Efeitos quânticos são importantes aqui embaixo

Nanométrica é a escala onde os efeitos quânticos estão com as rédeas da matéria.

Movimentação de elétrons "aprisionados" na estrutura nanométrica de um nanofio, conforme simulado em computador.  

Na verdade, os efeitos quânticos existem em qualquer material, nanométrico ou não. É físico. Porém, quando tomamos um material qualquer que esteja em uma escala macroscópica, i.e., na escala em que podemos usar nossos olhos nus para observar o material em sua unidade fundamental (uma bola, um carro, uma maçã, uma formiga), o tamanho do material não influencia suas propriedades físicas. Podemos explicar suas características, prever seu comportamento, usando a física clássica.
Tudo muda quando temos materiais, partículas, entre 1 e 100 nm. Nesta escala as propriedades do material mudam significativamente em relação àquelas esperadas para o material macroscópico. Nesta escala os efeitos quânticos dominam a matéria. Nesta escala, tamanho importa. Variando-se apenas o tamanho é possível obter materiais que diferem fascinantemente do material macroscópico. O ouro vermelho é um dos exemplos. Portanto, nesta escala, a dos nanometros, as propriedades da matéria são dependentes do tamanho. Muda tudo ou, quando menos, muito: ponto de fusão, fluorescência, condutividade elétrica, permeabilidade magnética, reatividade química, e por aí vai.

A nanoferrugem em malha. Nanotecnologia verde para produzir hidrogênio.

A água pode ser uma moeda de conversão energética importante nos próximos anos. Basicamente, a idéia é que a água, uma reserva gigantesca de hidrogênio e alinhada com a noção de tecnologia verde, seja utilizada como conversor de energia em motores de carros ou de outras máquinas. A lógica de tudo é resumida na reação mostrada abaixo.

A reação de hidrólise (seta da esquerda para a direita) produz hidrogênio e oxigênio. Estes dois elementos são extremamente reativos entre si e, quando reagem, produzem água e uma grande quantidade de energia. Essa energia pode ser utilizada facilmente para gerar trabalho. O problema é produzir, de maneira limpa, a energia para lisar a água.

A hidrólise da água gera oxigênio e hidrogênio, numa reação que consome energia. O hidrogênio obtido da água pode então reagir com o oxigênio, gerando energia que pode ser utilizada para realizar trabalho e, advinha: água! Veja a figura abaixo. Mas não se engane, não teremos carros movidos a água. Você não poderá fazer da torneira da sua casa um substituto das atuais bombas de combustível. A água servirá tão somente como fonte de hidrogênio. Uma fonte que libera o hidrogênio a um determinado custo energético. De onde virá a energia para liberar o hidrogênio? Aí é que mora o "pulo-do-gato".

Um exemplo de célula geradora de hidrogênio. Repare que, neste caso, a energia solar é utilizada para lisar a água e produzir hidrogênio. Como isso acontece? A nanotecnologia está na abrindo portas para que isto seja viável em larga escala.

A eletrólise da água pode ser usada para obter hidrogênio. Neste tipo de reação é utilizada energia elétrica, a qual pode ser obtida de diversas formas, conhecidas nossas de longo tempo. Mas, pensando em tecnologia verde, a energia utilizada pela célula de geração de hidrogênio deve ser proveniente de uma fonte não poluente, tal como a radiação solar direta. - Minuto da discórdia: analisando-se as nossas fontes de energia, vemos que, no final das contas, a maioria delas depende da energia solar. Pare para pensar nisso. Pense também nas exceções.

É possível gerar energia elétrica a partir de radiação solar por alguns métodos, mas o que mais interessa atualmente em células altamente eficientes de produção de hidrogênio é o efeito fotoelétrico em materiais semicondutores. Basicamente, é gerada corrente elétrica a partir de radiação luminosa, que pode vir do sol, corrente essa que é utilizada para lisar a água.

Neste sentido, recentemente, nanotecnólogos estadunidenses deram um passo importante para a produção de células baratas e de alta eficiência. Eles produziram nanofios semicondutores capazes de aproveitar a luz solar para gerar corrente elétrica. Os nanofios são compostos de dissiliceto de titânio recoberto com óxido de ferro na forma de hematita. Basicamente, nanofios de ferrugem! Esse material, extremamente barato em comparação aos principais concorrentes (tungstênio, óxidos de titânio), possui uma alta capacidade de produzir hidrogênio a partir da água quando exposto à luz solar. Esses nanofios são dispostos na forma de uma complexa rede 3D, na qual a superfície de contato entre estes e a água é enorme, tornando alta a eficiência de produção de hidrogênio. Além disso, a disposição dos nanofios sob a forma de rede permite a captação mais eficiente de energia solar. O artigo relatando a pesquisa pode ser acessado em http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja110741z. A figura abaixo mostra os nanofios e sua disposição. 

