Olhar de um Físico

por Rui Namorado Rosa

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Nanociência e Nanotecnologia

Entre as novidades científicas mais recentes, portadoras de promissoras inovações tecnológicas, contam-se hoje as propriedades exóticas de estruturas minúsculas, sub-micrométricas (componentes de dimensão muito inferior ao milésimo de milímetro) que poderão ser moléculas mais ou menos complexas, capazes de executar funções especializadas, tecnicamente muito interessantes. Essas funções podem ser mecânicas, eléctricas, ópticas, bioquímicas, e o mais que se inventar. É o domínio da Nanociência e da Nanotecnologia.

Um dos pontos de partida para este novo domínio da Ciência que começa a ser Tecnologia também foi a descoberta, em 1985, por Richard Smalley, Robert Curl (Houston, USA) e Harry Kroto (Sussex, RU), de uma molécula inédita. A motivação era investigação básica para replicar, no laboratório, presumíveis reacções químicas ocorrentes nas atmosferas de estrelas gigantes vermelhas ricas em carbono. Um intenso feixe de luz laser incidente sobre uma superfície de grafite vaporizava partículas de carbono, depois arrastadas e arrefecidas numa corrente gasosa em expansão; mas no entretanto essas minúsculas partículas constituíam agregados de carbono cuja massa era de imediato analisada. Sob condições favoráveis, era possível obter quase exclusivamente partículas com a massa de 60 átomos de carbono; essa estrutura corresponderia à mais pequena e estável arrumação de átomos de carbono puro; concluiu-se que teria forma quase esférica, semelhante à das cúpulas geodésicas inventadas e popularizadas pelo arquitecto norte-americano Buckminister Fuller (ou se preferirmos, análogas às bolas de football) e por essa razão a essa peculiar molécula de carbono foi dado o nome de buckyball. Esta é uma de várias moléculas de carbono hoje conhecidas e que constitui uma família designada buckminster fullurenos.

A essa descoberta inicial seguiu-se, poucos anos depois (1991), por Sumio Iijima e outros investigadores japoneses da NEC Corporation, a descoberta de outras estruturas minúsculas de carbono produzidas em arcos eléctricos com eléctrodos de grafite. Desta vez, identificaram-se filamentos tubulares cilíndricos de carbono puro, como lâminas de grafite enroladas sobre si mesmas, com diâmetros de poucos nanometros (um milionésimo de milímetro). Estas curiosas moléculas de carbono surgem sob várias formas: tubos com extremidades abertas ou fechadas (fechadas por estruturas hemisféricas como a buckyball) e consistindo em um, dois ou mais tubos ou camadas concentricamente encaixadas. Constituem uma família designada por nanotubos de carbono. Foi preciso esperar pelos fins do século XX para se descobrir que o carbono puro, para além de ocorrer nas suas conhecidas formas de grafite (a dos bicos de lápis e lapiseiras!) e de diamante (o das cobiçadas jóias), também ocorre nestas outras formas microscópicas. Ora estas novas formas microscópicas sabem-se produzir hoje em grandes quantidades. E gozam de propriedade inéditas que se vão descobrindo a pouco e pouco.

As buckyballs podem "arrumar-se", em combinação com átomos de metais ou outros elementos químicos, em estruturas periódicas, cristais, com propriedades novas, isto é, novos materiais com propriedades potencialmente interessantes, designadamente supercondutoras. Podem também servir de base para a síntese de moléculas complexas e com propriedades bioquímicas interessantes, designadamente produtos farmacêuticos anti-virais. Os carbon tubes revelam interessantes propriedades eléctricas, desde excelente condutividade (como o cobre) a versátil semicondutor; térmicas, com elevadíssima condutividade térmica ao longo do seu eixo (como o diamante); mecânicas, a mais resistente e rígida fibra conhecida. Estes nanotubos podem ser utilizados como fio condutor microscópico; como substrato microscópico para dispositivos electrónicos e optoelectrónicos; como suporte adsorvente muito eficaz (muito superior ao "carbono activado"); como suporte para elementos químicos catalizadores. No limite, podemos imaginar um computador construído à escala microscópica. Os nanotubos associam-se espontaneamente em feixes ou fibras e nessa forma podem ser incorporados em materiais compósitos mecanicamente muito resistentes (este tipo de aplicação já era conhecida); utilizados como eléctrodos de células de combustível; como suporte para armazenamento compacto de gases; etc.

