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Nanotecnologia: asa de borboleta, flor de Lótus e bilhões de dólares em perspectiva
17/09 12:06 :: João Carlos Fonseca

O que há em comum entre o fato da chuva não molhar a asa de uma borboleta, uma lagartixa passear pelo teto sem cair, uma gravata que até ketchup não suja e uma tela de TV superior a de cristal líquido ou de plasma? Quem tiver respondido nanotecnologia acertou. O cientista químico Henrique Toma, da USP, autor do livro "Um mundo nanométrico", ministrou fascinante palestra ao abrir o Ciclo de Nanociência do Fórum de Ciência e Cultura, da UFRJ.

Quem ouve nano pensa logo em algo pequeno, como nanico ou anão. Mas, os nanicos podem fazer coisas surpreendentes, é o que explicou em brilhante conferência o multipremiado cientista brasileiro Henrique Toma, um apóstolo da nanotecnologia e de suas aplicações. A nanotecnologia é o mundo do muito pequeno, do que acontece entre os átomos e moléculas, no qual efeitos quânticos passam a dominar outras leis como a da gravidade. Um nanometro (nm) é 10-9 metro. Em termos comparativos, uma dupla hélice de DNA mede 2 nm e os vírus – o menor ser vivo – ficam na faixa de 100 a 200 nm.

A natureza está repleta de coisas nano que são o mundo do espaço entre as moléculas e os átomos. Numa molécula de carbono, os átomos estão espaçados de 12 a 15 nm. Instrumentos e dispositivos foram desenvolvidos pelos cientistas para observar e manipular esse mundo. O mundo nano tem a característica de ser invisível a olho nu. Ele é, porém, o universo da cor. A superfície da asa de uma borboleta é uma estrutura de partículas sem pigmento. Enxerga-se a cor – azulada iridescente, no caso da borboleta morpho rethenor helena – devido a um padrão de reflexão e refração nas diversas camadas nanométricas das partículas. Os olhos azuis não têm pigmento. Sua “cor” azul provê do espalhamento da luz no olho.

Já o efeito lótus se refere à interação entre uma gotícula de água e a superfície nanométrica formada pelos átomos. A flor de lótus não apodrece na água porque a gota de água não "molha" a superfície da flor. O mesmo se dá na asa da borboleta que continua a voar feliz na chuva ou no inseto que parece andar sobre a água. As aplicações práticas desse fenômeno são muitas. É o caso da gravata que não mancha, da colher antiaderente à prova de mel ou dos tecidos que não sujam. E ainda tem mais, explica Henrique Toma, com entusiasmo.

O denominado efeito lagartixa permite que o “lagarto Jesus” literalmente caminhe sobre as águas ou que a lagartixa ande no teto. A pata do minirréptil é formada por nanoestruturas (digamos, pelinhos ou tubinhos nanométricos). Elas se valem das forças nanométricas de van der Waals. Estas são forças (co-valentes) de atração e repulsão interatômicas, como qualquer aluno se preparando para o vestibular sabe. São forças comparativamente fracas (10-7 Newtons) em relação à atração das valências químicas entre átomos para formar moléculas. Mas, são essas pequenas forças somadas que permitem a uma lagartixa ficar grudada no teto ou andar sobre a água. Há pesquisa para se sintetizar esse efeito. A idéia é criar, na prática, uma família de “colas” superadesivas.

O tubarão tem nanoescamas que o faz deslizar suavemente no oceano. As nanoestruturas, apesar de pequenas, podem ser mecanicamente muito resistentes. O mesmo material que faz um giz quebradiço (o cálcio), pode gerar uma concha superresistente ou uma raquete de tênis leve e sólida. Uma bicicleta feita de material com nanotubos de carbono pode ser extremamente resistente e, no entanto, pesar apenas dois quilos. Ainda na área do cálcio, uma simples injeção de compostos nanométricos pode substituir implantes para regenerar falhas em ossos.

