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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.

vidro com nanotecnologia
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 ( luisbrudna@gmail.com ) do original ‘From Nanotech to Nanoscience’ com autorização oficial dos detentores dos direitos. Revisado por: Kelly Vargas.

Original (English) content from Science History Institute (https://www.sciencehistory.org/). Content translated with permission, but portuguese text not reviewed by the original author. Please do not distribute beyond this site without permission. [[Conteúdo original (inglês) do Science History Institute (https://www.sciencehistory.org/) . Conteúdo traduzido com permissão, mas o texto em português não foi revisado pelo autor do original. Por favor, não distribua o conteúdo sem permissão.]]

Placa com nanopartículas

ano internacional da química
Prof. Martyn recebeu um presente pelo correio. Uma placa comemorativa pelo Ano Internacional da Química.

A placa na qual está escrito ´IYC 2011´ (International Year of Chemistry 2011), foi feita de plástico e as letras coloridas escritas com nanopartículas de ouro e prata.

Veja mais informações no vídeo. Com legendas em português, clique e veja como ativar.

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ) – Universidade Federal do Pampa – Bagé.

Pausa para o cafezinho

duas manchas de café em uma superficie
Imagem de massdistraction (Flickr-CC)

Alguns afirmam que a sala do cafezinho é o local que um trabalhador vai para buscar inspiração. Para um cientista pode ser, além disto, uma boa fonte de ideias para uma pesquisa!

Entre um café e outro muitos já devem ter percebido que uma mancha de café frequentemente apresenta bordas mais escuras.

Em artigo publicado em 1999, na revista Nature, pesquisadores demonstraram que durante a evaporação do líquido ocorre um fluxo de material para as bordas da gota para contrabalancear o que foi evaporado, resultando em um arraste e acúmulo de partículas na borda.

Neste mês, em artigo publicado na Analytical Chemistry, outro grupo de pesquisas, liderado por Tak-Sing Wong, demonstrou que tal acúmulo de material pode ser usado como uma forma de separação de partículas por tamanho. Obtendo nos testes uma boa separação de uma mistura de partículas de 40nm, 1um e 4um de diâmetro; eles demonstraram que as menores formam um anel na parte externa da mancha e as maiores tendem a secar na parte interna.

No artigo de Tak-Sing Wong os autores sugerem que por não ser necessário o uso de equipamentos avançados na separação, e pela facilidade de operação do procedimento, a metodologia pode ser útil para os que necessitam de algo rápido e barato. Como em países em desenvolvimento e na miniaturização de processos de análise.

ResearchBlogging.org
Wong, T., Chen, T., Shen, X., & Ho, C. (2011). Nanochromatography Driven by the Coffee Ring Effect Analytical Chemistry DOI: 10.1021/ac102963x
ResearchBlogging.org
Deegan, R., Bakajin, O., Dupont, T., Huber, G., Nagel, S., & Witten, T. (1997). Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops Nature, 389 (6653), 827-829 DOI: 10.1038/39827

Aprimorando a nanolitografia

imagem meramente ilustrativa
Utilizando a técnica da nanolitografia tipo dip-pen (DPN), pesquisadores liderados por Jung-Hyurk Lim, da National University na Coréia do Sul, conseguiram ´escrever´ sobre um substrato pequenos pontos contendo vírus adeno-associados.

Esta nanolitografia tipo dip-pen é uma modificação da técnica de microscopia da força atômica. Esta última lembra muito uma agulha de um antigo toca discos, que varre uma superfície ´sentindo´ os sulcos e mapeando do grande precisão as irregularidades por onde passa. A dip-pen aproveita esta precisão de varredura para trocar a ponteira por um material poroso que pode carregar certos compostos e depositar sobre o substrato. É como se trocássemos a agulha do disco por uma caneta tinteiro.

Jung-Hyurk Lim e equipe utilizaram vírus adeno-associados, para embeber a ponteira, mais como uma prova do conceito, para demonstrar a possibilidade de uso de material biológico de tamanho consideravelmente grande – inadequado até o momento em técnicas semelhantes. Isto só foi possível com o pioneiro desenvolvimento da ponteira manufaturada com dióxido de silício e recoberta com polímero biocompatível nanoporoso.

