Da nanotecnologia à nanociência
As tecnologias que usam objetos nanométricos existem há centenas de anos.
O termo nanotecnologia ganhou popularidade nas décadas de 1970 e 1980, mas as tecnologias que usam objetos pequenos ou “nanodimensionados” existem há séculos. Centenas de anos antes de este termo moderno ser criado, os cientistas usavam as propriedades descritas para fabricar produtos de ponta e explorar o mundo à sua volta. Partículas nanométricas foram recentemente descobertas em artefatos que datam dos séculos XVI e XVII, e a nanociência da era iluminista influenciou a pesquisa avançada e de alta tecnologia da atualidade.
Detalhe de uma imagem europeia do vidro colorido de St. George do início do século XV. (Fonte: Biblioteca de arte de Bridgeman)
Artesãos medievais descobriram, por meio de experimentos alquímicos, que a adição de cloreto de ouro ao vidro derretido resultava em um tom avermelhado e a adição de nitrato de prata tornava o vidro amarelo. A técnica atingiu seu auge durante o século 16 até o século 18 e resultou em alguns dos mais espetaculares vitrais do mundo. Recentemente, os cientistas analisaram vitrais desta época e descobriram que a técnica, possivelmente datada do século X, funcionava devido à nanotecnologia; a análise do vitral revelou que nanopartículas de ouro e prata, atuando como pontos quânticos, refletiam a luz vermelha e amarela, respectivamente.
Do século XII ao século XVIII, os metalúrgicos do Oriente Médio também praticavam uma forma de nanotecnologia. Usando lingotes de aço importados da Índia, os metalúrgicos de Damascena forjaram lâminas mais afiadas e mais duráveis do que as lâminas ocidentais, especialmente as dos cruzados. O processo exato para produzir essas lâminas altamente valorizadas permaneceu um segredo comercial bem guardado, transmitido apenas de professor para aprendiz. Cientistas e historiadores postularam que, à medida que as minas de aço indianas se esgotavam, a mineração se deslocava para outro lugar e, eventualmente, os lingotes não tinham mais a composição específica necessária para produzir aço de Damasco. Como o método não funcionava mais, foi perdido com o passar do tempo. Em 2006, cientistas de materiais, usando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução, encontraram traços de nanotubos de carbono e nanofios presentes nas lâminas de aço de Damasco. Eles teorizaram que esses nanofios, encapsulados pelos nanotubos de carbono, eram responsáveis pela lendária nitidez e durabilidade do aço de Damasco.
No final do século XIX e início do século XX, os industriais usaram o negro de fumo, que desde então tem sido descoberto como um nanomaterial. Na virada do século, os cientistas descobriram que o negro de fumo poderia reforçar a borracha e, assim, melhorar sua resistência, propriedades de tração e resistência a rasgos e abrasão. O negro de fumo também aumentou a dureza da borracha natural vulcanizada. Os fabricantes logo aplicaram essa descoberta comercialmente. Em 1910, a BFGoodrich começou a adicionar cargas de negro de fumo para prolongar a vida útil de seus pneus, e hoje praticamente todos os pneus automotivos são reforçados com negro de fumo. Recentemente, cientistas descobriram que as propriedades de reforço do negro de fumo podem ser atribuídas à interação entre a borracha e o grão das partículas de carbono nanométricas.
Em todos esses casos, os fabricantes não sabiam que estavam usando o que hoje chamamos de nanotecnologia, e os princípios científicos por trás dessas tecnologias não foram totalmente compreendidos até muito mais tarde. No entanto, se olharmos atentamente para a história, há casos em que a teoria científica foi compreendida antes do desenvolvimento da aplicação – um modelo que os atuais nanotecnólogos e cientistas de materiais emulam.
Os cientistas teorizaram que os nanofios, encapsulados por nanotubos de carbono na lâmina, eram responsáveis pela lendária nitidez e durabilidade do aço de Damasco.
Em 1773, Benjamin Franklin escreveu uma carta ao médico e químico inglês William Brownrigg que detalhava suas observações sobre os efeitos do petróleo na água. Em sua carta, Franklin descreve uma viagem no mar na qual ele observou que a água gordurosa jogada pelos cozinheiros do navio tinha um efeito calmante na marola do navio. Franklin soube que o efeito calmante do óleo na água era de conhecimento comum dos marinheiros, mas ninguém entendia realmente como isso funcionava. Depois de chegar à costa em Londres, o intrigado Franklin conduziu um experimento em um dia ventoso em uma lagoa em Clapham Common. Ele depositou uma colher de chá de óleo na beira da lagoa, onde as ondas se formavam e se moviam para o meio. As ondas e o vento espalharam o óleo pelo lago, e mais de um hectare quadrado de água turbulenta foi rapidamente acalmado. Mesmo grandes folhas e galhos na superfície da lagoa foram empurrados para o lado pela fina camada de óleo.