Outro ponto de partida para a Nanotecnologia, e de facto a sua origem mais remota, é a técnica subjacente aos microscópios de efeito de túnel com varrimento (STM) e de força atómica (AFM), descobertos e muito utilizados desde o princípio da década de 1980. A invenção do STM pode considerar-se o primeiro passo no curso das nóveis Nanociência e Nanotecnologia e foi significativamente assinalada com o prémio Nobel da Física atribuído em 1986 aos seus inventores Gerd Binnig (Alemanha) e Heinrich Röher (Suiça). Nestes microscópios, uma superfície sob observação é explorada pela extremidade de uma sonda finíssima que se desloca longitudinalmente à superfície e a muito curta distância desta. No primeiro caso, dá-se a passagem de uma pequeníssima corrente eléctrica da sonda para a superfície, que é ampliada e registada; no segundo caso, a sonda é mais ou menos atraída pela superfície, força essa que deflecte a delicada alavanca que suporta a sonda, deflexão que é detectada e registada. Num e noutro caso, a sonda responde às propriedades locais da superfície sob observação, sendo possível, em condições favoráveis, "observar" individualmente os átomos na superfície e obter um "fotografia" onde são observáveis a topografia e a composição. Estes microscópios STM e AFM são os primeiros membros de uma família de dispositivos micro-electro-mecânicos (MEM). Actualmente, algumas empresas - IBM, Hewlett-Packard, Nanochip e Seagate Technology, nos EUA, Hitachi no Japão e Royal Philips Electronics nos Países Baixos - procuram aplicar os mesmos princípios ao desenvolvimento de memórias para computador, dotadas de muito elevadas capacidade, densidade e velocidade de leitura.

Um mais recente suporte da Nanotecnologia, desde há dez anos a esta parte, baseia-se na exploração das propriedades das moléculas de ADN. Cada uma destas moléculas consiste numa dupla hélices, constituída pela associação meticulosa de duas cadeias helicoidais; cada uma destas (polinucleótido) é uma longa cadeia de moléculas alternadamente de ácido fosfórico e de um açúcar, em que se inserem lateralmente moléculas de bases azotadas: adenina (A), timina (T), citosina (C) ou guanina (G); as duas cadeias helicoidais entrelaçam-se a compasso, ligando-se através de enlaces entre as bases azotadas de uma e outra hélice; porém, só dois encaixes são compatíveis para que a equidistância e a estabilidade se alcancem: as associações A-T e C-G. A molécula resultante, o ADN, tem cerca de 2 nm (nanometro) de diâmetro, o passo entre pares de bases é 0,34 nm e o passo da hélice é 3,4 nm (correspondente a dez degraus de pares de bases). Destes pressupostos resultam duas propriedades muito importantes: primeiro, cada cadeia ou hélice tem inscrita uma informação incorporada numa longa sequência composta a partir de um particular ordenamento das quatro bases (A,T,C,G); segundo, dada uma hélice, existe uma e uma só outra hélice com a qual essa se pode encaixar de forma estável para formar ADN; ou seja, desenlaçadas as duas hélices, cada uma transporta consigo a mesma informação que a outra.

A bioquímica das moléculas de ADN é conhecida; diferentes enzimas actuam em partes específicas do ADN e de forma específica. Muito mais recente é o conceito e a prática de examinar as propriedades mecânicas da dupla hélice de ADN. O ADN é flexível; a aplicação engenhosa de forças microscópicas às extremidades de uma molécula de ADN revelou que ela se comporta elasticamente (com elasticidade comparável à do vidro plástico) até que, atingido um dado limiar de força, a sua extensão quase duplica, o que corresponde à transição da forma helicoidal para uma forma quase linear, em que os dois polinucleótidos se desenrolam e ficam quase esticados. A flexibilidade do ADN explica que espontaneamente, sob agitação térmica, forme rolos ou novelos; uma molécula com 17 micrometro de comprimento forma um novelo com cerca 1 micrometro apenas; secções distantes entram assim em contacto, o que é essencial para processos de reparação no interior das células.

O ADN pode ocorrer em formas em que os dois polinucleótidos estão mais ou menos dissociadas ou mais ou menos desenrolados, em resultado da acção de enzimas específicos que fazem corte e colagem de troços de ADN (um caso é a ADN-helicase que actua na reparação de ADN cromossómico); esta acção bioquímica começa agora a ser também estudada do ponto de vista mecânico. A ADN-polimerase é a enzima capaz de duplicar um troço de hélice simples, que depois actua como mensageiro e matriz para a síntese de proteínas; uma vez estudado do ponto de vista mecânico, revelou-se ser dotado de uma capacidade motora superior à dos motores moleculares responsáveis pela contracção muscular.

