Nanotecnologias

Nanotecnologias

A nanotecnologia é a engenharia das coisas extremamente pequenas, que visa a concepção, construção e manipulação de sistemas cujas unidades fundamentais têm dimensões da ordem de 1 a 100 nanómetro.
Um nanómetro (nm) é igual a 10-9 m, ou seja, cerca de 100 000 vezes mais pequeno do que a espessura de um cabelo (0,1 mm) e cerca de dez vezes o tamanho de um átomo de hidrogénio (0,1 nm).

A nanotecnologia é atualmente uma área interdisciplinar cobrindo diversos tópicos e com aplicações em muitos domínios, tais como os produtos de consumo (roupas, alimentos, cosméticos), o ambiente, a energia, a electrónica e a medicina. As potenciais aplicações futuras são imensas, desde nanorobots que reparam as nossas células a materiais mais leves que o aço mas dez vezes mais resistentes. Na opinião de alguns cientistas, a nanotecnologia pode vir a estar na base da próxima revolução industrial, daqui a apenas 10 ou 20 anos.

O que é a nanotecnologia

O significado de nanotecnologia evoluiu ao longo dos últimos anos.
Originalmente, o termo designava a engenharia à escala molecular, construindo-se e manipulando-se sistemas a partir de componentes à nanoescala, tal como as células do nosso organismo que são constituídas por uma variedade de máquinas moleculares. Este conceito de nanotecnologia ainda não foi concretizado, mas é actualmente uma área fértil de investigação.
Entretanto, com a evolução na ciência e tecnologia dos materiais, é agora possível construir materiais estruturados à nanoescala que têm propriedades novas e interessantes, como por exemplo roupas revestidas com nanofilamentos de carbono que repelem a água, tal como a fina penugem de um pêssego.

O desenvolvimento de nanomateriais, assim como o entusiasmo à volta do termo nanotecnologia, fez com que o seu significado fosse alargado, abrangendo actualmente uma variedade de tecnologias que manipulam a matéria a uma escala abaixo de 100 nm.

Citando Eric Drexler, considerado por muitos o pai da nanotecnologia, há duas nanotecnologias: a nanotecnologia do fabrico molecular e a nanotecnologia dos produtos manipulados à nanoescala (tudo o que tenha nanoestrutura, como por exemplo pequenas partículas ou finos revestimentos).

O grande potencial da nanotecnologia no futuro reside provavelmente na produção molecular. A segunda nanotecnologia não é tão revolucionária mas já está no mercado e pode significar a ponta do iceberg: “This modest, fairly low-tech application of nanotechnology [nanopartículas e nanomateriais] is just the small tip of a vast iceberg - an iceberg that threatens to sink even the "unsinkable" companies.” (do livro de Jack Uldrich and Deb Newberry, “The Next Big Thing Is Really Small: How Nanotechnology Will Change The Future Of Your Business”). O CRN (Centre for Responsible Nanotechnology) propõe uma boa definição que tenta abarcar as duas nanotecnologias: “nanotecnologia é a engenharia de sistemas funcionais à escala molecular”.

Aplicações actuais da nanotecnologiaAs aplicações da nanotecnologia actualmente já no mercado são essencialmente na área dos nanomateriais.

São muitos os exemplos: protetores solares com nanopartículas de óxido de zinco, que são muito eficientes a absorver os raios ultravioleta mas deixam passar a luz visível, tornando o creme transparente; embalagens para alimentos com nanopartículas de prata que têm propriedades antibacterianas; roupas e tecidos revestidas com nanofilamentos que repelem a água e a sujidade; raquetes de ténis, sticks de hóquei e outros equipamentos de desporto reforçados em zonas críticas com nanotubos de carbono.

Gotas de água à superfície de madeira tratada com o spray Lotus, da BASF. Lotus é uma planta cujas folhas repelem a água, uma vez que estão cobertas de nanocristais de uma cera hidrofóbica, que reduzem a área útil de contacto entre a água e a superfície para apenas 2-3% da área total. Este efeito é imitado pelo spray da BASF que combina nanopartículas com polímeros hidrofóbicos. O spray é particularmente eficiente em superfícies rugosas, como as de materiais de construção, madeira, papel, cabedal e têxteis.

Papel de parede antibacteriano para usar, por exemplo, em hospitais. Em cima, mostra-se fibras de papel convencional e em baixo as mesmas fibras revestidas com nanopartículas de ZnO; as partículas são mostradas em detalhe no canto inferior direito. As nanopartículas têm actividade antibacteriana, testada com E.Coli. O mesmo princípio pode ser aplicado a têxteis.

