outras em todo o País.

Comportamento da água

Até o comportamento de uma gota de água é afetado pela nanotecnologia (foto Divulgação)

No ínicio, quase ficção

Nanotecnologia é a ciência das coisas muito pequenas. Nánnos é a palavra grega que quer dizer anão. É a raiz etimológica de nanico, nanismo, nanocefalia e de palavras que representam submúltiplos, como nanômetro, nanograma, nanossegundo, entre muitas outras.

O mundo nanométrico é o das partículas que têm menos de 100 nanômetros ou 100 bilionésimos do metro. Um nanômetro (nm) equivale a um bilionésimo do metro (0,000.000.001 m).

Imagine, leitor, a reação da plateia de cientistas, integrantes da Sociedade Americana de Física, no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), ao ouvir pela primeira vez, há 51 anos, o físico norte-americano Richard Feynman falar das possibilidades da nanotecnologia, no dia 29 de dezembro de 1959, em palestra cujo título era: Existe muito espaço nas profundezas (There’s plenty of room at the bottom). A palavra nanotecnologia, entretanto, foi cunhada pelo professor japonês, Norio Taniguchi, em 1974.

Um dos recursos decisivos para o progresso da nanotecnologia foi a invenção do microscópio de tunelamento por varredura pela dupla de cientistas da IBM, o alemão Gerd Binnig e o suíço Heinrich Rohrer, ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 1986. Esse microscópio tornou possível a manipulação de átomos e moléculas. Contemplar a imagem de átomos nesse microscópio é uma experiência inesquecível e de impacto.

A beleza e a resistência dos nanotubos

O prof. Henrique Toma, da USP, atrás de um modelo de nanotubo de carbono (fotoDivulgação)

Uma das estruturas nanométricas mais interessantes são os nanotubos de carbono, descobertos em 1991 pelo cientista japonês Sumio Iijima, e cujas propriedades são surpreendentes quanto à leveza, resistência e condutibilidade elétrica. Como o diamante, o grafite e carvão, os nanotubos são formas alotrópicas do carbono que já estão sendo empregadas na confecção de materiais de alta resistência e dispositivos eletrônicos para sensoriamento. O arredondamento dos nanotubos de carbono conduz aos fullerenos (foto), que são nanoesferas perfeitas onde os átomos formam arranjos pentagonais e hexagonais, como uma bola de futebol.

A beleza e funcionalidade dessas bolas de carbono proporcionaram a seus descobridores Robert F. Curl, Harold W. Kroto e Richard E. Smalley o Prêmio Nobel de Química de 1996. Além dessas nanoestruturas, o carbono ainda forma filmes perfeitos denominados grafenos. Esses materiais são os condutores elétricos mais finos conhecidos atualmente, e suas possibilidades de uso na eletrônica são imensas. Seus descobridores, dois jovens pesquisadores russos Andre Geim e Konstantinv Novoselov, atualmente na Universidade de Manchester (Inglaterra), foram laureados com o Prêmio Nobel de Física de 2010.  Na USP, o laboratório do professor Toma está  associando essas nanoestruturas de carbono com nanopartículas magnéticas, o que amplia enormemente as possibilidades de sua utilização.

O Brasil já conta com diversos avanços e pesquisas nessa área, porém estão sob cláusula de sigilo da Petrobrás. O professor Toma se dispõe, “algum dia, a falar a respeito”. 

A natureza inspira quase tudo

Uma das maiores fontes de inspiração da nanotecnologia é a natureza. Eis alguns exemplos visuais de natureza nano: as cores do arco-íris e das asas da borboleta, as gotas de orvalho resvalando livremente sobre as folhas da planta loto (lótus), a forte aderência das patas da lagartixa em superfícies lisas, e o brilho iridescente  das conchas e madrepérolas. Que relação há entre eles? A resposta é simples: todos têm como denominador algum fenômeno típico do mundo nanotecnológico, que explica não apenas seu comportamento como suas propriedades, a exemplo das  cores exóticas, dureza, repulsa à água e outras características.