Secções curtas e flexíveis (oligonucleótidos) de uma das duas cadeias helicoidais de ADN (polinucleótido) são nanoestruturas portadoras de uma informação precisa. Como tal podem servir quer como blocos elementares de construções mecânicas microscópicas quer como passos de processamento de informação e de computação. São sintetizadas rotineiramente quantidades macroscópicas de polinucleótidos mais ou menos idênticos ou diversos que constituem uma "matéria-prima" para a nanotecnologia. Duas secções simples de ADN (oligonucleótidos) que contenham troços com sequências de bases complementares entre si tendem a acoplar-se (hibridização) e formar um troço de dupla hélice; dar-se-á então uma colagem entre essas secções; este processo pode repetir-se com outras secções presentes e estruturas mais extensas e complexas formar-se. De uma mistura de um certo número de determinados oligonucleótidos resultará uma determinada mistura de estruturas moleculares possíveis, aquelas que são compatíveis com as sequências inicialmente inscritas; as combinações moleculares sintetizadas constituem o universo de soluções possíveis para o "problema" inicialmente colocado; a "reacção química" assim conduzida materializa um poderosíssimo processo de computação paralela.

Duas moléculas de ADN podem também combinar-se entre si, em troços de dois (lineares), três ou quatro braços, sob o estímulo de um agente enzimático; esta última junção é particularmente notória por ser aquela que ocorre biologicamente como passo intermédio na recombinação genética. Mas este processo de combinação pode ser prosseguido e estruturas mais extensas e complexas construídas (designadamente poliedros), cuja topologia e dimensão estão pré-determinadas pela sequência de bases insertas no ADN. Moléculas de ADN podem ainda servir como suporte para nuclear a deposição de ouro ou prata e constituírem fios condutores microscópicos; e dada a possibilidade de construir estruturas complexas em ADN, estará por essa via aberto o caminho para o fabrico de microcircuitos electrónicos.

A Nanociência toma como ponto de partida as propriedades atómicas e moleculares, governadas pelas leis "insólitas" da mecânica quântica, para, a partir delas, conceber e construir sistemas com propriedades ou desempenhos desejados.

As Nanociência e Nonotecnologia oferecem novas abordagens ao trabalho de físicos, químicos e biólogos, ao nível do estudo de estruturas e de fenómenos atómicos e moleculares, e novas oportunidades para reunir conhecimentos oriundos da Física, Química e Biologia, tendo em vista a procura de soluções para questões que tradicionalmente se colocavam separadamente no âmbito de cada uma dessas disciplinas.

Desde uma molécula inteligente capaz de realizar cálculo pesado a um veículo microscópico capaz de observar e reparar o interior do organismo humano, diversas são as ideias que se colocam e começam a ser exploradas. Na Electrónica, enquanto as presentes tecnologias se aproximam dos seus limites intrínsecos de dimensão e de rapidez, as nanotectnologias permitirão ultrapassar futuramente essas barreiras; no caso da computação, mediante computadores moleculares ou computadores quânticos. Quanto a materiais, as novas formas de carbono - como os fullurenos - oferecem oportunidades de fabrico de novos materiais simples ou compósitos, de meios poderosamente adsorventes bem como de tratamento ou fabrico de superfícies com comportamentos físicos (dureza, atrito, ...) ou desempenhos químicos (estabilidade ou reactividade, actividade catalítica, ...) inovadores. As propriedades dinâmicas de certas estruturas moleculares abrem também caminho à concepção e realização de máquinas microscópicas (nano-motores, nano-bombas, nano-propulsores, ...) que realizem tarefas com elevada economia de material e de energia; também se prevê a possibilidade de serem construídos sensores e actuadores microscópicos. A electrónica e a mecânica baseadas nas nanotecnologias permitem conceber sistemas microscópicos que consigam realizar processos de fabrico automatizados. Quanto à Biologia, tem-se em vista a nano-síntese de bio-moléculas (proteínas, ácidos nucleicos, ...) que ofereça renovadas oportunidades de produtos e de processos em biomedicina e farmacotecnia.

A União Europeia considerou no seu Sexto programa quadro para Investigação e Desenvolvimento as Nanociências e as Nanotecnologias a par de materiais multifuncionais e processos de fabrico. Diversos países assumiram já programas nacionais neste novo domínio do conhecimento e da técnica, nomeadamente os EUA, o Japão, o Brasil, etc. Deveremos estar atentos, e não deixar de nos empenhar nesse esforço, também.

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