Embora observações similares tenham sido feitas desde Plínio, o Velho, Franklin foi o primeiro a teorizar esse fenômeno usando princípios científicos. Em sua carta a Brownrigg, Franklin propôs que existisse uma repulsa mútua entre a água e as partículas de óleo. A força da repulsão era tão forte que fez com que o óleo se afastasse da água e produzisse um filme quase invisível no topo da água.
Experiências subsequentes de Lord Rayleigh, Irving Langmuir e outros confirmaram que o petróleo, flutuando acima de água mais densa, criou um filme de monocamada de apenas alguns nanômetros de espessura, revolucionando a ciência de superfície e fornecendo a base para tecnologias de revestimento de filmes finos que hoje são onipresentes em nossas vidas cotidianas. Na década de 1920, Langmuir e Katherine Blodgett imergiram um substrato em uma solução, revestindo o substrato com uma película de estearato de bário com exatamente uma molécula de espessura. Agora conhecida como filmes de Langmuir-Blodgett, esta descoberta permite aos cientistas criar e depositar filmes finos extremamente precisos, e é crucial no estudo moderno de ponta sobre monocamadas em engenharia elétrica e ciência de materiais. Depois de mais experimentos, Langmuir e Blodgett descobriram que uma película fina de 44 ou 46 camadas de moléculas pode anular a reflexão da luz no vidro natural. Atualmente, praticamente todas as lentes que exigem reflexos mínimos (lentes de câmeras ou telescópios, por exemplo) são revestidas com filmes finos não reflexivos.
Uma diferença fundamental entre esses exemplos históricos de uso de nanotecnologia está na sequência de eventos. A tecnologia usada para produzir vitrais, aço de Damasco e negro de fumo existia muito antes de a explicação científica ser totalmente compreendida. Mas, no caso das monocamadas de Franklin, Langmuir e Blodgett, a sequência é invertida: o entendimento científico foi alcançado muito antes de qualquer produto de filme fino chegar ao mercado. Atualmente, os nanocientistas estão seguindo o exemplo da monocamada, buscando ativamente a pesquisa em nanociência antes de tentar aproveitar suas descobertas para produzir nanotecnologia.
Alguns esforços estão próximos ou já estão dando frutos. Tecidos produzidos com nanotecnologia já estão no mercado: os tecidos à prova d’água são feitos depositando-se bilhões de nanômetros de fibras em algodão natural. Essas novas fibras, chamadas “nano-bigodes”, aumentam a tensão superficial do tecido, de forma que gotas de líquido não podem penetrar. Na Rice University, em Houston, Jennifer West e seus colegas desenvolveram nanocamadas de sílica-ouro que estão agora em testes clínicos como um tratamento contra o câncer. As nanocamadas se ligam a células cancerígenas; Uma vez conectadas, as nanocamadas podem absorver calor infravermelho suficiente, quando expostas à luz laser, para matar as células.
A indústria também está investindo recursos consideráveis na pesquisa em nanociência. Recentemente, o Advanced Energy Consortium (AEC) começou a financiar um projeto para usar nanopartículas para ajudar na recuperação de petróleo e gás. A AEC, formada por empresas como BP America, Conoco Phillips e Halliburton Energy Services, espera tirar proveito do tamanho diminuto das nanopartículas para criar mapas tridimensionais detalhados da estrutura das formações rochosas porosas. Atualmente, as empresas petrolíferas são capazes de extrair apenas cerca de 40% do petróleo ou do gás encontrado nesses reservatórios, mas esperam que, ao penetrarem nessas “esponjas” geológicas com nanopartículas, possam mapear com mais precisão os reservatórios e extrair mais.
Embora esses exemplos mais recentes abranjam têxteis, medicina e extração de petróleo, todos eles dependem da aplicação prática dos princípios científicos em nanoescala comprovados pela primeira vez em um ambiente de laboratório.
Estamos testemunhando uma transição da “nanotecnologia em direção à nanociência” para o atual movimento da nanociência em direção à nanotecnologia, mas a linha entre as duas não é distinta. No futuro, haverá indubitavelmente mais casos em que um fenômeno ou produto que foi desenvolvido fora de uma estrutura de nanociência será descoberto como dependente da nanotecnologia. Mas atualmente, com tanto entusiasmo público e financiamento sendo direcionado para a pesquisa em nanociência, os programas de pesquisa em nanotecnologia irão gravitar em direção à compreensão da ciência em pequena escala antes de se tornar uma aplicação.
Texto escrito por Chi Chan.
Traduzido por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( [email protected] ) do original ‘From Nanotech to Nanoscience’ com autorização oficial dos detentores dos direitos. Revisado por: Kelly Vargas.
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