Nanofios recobertos com óxido de ferro dispostos em rede.

Fonte: Wang et al., J Am Chem Soc (2011) 133, 2398; doi:10.1021/ja110741z

Sobre os alótropos de carbono

Caros navegantes, hoje vamos conhecer a talvez-ainda-não-totalmente-descoberta família de alótropos de carbono. O nome alótropo, introduzido pelo notável químico Jöns Jacob Berzelius, vem da fusão das palavras gregas allos e tropos, que significam, em português, outro e maneira, respectivamente. Desta forma, alótropo é a palavra dada a substâncias simples (aquelas compostas por um só tipo de átomo) geradas a partir de um mesmo elemento químico. O carbono, em especial, é craque em formar ligações covalentes consigo mesmo. Aliás, se não fosse assim, a vida como a conhecemos não existiria aqui nesse nosso "blue pale dot", como dizia Sagan (veja o pontinho azul aqui). A geometria e a configuração eletrônica gerados a partir da combinação de átomos de carbono entre si gera materiais com propriedades espectaculares. Olhe a figura abaixo e seja assim apresentado à família dos alótropos de carbono.

Os alótropos de carbono. a - Diamante; b - Grafite e suas folhas de grafeno; c - Lonsdaleíta (nome que deve sua excentricidade à homenagem prestada à Kathleen Lonsdale); d - C60 ou fulereno Buckminster; e - C540; f - C70; g - Carbono amorfo; h - Nanotubo de carbono.

Vale a pena chamar a atenção para o fato de que existem diferentes possibilidades de construção de fulerenos, visto que estes são compostos de carbono cuja estrutura molecular é oca e possui formatos esferoidal, elipsóide ou cilíndrico (d, e, f, h). Outro fato que chama a atenção é que a lonsdaleíta é um tipo de diamante, na verdade. Aliás, é um tipo mais resistente, mais duro, que o próprio diamante comumente visto. A lonsdaleíta é frequentemente encontrada em sítios de impacto de meteoritos com a terra.

Arte nanotecnológica utilizando nanopartículas superparamagnéticas

Vídeo mostrando nanopartículas de óxido de ferro suspensas em óleo e respondendo a um campo magnético aplicado sobre elas. O resultado é fascinante!

Estudando nanotecnologia com os nossos "hermanos" em 2011!

Pessoal, divulgo aqui as datas das escolas temáticas/2011 do CBAN. Eu já participei de uma e garanto que vale muito o aprendizado oferecido nelas! Os argentinos têm excelentes grupos de pesquisa em nanotecnologia, coisa de ponta mesmo. Segue abaixo o texto publicado em http://www.mct.gov.br/index.php/content/view/330638.html

ESCOLAS DO CENTRO BRASILEIRO-ARGENTINO DE NANOTECNOLOGIA (CBAN) – 2011.

Estão abertas as inscrições para as Escolas Temáticas que o Centro Brasileiro-Argentino de Nanotecnologia – CBAN fará realizar ao longo de 2011, duas em cada país. São elas:

1. “Interacciones en Nanosistemas” Responsables de la organización
Local: Ciudad de Rosario
Coordenadores: Néstor E. Massa (LANAIS EFO – CEQUINOR, Universidad Nacional de La Plata) y Nora S. Pellegri/Ricardo L. Migoni (Instituto de Física Rosario, Universidad Nacional de Rosario)
Período: 24 de julho a 06 de agosto de 2011
Código: NANOSIS
Prazo de inscrição: até 09 de junho de 2011

2. Nanoestruturas de carbono
Local: Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará, Fortaleza
Coordenador: Prof Antonio Gomes Souza Filho e Prof. Josué Mendes Filho
Período: 12 a 16 de setembro de 2011
Código: NANOEST
Prazo de inscrição: até 29 de julho de 2011

3. 5ª Escuela de Síntesis de Materiales: Procesos Sol-Gel
Local: Buenos Aires
Coordenador: Sara Aldabe Bilmes (DQIAQF-INQUIMAE, FCEN- UBA) y Galo Soler-Illia, (DQIAQF-FCEN- UBA, UNSAM y GQ-CNEA).
Período: 26 de setembro a 07 de outubro de 2011
Código: SINMAT
Prazo de inscrição: até 12 de agosto de 2011

4. Nanotecnologia na terapêutica
Local: Sílvia Stanisçuaski Guterres
Coordenador: Faculdade de Farmácia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre
Período: 26 a 28 de outubro de 2011
Código: NANOTER
Prazo de inscrição: até 11 de setembro de 2011


PROCEDIMENTO PARA INSCRIÇÃO

As inscrições de participantes brasileiros deverão ser feitas através do endereço eletrônico cban@mct.gov.br. Os candidatos deverão fornecer seus dados pessoais e profissionais, CV e uma justificativa, com no máximo 10 linhas, explicando seu trabalho científico, bem como os motivos por que deseja participar da Escola. Cada inscrição deverá vir acompanhada de uma carta anuência do orientador ou chefe.