Nanopartículas de ouro ligam-se preferencialmente a células cancerosas e não têm afinidade específica por células saudáveis, constituindo assim um meio eficiente de diagnóstico.
As nanopartículas são ligadas a um anticorpo que reconhece uma proteína existente na superfície das células cancerosas.

Esta ideia de nanofábricas produzindo com precisão atomica foi desenvolvida por Eric Drexler, a partir dos anos de 1980, sendo actualmente designada por nanotecnologia molecular ou fabrico molecular.
De acordo com esta visão do futuro, as unidades fundamentais de uma nanofábrica são nanomáquinas que manipulam cada molécula individualmente e montam moléculas em estruturas maiores, permitindo assim a produção de quase tudo o que possamos imaginar, incluindo outras nanomáquinas.

Numa nanofábrica, tem-se um controle sobre o movimento molecular e a formação de novas moléculas, ao contrário do que acontece nos reatores químicos atuais, onde não se tem controle directo sobre o movimento molecular, colocando-se trilhões de moléculas em contacto, daí resultando o produto desejado mas também muitos produtos não desejados.

Uma nanofábrica pode integrar milhões de nanomáquinas e sistemas auxiliares de transporte, energia e controle, organizados em vários níveis, permitindo a construção de produtos complexos, átomo por átomo, de forma limpa, barata e eficiente.
E tudo isto pode caber em cima da nossa secretária! Surpreendido? Há quem pense que esta não é uma ideia demasiado futurista e que nos próximos 10 a 20 anos teremos de fato uma nova revolução industrial baseada no fabrico molecular.

O conceito de fabrica molecular pode parecer menos futurista e mais praticável a médio prazo, se recorrermos a exemplos da biologia.
Os ribossomas, presentes em todas as células, podem ser encarados como nanomáquinas (cerca de 20 nm de diâmetro) que lêem a informação genética contida no mRNA e montam sequências de aminoácidos para formar proteínas. Estas enrolam-se de acordo com a sua composição atómica e intervêm depois em inúmeros processos, constituindo elas proprias maquinas moleculares ao promoverem determinadas reações químicas.

Os ribossomas e as proteínas são então algumas das máquinas moleculares que compõem a eficiente e complexa nanofábrica que é a célula. A biologia ilustra assim as potencialidades da nanotecnologia, mas no entender de Eric Drexler, não devemos ficar demasiado colados ao modelo da biologia, já que os nanossistemas artificiais podem vir a ser muito mais eficientes do que os biológicos, tal como os aviões são mais rápidos que as aves.

Para ter uma ideia mais clara sobre como os cientistas e engenheiros de hoje concebem a nanofábrica do futuro, veja este vídeo, uma animação artística de uma nanofábrica que processa moléculas para fazer um computador portátil.

Moinho molecular que transfere um átomo de hidrogénio. A ferramenta transporta um átomo de hidrogénio ligado a germânio (roxo) e o produto tem um radical de carbono voltado para cima. No ponto de contacto, o átomo de hidrogénio é transferido do germânio para o carbono formando uma ligação muito mais forte. Todas as partes mecânicas podem ser modeladas à escala atómica.

A nanotecnologia é uma área interdisciplinar para a qual contribuem a física aplicada, a química (em particular a química supramolecular, a química dos colóides e a química física), a ciência dos materiais, a electrónica a engenharia química e a quimica farmaceutica.

Os materiais sintetizados têm aplicações em processos químicos, tanto na área da reacção química (novos catalisadores nanoestruturados) como em processos de separação (membranas estruturadas à nanoescala).
Os nanocatalisadores podem vir a ter importantes impactos em tratamentos ambientais e na área da energia, inclusivé no desenvolvimento de células de hidrogénio, enquanto que as nanoseparações podem ser muito úteis em problemas ambientais e processos de purificação em química fina, incluindo produtos de biotecnologia e fármacos.
Ao nível da tecnologia do produto, a incorporação de nanomateriais e, de um modo geral, a manipulação à escala molecular podem beneficiar uma série de áreas, como produtos de higiene e cosmética, produtos de limpeza, produtos alimentares, tintas, plásticos e têxteis.

A título de exemplo, no campo da administração de fármacos, caminha-se para o desenvolvimento de veículos que transportem o medicamento exatamente para as células ou tecidos onde ele é necessário. No tratamento do cancro, há já estudos com nanocápsulas que transportam o fármaco especificamente para as células cancerosas, minimizando os estragos nos tecidos saudáveis.