O mundo do pequeno

“Uma célula viva é um mundo de máquinas químicas, incluindo RNA, DNA, ribossomos e membranas plasmáticas”, explicou o conferencista. Um importante fenômeno é o da fotossíntese. Ele permite transformar energia luminosa em energia química. Em 1997, a dupla Boyer e Walker ganhou o Nobel de Química com o mecanismo enzimático da síntese do trifosfato de adenosina (ATP), responsável pela transferência de energia intracelular. Pela fotossíntese, a partir de bióxido de carbono e água, se produz glicose e oxigênio. Vale dizer, energia. Plantas, algas e certas bactérias sabem disso. Hoje, já se pode produzir a fotossíntese artificial (ATP) com rendimento de 7%.

Segundo Henrique Toma, “se a microeletrônica revolucionou o mundo, a nanotecnologia o fará muito mais. Vão surgir a nanoquímica, os nanoplásticos, os nanotêxteis, a nanoeletrônica e até os nanocosméticos. É um mundo tão amplo que dificilmente nos damos conta de sua existência que está na natureza e que o homem quer reproduzir”. Uma faca de cozinha com fio de corte nanométrico será superafiada. Pode até ser perigosa, pois basta que ela encoste na pele e já estará cortando.

No mundo nano, a superfície da partícula é maximizada. Isto lhe dá propriedades distintas do mundo macro. A superfície nano faz com que, por exemplo, os átomos falem melhor entre si e passem a interagir em cooperação. O nanoalumínio não é mais um material inerte como o metal alumínio e passa a ser um perigoso explosivo. A nanoplatina – a platina e o ouro são inertes – passa a ser um poderoso catalisador, acelerando a velocidade das reações químicas.

O físico norte-americano Richard Feyman, considerado o guru da nanotecnologia, com sua palestra “Há muito espaço lá em baixo”, esteve em 1959 no Brasil, junto a Cesar Lattes (o homem do méson pi). A Feyman se credita a idéia da criação de dispositivos em escala molecular que permitiriam “escrever toda a Bíblia na cabeça de um alfinete”. Já o alemão Gerd Binning e o suíço Heinrich Roher, da IBM, ganharam o Nobel de Física de 1986 pela descoberta do microscópio não-óptico STM (scanning tunneling microcospe), que permite visualizar e manipular átomos na superfície de partículas e ajudaram a desenvolver a nanotecnologia.

O aparelho STM tem um estilete tão agudo – que fica apenas alguns nanômetros do material sendo observado – que sua ponta tem somente um átomo. Já é possível prever a chegada do CD-ROM nanométrico, que vai ter uma capacidade de armazenamento na ordem de grandeza maior que os atuais dispositivos. Balanças nanométricas permitem pesar variações de 10-15 grama.

Fótons, fonons e plasmons

Fótons e fonons são entendidos no mundo quântico como “quase partículas” referentes à luz e ao som. O plasmon é a “quase partícula” referente às oscilações do plasma (nuvens de elétrons separadas de seus átomos). O plasma é utilizado como uma das tecnologias para telas de televisores Os fótons são a base da optoeletrônica, envolvendo lasers e fibras ópticas. Foi descoberto que as propriedades de fótons e plasmons podem ser derivadas das equações de Maxwell, que regem os fenômenos eletromagnéticos ondulatórios.

Os plasmons permitem entender as propriedades óticas dos metais. Luz de comprimento de onda abaixo da freqüência de plasma são refletidas e acima são refratadas. Isto faz mudar a percepção de cor de um metal. Numa aplicação de plasmons, o Museu Britânico mostra a “Taça de Lycurgo”. Esta taça é feita de um vidro dicróide que incorpora nanopartículas de prata e ouro. Vista do exterior, a taça apresenta a figura mitológica de Lycurgo, nela gravada em verde. Iluminada do interior, a figura muda para o avermelhado.