Toda a documentação deverá ser encaminhada em um único arquivo PDF, nomeado de acordo com o código da Escola e o último sobrenome do interessado (e.g. Escola de Nanoestruturas de Carbono, interessado: Adolfo Lutz - arquivo: NANOEST-lutz.pdf)

As inscrições se encerram 45 (quinze) dias antes do início de cada Escola.

Terão prioridade os candidatos que sejam doutorandos ou que tenham concluído o doutorado nos últimos 5 anos nas áreas de Física, Química, Farmácia, Biologia ou Engenharias.

Será oferecido apoio financeiro para transporte e alojamento aos participantes selecionados.
Informações adicionais sobre cada escola estarão disponíveis no endereço http://www.mct.gov.br/cban

Uma nova família de biossensores para DNA pode estar nascendo graças à nanotecnologia

Um tratamento adequado às diversas enfermidades que podem afetar um organismo depende de um bom diagnóstico. Na verdade, quanto mais se aproxima da exatidão no diagnóstico, mais eficaz costuma ser o tratamento. Isso é particularmente importante quando o causador da doença, o patógeno, é um microorganismo. Os diferentes fármacos dos quais os profissionais de medicina fazem uso para combater microorganismo são eficazes apenas contra determinados tipos de microorganismos e um diagnóstico errado pode, portanto, levar à total ineficácia da terapia prescrita contra a enfermidade. Um antibiótico prescrito contra, por exemplo, uma cepa de Staphylococcus aureus predominante, pode não afetar algumas das subpopulações desta mesma espécie, tais como o temido e resistentíssimo Staphylococcus aureus MRSA. Um erro de diagnóstico, neste caso, seria potencialmente fatal.

DNA. As técnicas de detecção desta "impressão digital" biológica têm evoluído rapidamente. 

Por isso que as técnicas de diagnóstico têm sido incansavelmente aprimoradas por diversos grupos de pesquisa. Técnicas para a detecção de patógenos microbianos se baseiam em propriedades individuais destes seres, tais como determinadas características metabólicas, resistência a antibióticos clássicos, anticorpos que são por conta deles produzidos pelo organismo invadido, morfologia microscópica, propriedades tintoriais, e presença de moléculas diversas, por exemplo. Mas posso adiantar a você, caro leitor, que a maioria destas técnicas apresenta índices de resultados errôneos (falsos positivos ou falsos negativos) que podem ser altos. Muitas delas podem fazer confusão entre diferentes patógenos. O exame de triagem do vírus HIV, por exemplo, que se baseia na detecção de um anticorpo específico encontrado no sangue do indivíduo infectado, pode dar um resultado falso positivo se o paciente tiver um anticorpo contra certos vírus responsáveis por resfriados; ou seja, um resultado que diz que o paciente é infectado com o HIV quando na verdade ele teve um resfriado (o que chamamos de resfriado é na verdade um grupo de viroses causadas por vírus diversos). Outras vezes os testes são pouco sensíveis, podendo dar falso negativo porque não detectaram os baixos níveis iniciais de patógenos em uma amostra, por exemplo.

Neste ponto é interessante reparar que a maioria dos testes que são baseados na detecção de material genético do microorganismo (como o DNA ou o RNA) geram poucos resultados falso positivo ou falso negativo. Porém, esse tipo de diagnóstico é geralmente dependente de aparelhagem e/ou reagentes caros, o que limita sua aplicação em larga escala. Esse tipo de técnica também é, muitas vezes, dependente de grandes quantidades de material genético, motivo pelo qual geralmente há um passo para multiplicar a quantidade de material da amostra pelas técnicas de amplificação.

Lógica por trás da detecção de DNA por este biossensor: o DNA (a fita dupla deste diagrama) adere à superfície da nanopartícula (círculo marrom) e impede que esta catalise a reação entre o peróxido de hidrogênio (H₂O₂) e o cromógeno (estrela, na representação). Falta agora fazer com que a adsorção do DNA às nanopartículas seja determinada pela sequência de nucleotídeos nesta molécula. De qualquer maneira, é uma nova possibilidade que se abre à detecção rápida, simples, barata e sensível, de microorganismos.