A investigação em áreas que irão contribuir para a nanofábrica do futuro, tais como a química física, mecânica molecular, associação espontânea de moléculas, química computacional e engenharia de sistemas moleculares.

Mas a nanofábrica é ainda uma visão do futuro, prometedora e entusiasmante, mas não praticável no momento presente. Entretanto, ainda sem chegar à nanoescala, a engenharia química e a quimica farmaceutica tem de fato evoluído no sentido da redução da escala, através daquilo a que se chama intensificação de processos.

A intensificação de processos e consequente redução de escala pode ser obtida reduzindo o tamanho dos equipamentos que compõem uma instalação industrial ou então concebendo peças individuais de equipamento que integram diversas operações, como por exemplo reacção química seguida de separação dos produtos da reacção.

Para a intensificação de processos têm contribuído diversas tecnologias, como por exemplo os microreactores, que podem ser do tamanho de um cartão de crédito e que incorporam uma série de microcanais (com 10 a 100 μm de diâmetro) onde têm lugar diversas operações, incluindo mistura de reagentes, reacção química, transferência de calor e separação.

A Nanotecnologia é uma disciplina moderna de base molecular e com aplicações em múltiplas áreas.
Como tal, é natural que se cruzem diversas vezes convergindo para a criação de novos produtos e processos que melhorem a nossa qualidade de vida.

O princípio básico da nanotecnologia é a construção de estruturas e novos materiais a partir dos átomos (os tijolos básicos da natureza).

É uma área promissora, mas que dá apenas seus primeiros passos, mostrando, contudo, resultados surpreendentes (na produção de semicondutores, Nanocompósitos, Biomateriais, Chips, entre outros).

Criada no Japão, a nanotecnologia busca inovar invenções, aprimorando-as e proporcionando uma melhor vida ao homem. Um dos instrumentos utilizados para exploração de materiais nessa escala é o microscópio eletrônico de varredura, o MEV.

O objetivo principal não é chegar a um controle preciso e individual dos átomos.

Richard P. Feynman foi o precursor do conceito da Nanotecnologia, embora não tenha utilizado este termo em sua palestra para a Sociedade Americana de Física, em 29 de dezembro de 1959, onde apresentou pela primeira vez suas idéias acerca do assunto.

A palavra "Nanotecnologia" foi utilizada pela primeira vez pelo professor Norio Taniguchi em 1974 para descrever as tecnologias que permitam a construção de materiais a uma escala de 1 nanômetro. Para se perceber o que isto significa, imagine uma praia com 1000 km de extensão e um grão de areia de 1 mm, este grão está para esta praia como um nanômetro está para o metro. Em alguns casos, elementos da escala periódica da química mudam seu estado, ficando até explosivos em escala nanométrica.

A nanotecnologia é a capacidade potencial de criar coisas a partir do menor elemento, usando as técnicas e ferramentas que estão a ser desenvolvidas nos dias de hoje para colocar cada átomo e cada molécula no lugar desejado. Se conseguirmos este sistema de engenharia molecular, o resultado será uma nova revolução industrial. Além disso, teria também importantes consequências econômicas, sociais, ambientais e militares.

Década de 80
Nos anos 80, o conceito de Nanotecnologia foi popularizado por Eric Drexler por meio do livro "Engines of Creation" (Motores da Criação). Este livro, embora contendo algumas especulações próximas da ficção científica baseou-se no trabalho sério desenvolvido por Drexler enquanto cientista. Drexler foi o primeiro cientista a doutorar-se em nanotecnologia pelo MIT.

Nanotecnologia drexleriana

A Nanotecnologia drexleriana é aquilo a que agora se chama nanotecnologia molecular e que pressupõe a construção átomo a átomo de dispositivos úteis à vida humana. O santo Graal da nanotecnologia drexleriana é o Montador Universal, um dispositivo capaz de, de acordo com as instruções de um programador, construir átomo a átomo qualquer máquina concebível pela mente humana. Drexler tem uma visão a longo prazo da nanotecnologia que prevê o aparecimento de nano-dispositivos de regeneração celular que poderão garantir a regeneração dos tecidos e a imortalidade.

Embora Eric Drexler seja considerado por muitos como o pai da nanotecnologia, a sua abordagem próxima da ficção científica é vista com desconfiança por outros cientistas mais interessados nos aspectos práticos da nanotecnologia. Eric Drexler fundou o "Foresight Institute" e tem-se dedicado à divulgação e desenvolvimento da Nanotecnologia rebatizada de molecular.