O físico alemão Gustavo Mie, em 1908, estudou o espalhamento (scatter) das ondas eletromagnéticas (a luz é uma dessas ondas) em meios coloidais (vale dizer, de partículas muito pequenas) e com isso explicou as cores do arco-íris e outros fenômenos. O máximo de absorção da luz coincide com a cor da sustância. No mundo macroscópico, o ouro é amarelo. No mundo nanométrico, ele é vermelho. Mas, tudo isso será prático? Sim; as nanopartículas, quando se reconhecem, mudam de cor. Tal fenômeno serve de base para análise clínicas e sensores.

Outro efeito nanométrico é o Sers (surface enhanced Raman spectrum). O efeito Raman, descoberto em 1922 pelo cientista indiano de mesmo nome – ganhou o Nobel de Física de 1930 –, explica como a luz interage de modo quântico com a matéria. É o efeito Raman que permite a amplificação utilizada em sistemas de fibras ópticas. Com base no Sers dá para fazer a espectrografia de uma amostra, praticamente, de uma só molécula. O método permite detectar amostras mínimas de material – uma benção para a polícia técnica – e também possibilita a espectrografia vibracional que permite avaliar a posição das moléculas no tempo.

Na mesma ordem de coisas, os nano-orifícios – como numa lâmina de ouro – são importantes, visto que os átomos se acoplam e refazem no verso da lâmina, a luz que recai sobre ela, amplificando a luz. Tal efeito encontra aplicação em sondas nanométricas e dá para estudar o DNA com luz e com uma simples lâmina de ouro perfurada. A nanotecnologia e a luz trazem um novo conceito de pigmento para tintas que passam a ser atóxicas e que valeu o Prêmio Abrafit de 2006 ao cientista da USP.

Explicou Henrique Toma que o uso de nanopartículas plasmons, aliado ao da prospecção eletromagnética, dá início a uma nova fotônica. Outra aplicação é a interação de nanopartículas em fluidos eletromagnéticos. Uma aplicação será borrifar óleo em micropartículas e usar o magnetismo para separá-las. Com um ímã, será possível retirar a enzima de um catalisador e reutilizá-la. Como a enzima é a parte caríssima do processo, o preço dos catalisadores vai cair com as enzimas sendo regeneradas nanometricamente. Na área biomédica – a nanotecnologia pode ser perigosa pelo seu alto poder de interação entre partículas –, uma nanopartícula magnética coberta com uma matéria fotossensível permite uma terapia localizada. É a hipertermia localizada contra o câncer.

Nanotubos e nanomateriais

O mais célebre dos nanotubos – uma configuração de átomos nanométrica – é o do carbono; e sua configuração alotrópica mais cobiçada é o diamante. Os nanotubos de carbono conduzem a eletricidade dez vezes melhor que qualquer metal e são superresistentes e leves. Uma armação de óculos com nanopartículas embutidas no plástico fica impossível de ser riscada. Nanomateriais podem ser impermeáveis a gazes. Poderão ser utilizados em sacos para armazenar alimentos por muito mais tempo. Namomateriais podem ter características antichama e vão permitir vidros autolimpantes (a poeira não gruda).

Relembrou o conferencista que os famosos filtros do processo Salus, com um revestimento negro de prata coloidal antibacteriana, foi descoberto nos anos 20 por Roberto Hottinger Barbosa, da Escola Politécnica da USP. O processo fazia uso da ação oligodinâmica (oligo = poucos) dos metais como instrumento antibacteriano. A ação de nanopartículas de prata vai encontrar uso na assepsia de hospitais em catéteres, lençóis e até na conservação de alimentos. Já existe o refrigerador revestido internamento de camada nanométrica que previne o “cheiro de geladeira”.

A nanotecnologia vai dar nascimento à nanocosmética. O alvo da atual cosmética é a camada exterior da pele que ela “encharca” com produtos que enganam a luz mudando a cor da pele. O nanocosmético vai utilizar quantidades bem menores de partículas que terão penetração bem maior na derme. Também já existem as nanocápsulas que vão liberar quantidades controladas de produto. Os protetores solares com nanopartículas vão proteger muito mais contra as radiações UV tipo A (ultravioleta a 400 nm) que penetram na pele e modificam os genes das células gerando o câncer de pele. Já se desenvolve um dosímetro, tipo crachá, cuja cor será função da exposição cumulativa aos raios ultravioletas. As nanomembranas vão servir para filtragem para partículas.