Não é sem razão, portanto, que a maioria das descobertas da nanotecnologia tem relação com algum fenômeno da natureza. Vejamos o caso da planta aquática loto. Sobre ela, gotículas brilhantes de orvalho ou de chuva ficam dançando, pois a água não consegue ficar parada sobre a superfície de suas folhas e acaba carregando todos os detritos de sujeira, num exemplo natural de material autolimpante. A indústria aproveita essa propriedade para criar tecidos ou outros produtos que repelem a água ou por ela têm afinidade.

A nanotecnologia nos ensina a colorir sem pigmentos ou tintas, graças ao fenômeno da difração da luz, produzido por materiais nanoestruturados.  Esses materiais atuam como uma rede de difração que só deixa passar a luz de um comprimento de onda que coincida ou for múltipla do espaçamento das unidades repetitivas desse material.

Também nesse caso a indústria já trabalha com a utilização de cores nano, para produzir revestimentos coloridos sem o uso de pigmentos. Ou com materiais que mudam de cor por estímulos físicos ou químicos, como no chamado efeito camaleão, propriedade que é empregada nos chamados cristais fotônicos, que exibem diferentes cores em função de uma voltagem aplicada, para uso em propaganda, nos grandes paineis externos ou outdoors.

Biomoléculas ou nano-robôs?

Um velho sonho dos cientistas tem sido produzir máquinas em escala molecular, ou seja, nano-robôs. O cientista norte-americano, Eric Drexler, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), um dos maiores entusiastas das possibilidades da nanotecnologia, foi um dos primeiros a sugerir a construção dos nano-robôs. Ele imaginou a construção de uma máquina montadora universal, concebida para a manipulação de átomos um a um, possibilitando a construção de estruturas e replicadores que fariam múltiplas cópias de si mesma.

Até hoje, a ciência não conseguiu criar robôs em escala manométrica. E talvez não venha a consegui-lo nos próximos 30 anos. A natureza, no entanto, tem algo melhor e mais prático do que nano-robôs, diz o professor Henrique Toma: “O melhor exemplo de nanomáquina conhecida está dentro de nós: são as biomoléculas. São elas que impulsionam a vida. Drexler não explorou adequadamente o fato de as menores máquinas e sistemas de memória serem biológicas, como é o caso do DNA (ácido desoxirribonucleico)”.

Rumo à nanoeletrônica

As telas de LED orgânico (OLED) produzem as mais belas imagens de TV (foto Ethevaldo Siqueira)

Por volta de 2025, a nanotecnologia ingressará no mundo da eletrônica, ou melhor, da nanoeletrônica, com a produção de nanochips, na era pós-silício. Conforme preveem os especialistas, em cerca de 15 anos, a microeletrônica chegará aos limites da tecnologia de silício e precisará dar um grande salto nanotecnológico, para produzir chips ainda menores, mais complexos e mais poderosos do que os mais avançados de hoje. É provável que nessa mesma época, a ciência terá criado as nanobaterias, capazes de fornecer 100 vezes mais energia do que as baterias atuais.

Bem antes dos nanochips, teremos já em 2011 avanços como o dos monitores de vídeo com a tecnologia dos LEDs orgânicos, ou seja, dos diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs, de Organic Light Emitting Diodes), que trarão nova beleza às imagens de alta definição da TV digital.

Por volta de 2030, entretanto, o mundo deverá chegar à redução extrema das dimensões dos componentes para a escala molecular. “Aí, então – prevê o professor Henrique Toma – a nanotecnologia e a eletrônica deverão passar do mundo inorgânico para o orgânico ou biológico”.

Adeus fibras ópticas

Num mostruário, o professor Henrique Toma exibe tubos e frascos com amostras de nanopartículas de ouro, dissolvidas em água. Uma pequeníssima quantidade desse líquido já dá a coloração avermelhada característica. A eletrônica do futuro deverá utilizar muito esse ouro nanométrico, pois cada nanopartícula de ouro tem muitos elétrons em sua superfície. Quando a luz incide sobre esses elétrons, eles se propagam como ondas. É esse efeito da luz que produz o espalhamento luminoso, um fenômeno fascinante aos olhos do cientista.