Um grupo de pesquisadores da Coréia do Sul criou uma abordagem interessante para as técnicas de diagnóstico baseadas em DNA. Eles criaram um biossensor de DNA que nada mais é que uma nanopartícula de óxido de ferro que catalisa a reação do peróxido de hidrogênio com reagentes cromógenos, gerando assim cor. Ou seja, quando se mistura nanopartículas de óxido de ferro com peróxido de hidrogênio e cromógeno, uma cor é gerada, sendo essa o sinal de que foi detectado DNA. Agora, o detalhe que deu origem a um novo método de diagnóstico: essas nanopartículas ligam o DNA com alta afinidade e, quando isso acontece, as nanopartículas não são mais capazes de gerar a cor. O DNA impede que a reação ocorra. Aí está o segredo de uma nova família de métodos diagnósticos baseados em nanotecnologia. Com estas nanopartículas foi possível detectar de maneira simples e rápida concentrações nanomolares de DNA. Este sensor de DNA nanoestruturado apresenta vantagens sobre outros detectores de DNA nanoestruturados, tais como as nanopartículas de ouro, mas ainda carece de estudos que façam dele mais específico, ou seja, que o façam reagir apenas na presença de sequências específicas de nucleotídeos (as “letras” do código expresso no DNA), que é o que identificaria o patógeno com mínimas chances de erro.

Fonte: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201001886/full

Um espetáculo átomo por átomo. Veja a dinâmica de átomos individuais (!) que se arranjam em uma folha de grafeno!

Caro navegante, apresento aqui um vídeo excepcional que mostra átomos individuais de carbono sendo arranjados em um buraco artificialmente induzido dentro de uma folha de grafeno. O vídeo mostra que os átomos na borda do buraco estão a arranjar suas configurações eletrônicas através da formação de ligações com átomos vizinhos.
Repare que, como o esperado, o grafeno é formado por hexágonos de carbonos, parecendo favos de mel em uma colméia de abelhas. Os átomos de carbono são dispostos nos vértices dos hexágonos, formando ligações duplas e simples com seus vizinhos imediatos, ligações estas que acabam sendo conjugadas por ressonância, formando a figura geométrica perfeita que é vista no vídeo.
Para entender melhor o vídeo, siga minhas dicas:
1) Repare que no meio do mar de hexágonos existe um buraco (preenchimento cinza escuro disforme);
2) Olhe as bordas do buraco, repare que ela é dinâmica, sua forma muda a toda hora;
3) Agora repare que essa mudança de forma é devida à formação e ao rompimento contínuos de novos hexágonos (!);
4) Pois bem, alí é realmente difícil encontrar uma configuração estável para os átomos de carbono - tente fazer hexágonos de carbono na borda usando seus conhecimentos de química básica...ah, não apele para o uso de hidrogênios! é difícil -, por isso a volatilidade das estruturas da borda.

Para quem não leu, há uma postagem de março, aqui neste blog, sobre grafenos: Escolha seu átomo preferido....

Nanotecnologia para baratear? Também existe! Transistores nanoestruturados em larga escala...

Caros navegantes, venho hoje aqui expor uma foto que eu não poderia deixar de fora do blog.
Ela é decorrente de uma pesquisa multicêntrica. Cientistas da Lund University, Suécia, e da University of New South Wales, Austrália, abriram uma verdadeira porta para a simplificação (e consequente barateamento) da produção em larga escala de nanoeletrônicos. Eles desenvolveram um transistor baseado em nanofios e que possui uma estrutura nanométrica de botar inveja em quem sabe o quão difícil é colocar as coisas no lugar nanometricamente planejado. O transistor em questão consiste de um nanofio encapado com uma camada de metal, permitindo controlar a passagem de corrente elétrica através da aplicação de voltagem. Essa tecnologia não exige litografia adicional para produzir o transistor.
A fotomicrografia do transistor, abaixo, é de encher os olhos!

Imagem do transistor obtida pela técnica de microscopia eletrônica de varredura. O nanofio de InAs (estrutura mais fina na foto) é recoberto com ouro. 

Fonte: http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nl104403g

Füller, fulereno e o domo geodésico

Richard Buckminster Füller e seu domo geodésico  em Montreal.

Fulereno C60. A estrutura esquemática acima mostra como esta molécula fantástica é organizada.
O fulereno C60, assim como o diamante, o grafite e o grafeno, é outro alótropo nanométrico de carbono. Foi descoberto na década de 1980 e seu nome é uma homenagem ao idealizador do "domo geodésico",  Richard Buckminster Füller.