Os pesquisadores sugerem que a nova técnica possui potenciais aplicações em microarranjos de DNA (gene chips) e biomolecular. Devido a aprimorada facilidade em gerar padrões de forma e com as substâncias desejadas.

Os testes iniciais mostraram a capacidade de conseguir mais de 1000 nanopontos individuais sem a necessidade de reabastecimento do material embebido na ponteira. E ao contrário de outras técnicas convencionais, o tempo de contato entre a superfície e a ponta causou apenas um aumento do número de vírus no local do ponto, mas não o seu diâmetro. E este foi variado com a variação do tamanho da ponteira utilizada em cada caso, indo de 80 a 400 nm.

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ) – Universidade Federal do Pampa – Bagé.

ResearchBlogging.org
Shin, Y., Yun, S., Pyo, S., Lim, Y., Yoon, H., Kim, K., Moon, S., Lee, S., Park, Y., Chang, S., Kim, K., & Lim, J. (2010). Polymer-Coated Tips for Patterning of Viruses by Dip-Pen Nanolithography Angewandte Chemie International Edition, 49 (50), 9689-9692 DOI: 10.1002/anie.201004654

Laboratório em um papel

mão segurando quadrado de papel
“Para tratar uma doença é necessário primeiro diagnosticar”. Assim inicia a palestra proferida por George Whitesides no TEDx Boston.
George Whitesides é um dos pioneiros em técnicas de microfabricação e automontagem em nanoescala.
Um dos trabalhos representativos de Whitesides é na fabricação e proposição formas inovadoras de análise química estruturada em papel.

A escolha do papel como suporte ocorreram pela disponibilidade do material de baixo custo, possibilidade de realizar vários testes com uma única amostra, diminuição do uso de material perfurante (agulhas, seringas, etc) e facilidade de descarte após o uso.
Todos já devem conhecer o teste de gravidez, que fornece informações iniciais se uma mulher está ou não grávida. Mas este tipo de teste apenas fornece uma única informação qualitativa. E a ideia é ampliar esta técnica para fornecer dados sobre outros tipos de análise e de forma quantitativa.

Uma forma de facilitar a análise do resultado de um teste um pouco mais elaborado, eventualmente realizado por um leigo, poderia ser pelo uso de um celular. O usuário do teste poderia enviar a foto do resultado por celular e receber em pouco tempo a resposta dada por um especialista.

Veja a palestra completa no vídeo abaixo, com legendas em português, selecione em ´view subtitles´.

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ) – Universidade Federal do Pampa – Bagé.

Espionando átomos e moléculas

Conforme o tempo passa e os estudos na área de nanotecnologia aumentam, desperta a curiosidade cada vez maior de vislumbrar o átomo com perfeição, em ver o movimento, comportamento e características.
Em cada estudo publicado percebemos que estamos cada vez mais próximos de ter mais e mais informações sobre os átomos e moléculas, em sua intimidade.
Recentemente (este ano) foi fotografado o movimentos do átomos na reação de fotossíntese. Incrível! Mas como chegaram até este ponto? Simples. Por meio de um feixe de raios X “avançado” ( o segredo esta nesta palavra).
Aqui está a imagem:
raios x fotossintese

Já os microscópios de força atômica, são os responsáveis pela nova fronteira de identificação química dos compostos, com um rastreamento e identificação de alta precisão dos átomos presentes em uma amostra.
O resultado:
força atômica empregada na identificação de átomos em uma superfície

E a bela identificação do pentaceno, também por força atômica. Para mais detalhes sobre esta técnica, veja o texto neste blog – Retratos moleculares.

retrato molecular do pentaceno

Fontes:
http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2009/August/27080902.asp
http://www.sciencedaily.com/releases/2010/05/100509202634.htm
http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2007/February/28020702.asp

Texto de Dison Franco