Entretanto a nanotecnologia desenvolveu-se graças aos contributos de várias áreas de investigação.

Existem atualmente 3 abordagens distintas à nanotecnologia: uma abordagem de cima para baixo que consiste na construção de dispositivos por desgaste de materiais macroscópicos; a construção de dispositivos que se formam espontaneamente a partir de componentes moleculares; a de materiais átomo a átomo.

A primeira abordagem é a abordagem utilizada em microelectrônica para produzir chips de computadores e mais recentemente para produzir testes clínicos em miniatura.

A segunda abordagem recorre às técnicas tradicionais de química e das ciências dos materiais.

A terceira abordagem é aquela que levará mais tempo a produzir resultados significativos porque requer um controle fino da matéria só possíveis com o aperfeiçoamento da tecnologia.

Utilizações mais radicais da nanotecnologia

Utilização nas ciências computacionais, como por exemplo, na nanofotonica, em que nanocristais seriam criados de modo a permitir uma capacidade de busca na ordem dos milhares ou dezenas de milhares de bits.

Montador Molecular ou Nanomontador

Um montador molecular ou nanomontador (nanoassem) é uma máquina nanotecnológica de tamanho bastante reduzido capaz de organizar átomos e moléculas de acordo com instruções dadas. Para fazer esta tarefa é necessário energia, suprimento de matéria-prima (building blocks) bem como a programação a ser executada pelo montador.

Um montador molecular pode atuar de forma isolada ou em conjunto com vários outros montadores moleculares. Podendo, neste caso, ser capaz de construir objetos macroscópicos. Para isto é necessário um sistema de comunicação entre os montadores bem como um sistema de organização que permitam que eles trabalhem em conjunto.

Existe a possibilidade de se construir um montador universal. Este teria a capacidade de construir qualquer objeto possível, incluindo um outro montador. Assim este poderia se replicar de forma semelhante aos seres vivos. Uma vez construído o primeiro montador ele poderia se reproduzir várias vezes até o número necessário para executar uma determinada tarefa como, por exemplo, a construção de várias toneladas de um nanomaterial. Esta capacidade de reprodução é uma das grandes vantagens de um montador molecular e também é um dos seus grandes riscos. Um montador poderia se reproduzir descontroladamente e ameaçar vidas humanas de forma semelhante a epidemias. Um risco poderia ser a colonização de toda a terra por montadores moleculares, extinguindo toda a vida na terra. Só restariam os próprios montadores em uma massa (provavelmente) cinza chamada de "greygoo".
Drexler argumenta que este cenário é bastante difícil uma vez nenhum ser vivo conhecido consegue se reproduzir além do limite imposto pela quantidade de energia e matéria-prima disponíveis.
Apesar disto, especialistas advertem que é necessário tomar precauções, pois os riscos para a saúde humana não são conhecidos.

A construção de um montador molecular ainda está longe de ocorrer. Vários problemas persistem como a dificuldade de trabalhar com átomos individuais necessários para a construção do montador.
Além disto, é difícil modelar o comportamento de objetos complexos em escala nanométrica que obedecem as leis quânticas.

Possíveis problemas
Um dos possíveis problemas é a nanopoluição que é gerada por nanomateriais ou durante a confecção destes. Este tipo de poluição, formada por nanopartículas que podem ser muito perigosas uma vez que flutuem facilmente pelo ar viajando por grandes distâncias.
Devido ao seu pequeno tamanho, os nanopoluentes podem entrar nas células de seres humanos, animais e plantas.
Como a maioria destes nanopoluentes não existe na natureza, as células provavelmente não terão os meios apropriados de lidar com eles, causando danos ainda não conhecidos.
Estes nanopoluentes poderiam se acumular na cadeia alimentar como os metais pesados e o DDT.

Produtos e serviços que já estariam no mercado utilizando a nanotecnologia:

Tecidos resistentes a manchas e que não amassam;
Raquetes e bolas de tênis;
Capeamento de vidros e aplicações antierosão a metais;
Filtros de proteção solar;
Material para proteção (“screening”) contra raios ultravioleta;
Tratamento tópico de herpes e fungos;
Nano-cola, capaz de unir qualquer material a outro;
Pó antibactéria;
Diversas aplicações na medicina como cateteres, válvulas cardíacas, marca-passo, implantes ortopédicos;
Produtos para limpar materiais tóxicos;
Produtos cosméticos;
Sistemas de filtração do ar e da água.
Microprocessadores e equipamentos eletrônicos em geral;
Polimento de faces e superfícies com nanotecnologia sem micro-riscos.