Nanoeletrônica

No mundo nanométrico surgem os OLEDS (organic light-emitting diode), utilizado em telas para televisores, celulares e painéis. Os OLEDS são LEDs (light-emitting diode) com um filme orgânico que lhe dá a eletroluminescência. Em relação às telas de cristal líquido (LCD), os OLEDS não precisam de iluminação traseira (back light) e sua cor varia com o potencial elétrico aplicado. Uma aplicação da nanotecnologia são materiais (vidros) que mudam de cor e transparência conforme o potencial elétrico que recebem.

Prosseguindo, explicou o conferencista da USP que as células de combustível com membranas nanométricas vão gerar energia elétrica. Na China, excrementos de porco geram metano, que é utilizado como biocombustíveis alimentando células que geram energia elétrica. Outra aplicação interessante é a utilização do próprio organismo humano como fonte de energia numa célula bioelétrica, que poderá ser utilizada para sustentar um telefone celular sem o uso de baterias convencionais.

O mundo da eletrônica das válvulas termoiônicas passou para o dos transistores e da microeletrônica. Em breve, será a vez da nanoeletrônica. A microeletrônica trabalha com raias de 45 a 65 nm e 40 milhões de transistores. Atualmente, para operar 1 bit, utilizam-se 8 átomos de material semicondutor. A microeletrônica de hoje é o da lógica binária, tendo como pilares as portas lógicas NAND (só dá 0 se ambos inputs são 1) e NOR (só dá 1 com ambos inputs 0). O cérebro humano, em comparação, é muito mais complexo. Nele, são as moléculas que fazem a computação num ambiente molhado. A computação no cérebro humano é paralela e tridimensional, estimando-se em 1017 operações, que são ordens de grandeza maior que a mais avançada máquina computacional.

O que se pesquisa na USP sobre o mundo nanométrico é o uso da célula fotoeletroquímica com dois lasers como porta lógica. A idéia é se chegar a um computador que seja acionado pela luz – não precisando ligar na tomada – e que também produza eletricidade. Segundo Henrique Toma, a nanotecnologia vai ajudar a resolver os desafios do século XXI, dentre eles, energia, água, agricultura, doença, poluição, medicamentos, alimentos e controle de pestes.

Pensamentos

Ao final da palestra, o debate foi franqueado. Eis, a seguir, algumas considerações do conferencista:

“A tecnologia nano, como tudo, é um mundo com coisas boas e algumas ruins. É verdade que no mundo nano, as partículas não reconhecem invasores e se confraternizam, e que as reações químicas são imediatas. O pó de alumínio explode. Na química, porém, há as moléculas inofensivas e as perigosas. Na I Guerra Mundial, o cloro – cujo inventor ganhou até um Nobel – foi utilizado maciçamente para neutralizar o inimigo. A indústria de cosméticos, hoje, é nano, mas não diz. A fuligem é nano e faz parte da natureza. O asbesto que vem de uma pedra é perigoso se inalado. A nanotecnologia é uma química atenuada e até menos perigosa".

“Os países desenvolvidos, bem como a China e a Coréia, estão avançados na nanotecnologia. A comunidade científica, aqui, vive um momento crítico. A nossa comunidade está cega frente a esse novo mundo. A população precisa ser instruída sobre o mundo nano. A nanotecnologia exige maquinário, que só as multinacionais podem possuir. Com uma lâmina de ouro com nanofuros, já dá para fazer muita coisa e no Brasil há muitas fontes de argila namométrica. Toda a fortuna de um Bill Gates não seria suficiente para adquirir 1 kg de nanopartículas enzimáticas.”