Outro efeito interessante ocorre quando duas partículas de ouro nanométrico se juntam: a luz muda de cor e passa de vermelho para azul.Isso ocorre porque os elétrons dessas partículas começam a trocar informações. Nesse momento, a luz se propaga por intermédio dessas nanopartículas. É um fenômeno típico do estado de plasma. “Prevejo, então – diz o professor Henrique Toma –que, num futuro próximo, não usaremos mais fibras ópticas. Faremos um circuito de nanopartículas e a luz será distribuída em todo o percurso delas”.

A grande vantagem do ouro nanométrico sobre a fibra óptica é que ele é fenômeno químico, enquanto a fibra é uma coisa física, com certas limitações, como a falta de um meio de controle, exceto mudar o percurso da luz.

Com o ouro nanométrico, podemos aprisionar a luz, desviá-la, multiplicar sua frequência, mudar, portanto, sua cor. Poderemos fazer quase tudo que quisermos com a luz.

As lições das conchas

Uma das paixões do professor Toma é estudar as conchas, que ele considera uma das maravilhas da natureza. “Algumas têm pigmentos como o caroteno, o mesmo que dá a cor avermelhada da cenoura. Como explicar a presença de um material orgânico numa estrutura como essa, de carbonato de cálcio? É que existe uma camada orgânica muito bem organizada nas conchas que faz com que os cristais de carbonato de cálcio se alojem dentro dessas estruturas, conferindo-lhes essa rigidez”.

O aspecto mais interessante desse material das conchas está no nacre ou nacrita, uma variedade de caulim, que, quando examinado ao microscópio, mostra toda a sua nanoestrutura. E mais: pode ser substituído por fosfato (no lugar do carbonato de cálcio), formando uma espécie de matriz óssea.

Sobre esse material tratado com fosfato, os cientistas fazem crescer células-tronco, pois ele é um material natural, como se fosse um pedaço de osso. Com ele, são feitos implantes, tanto para restauração óssea, quanto para a produção de células-tronco de várias tonalidades.

Até há pouco, a ciência não compreendia por que as conchas são tão rígidas, nem por que elas exibem tanta variedade e tanta mudança de cores, além de outras características.

Um inesperado mar de petróleo

A nanotecnologia poderá, talvez, duplicar a produção das jazidas de petróleo conhecidas em todo o mundo. Mesmo naquelas consideradas esgotadas. Com tecnologia atual, a indústria não extrai mais do que 30% do petróleo das jazidas, porque 70% do óleo permanece no subsolo, impregnado nas rochas, em especial naquelas formadas de carbonato de cálcio (CaCO3), como um líquido dentro de esponjas.

O Brasil se prepara para retirar o máximo possível desses 70% de petróleo que ainda permanece nas jazidas. A USP desenvolve uma pesquisa, pioneira no mundo, que pode ter impacto revolucionário, visando à retirada do petróleo contido nas rochas porosas, com financiamento da Petrobras.

E deverá conseguir esse objetivo, graças a uma propriedade da magnetita, um minério de ferro muito conhecido. Embora se pareça com os demais óxidos de ferro, só a magnetita tem propriedades magnéticas que interessam para essa aplicação, porque esse pó adere ao petróleo, que se transforma, assim, em uma mistura magnética, passível de ser atraída por um ímã. A ideia central dos pesquisadores da USP é extrair o petróleo das entranhas porosas de carbonato de cálcio usando nanopartículas de magnetita ou um processo semelhante.

Será algo como usar um super ímã, que, aliás, já existe. O minério sintetizado, em nanoescala, como um pó finíssimo, apresenta um grau de magnetização extremamente elevada.

Aplicações do super ímã

Além da possibilidade de viabilizar a extração de petróleo das rochas porosas, esse nanopó de magnetita deverá ter grandes aplicações em biotecnologia e medicina.

Um dos problemas da engenharia genética hoje em dia é o reaproveitamento das enzimas após a catálise. Não há como recuperar a enzima. Ela fica no meio daquela massa. A solução encontrada consiste em imobilizar a enzima nessas partículas de magnetita. No final, concluído o processo catalítico, a enzima é capturada com um ímã minúsculo, para ser usada novamente em outro processo.  

Se o pesquisador consegue usar duas vezes a enzima, seu preço cai pela metade. Se conseguir utilizar 10 vezes, o custo será de um décimo do atual. Do ponto de vista econômico é algo extraordinário.