Produtos em desenvolvimento
As aplicações mais simples da nanotectologia talvez sejam as mais promissoras.
A criação do material mais escuro do mundo, que absorve mais de 99,9% de toda a luz que recebe pode permitir um novo patamar no aproveitamento da radiação solar para geração de energia elétrica.

Outra área de desenvolvimento promissor da nanotecnologia é a geração de eletricidade em termopar (Efeito Seebeck) semicondutor.
Semicondutores não são indicados para um termopar de energia elétrica através do calor na escala macroscópica.
Sabe-se, contudo, que junções semicondutoras podem gerar energia elétrica através da luz recebida em células fotovoltaicas e nesse sentido estuda-se converter calor diretamente em energia elétrica com semicondutores na escala da nanotecnologia. Na mesma linha estuda-se refrigerar um ambiente através de termopares da nanotecnologia em efeito análogo (Efeito Peltier)
Fonte:Wikipedia

Nanotecnologias brasileiras voltadas para a área de saúde
Nanopartículas de polímeros biocompatíveis que liberam controladamente medicamentos no pulmão para tratamento da tuberculose, biomateriais com porosidade controlada que melhoram a fixação dos implantes cirúrgicos e nanomembranas capazes de eliminar desde o sal da água do mar até substâncias tóxicas do sangue.

Estes são alguns dos avanços em nanotecnologia desenvolvidos pelo Instituto Nacional de Tecnologia (INT), do Rio de Janeiro, que serão apresentados durante evento na próxima terça-feira.

A nanotecnologia refere-se ao estudo de materiais com dimensões na escala do nanômetro, equivalente a um bilionésimo de metro.

Implantes de titânio

Os biomateriais com porosidade controlada minimizam os danos aos tecidos adjacentes a implantes cirúrgicos, favorecendo a recuperação do paciente e prolongando a duração do material implantado.

O sistema permite o crescimento ósseo nos poros da superfície do material, e essa ancoragem garante a transferência perfeita da carga exercida entre o osso e o implante.

Conduzida pela tecnologista Marize Varella, a pesquisa consiste em estudar métodos para modificar a superfície de titânio, tais como o depósito de revestimentos biocerâmicos nanométricos e a superfície com nanoporosidade induzida.

Esses tratamentos têm a possibilidade de transferência de tecnologia, e em breve podem repercutir na introdução no mercado nacional de implantes com características inovadoras.

Nanopartículas biocompatíveis

A produção de nanopartículas poliméricas biocompatíveis capazes de conduzir tuberculostáticos - drogas usadas no tratamento da tuberculose - é outra nanotecnologia inovadora desenvolvida no Laboratório do INT, em parceria com a Universidade Federal Fluminense (UFF).

O responsável pela pesquisa, o tecnologista Fábio Dantas, mostrará como as nanopartículas aprimoram o tratamento pulmonar por aerossóis. As nanocápsulas poliméricas - feitas com polímeros - veiculam três medicamentos num único sistema, aumentando sua eficácia e reduzindo a dosagem e, consequentemente, os efeitos tóxicos dessas substâncias.

Membranas cerâmicas

Durante o evento, será apresentada também a solução desenvolvida pelo engenheiro José Carlos da Rocha para produção de nanomembranas cerâmicas com porosidade e permeabilidade controladas.

O material serve para a dessalinização da água (seleciona íons salinos), torna a água potável (elimina bactérias e particulados) e na hemodiálise (filtra substâncias indesejáveis do sangue).

Equipamentos da nanotecnologia

O público terá ainda uma visão geral sobre a nanotecnologia, seus equipamentos, aplicações tecnológicas, novos materiais já desenvolvidos e a posição do INT nesse cenário. Esse panorama será apresentado pela engenheira química Fabiana Magalhães Teixeira Mendes, da área de Catálise, e pelo coordenador de Desenvolvimento Tecnológico do INT, Paulo Gustavo Pries de Oliveira.

Abrangendo áreas de atuação do INT, como processamento e caracterização de materiais e catálise, a nanotecnologia leva a inovação ao nível da estrutura da matéria. Atuando na escala do nanômetro, com auxílio de microscópios eletrônicos de varredura, esta tecnologia tem permitido o desenvolvimento de novos materiais, como nanocompósitos, biomateriais, catalisadores, fármacos e semicondutores.