Na medicina, uma aplicação possível será usar esse pó magnético para conduzir, orientar e controlar a liberação de medicamentos, para que eles atuem em locais específicos do corpo humano. Ou para ação prolongada em determinado órgão ou local do organismo, pelo tempo necessário. Vale lembrar que o óxido de ferro não causa nenhum dano ao paciente, pois o organismo o elimina.

Esse nanopó magnético já é usado para melhorar a imagem dos exames feitos por tomografia. A resolução se torna as imagens até 100 vezes melhor do que as convencionais. A USP já patenteou tanto o processo como o pó nanométrico de magnetita, desenvolvido nos laboratórios do Instituto de Química da USP. Seu preço não ultrapassa alguns centavos o grama. Em breve ele substituirá o material hoje utilizado, muito mais grosseiro – e que custa de US$ 1.700 (ou R$ 3 mil) por mililitro. Uma grande enorme economia.

Pesquisas em curso no Hospital das Clínicas de São Paulo testam outras aplicações possíveis desse pó nanométrico de magnetismo em medicina, inclusive no diagnóstico de células cancerosas.

Um sensor sobre a pele

Outra experiência em medicina é a do uso de nanofios, como sensores, sobre a pele. Se apanharmos dois nanofios de carbono e os colocarmos na pele, o paciente nem sente. Os fios entram em contato com todo o sistema sanguíneo, sensoriam açúcar e oxigênio, medindo sua concentração. O mais interessante, no entanto, é que o oxigênio e o açúcar que existem no sangue são suficientes para alimentar uma célula de combustível (nanobateria), que pode ser colocada como se fosse um pequeno selo sobre a pele. Qualquer dispositivo que houver nesse selo funciona com a energia do próprio organismo.

Esse selo pode fornecer muitas informações sobre nosso organismo, como temperatura, teor de aminoácidos, teor de açúcar. Ou seja, esses sensores poderão dizer como está nossa saúde. A energia para esse selo funcionar será fornecida por essas biocélulas de combustível.

Nanotecnologia e biotecnologia constituem uma aproximação muito promissora. Graças às técnicas nano, os cientistas já podem conhecer com muito maior segurança e rapidez as informações contidas no DNA, bem como decodificá-las, crivá-las, remendá-las e enxergá-las. Nada disso é ficção, pois essas nanoferramentas já existem.

A prata que salva milhões

Como revestimento antibacteriano na face interna dos potes, talhas e moringas de cerâmica, a prata coloidal salvou milhões de vida no Brasil e no mundo. Essa técnica, denominada processo Salus de esterilização da água, foi introduzida por  Robert Hottinger, professor de bioquímica da antiga Escola Politécnica, que atualmente faz parte da USP, nas décadas de 1910 e 1920,  muito antes que o mundo soubesse o que é nanotecnologia.

A USP vem aprimorando ainda mais esse processo, incorporando a prata a membranas de plástico (polímero). É curioso o fato que o revestimento criado por Hottinger acabou em desuso nas últimas décadas, provavelmente porque  muita gente se recusava a comprar os potes e moringas de barro revestidos a tinta de prata coloidal, por achá-los  feios devido à sua cor interna preta. Hoje, as nanopartículas de prata estão retornando, incorporados em películas e recipientes de plásticos, exatamente por causa de sua propriedade antibacteriana. Nessa forma, a suposta toxicidade decorrente da exposição a pequenos teores de prata, tem sido por vezes questionada, principalmente por órgãos reguladores, como a Agên cia Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa). O professor Toma lembra, entretanto, que os talheres e utensílios de prata sempre foram empregados no uso doméstico, sem maiores consequências. Os plásticos ou polímeros antibacterianos, embora contenham menos de 1% de prata, podem fazer a assepsia total de tudo que for colocado sobre sua superfície. É algo muito econômico. Além de estar impregnada no polímero, a prata impede a formação do biofilme, onde as bactérias se alojam.

A indústria poderá produzir com vantagem saquinhos de plástico reutilizáveis, para viagem, frascos e embalagens para leite, saquinhos de soro e outras bolsas plásticas, que garantem a esterilização total desses utensílios e maior durabilidade.

Fonte: https://economia.estadao.com.br/blogs/ethevaldo-siqueira/a-revolucao-da-nanotecnologia/

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