Nanociência e Nanotecnologia

A nanociência está sendo considerada como um dos mais fascinantes avanços nas tradicionais áreas do conhecimento. Ela nos fornece, entre outras coisas, a chave para o entendimento da auto-organização dos sistemas vivos da natureza. A sua aplicação, a nanotecnologia, promete ser uma nova e vibrante revolução industrial, fornecendo o entendimento, a produção, o controle e o uso da matéria estruturada no nível atômico e molecular, ou seja, a dimensões de 1 a 100 nanometros, onde fenômenos de natureza quântica permitem novos e revolucionários rumos. Um nanometro, cuja abreviatura é nm, equivale a um bilionésimo de metro. Como referência comparativa, o diâmetro médio de um átomo mede 0,2 nm, um vírus tem um tamanho variável de 10 a 100 nm, uma bactéria mede em torno de um milionésimo do metro, ou seja, 1000 nm, e o diâmetro de um fio de um cabelo humano corresponde a cerca de 50 mil nm (ver Fig. 1).

   

Fig. 1: A escala nanométrica obtida reduzindo-se a dimensão da mão humana a partir do quadrado central (na sequência: 10 cm, 1 mm, 100 nm).

Muito embora o interesse pela nanociência e nanotecnologia (N&N) pareça ser bastante recente, sabemos que ela existe desde quando átomos e moléculas começaram a se organizar em estruturas complexas dando origem à vida. No entanto, considera-se que o seu marco inicial se deu no dia 29 de dezembro de 1959 ocasião em que o Prêmio Nobel de Física Richard Feynman proferiu, na Reunião Anual da American Physical Society (Sociedade Americana de Física) ocorrida no California Institute of Technology (Instituto Tecnológico da Califórnia),  em Pasadena-CA, a palestra "There's plenty of room at the bottom" ("Há bastante  espaço lá embaixo"). Nesta palestra ele sugeriu que em um futuro próximo a humanidade conseguiria manipular objetos de dimensões atômicas. Como ilustração, Feynman desafiou a comunidade científica a diminuir em 25 mil vezes a página de um livro. Isto tornaria possível condensar, na cabeça de um alfinete, todas as páginas dos 24 volumes da Enciclopédia Britânica, abrindo assim as perspectivas de que muitas descobertas se fariam com a fabricação de materiais em escala nanométrica.

Em termos tecnológicos, uma primeira motivação para o desenvolvimento de objetos e artefatos na escala nanométrica está associada à possibilidade de que um número cada vez maior deles venha a ser reunido em dispositivos de dimensões muito pequenas, aumentando assim a compactação e sua capacidade para o processamento de informações. Por exemplo, o tamanho dos transistores e componentes se torna menor a cada nova geração tecnológica, o que permite um maior rendimento de novos chips processadores que neles se baseiem. Embora de tamanho igual ou menor aos da geração anterior, esses chips podem combinar número muito maior de componentes ativos em uma única unidade. Ao mesmo tempo, uma redução na escala física levará também a uma economia de energia, já que a potência desperdiçada por um dispositivo é proporcional a seu tamanho. 

No entanto, mais que na procura pelo simples benefício direto da redução de tamanho, a grande motivação para o desenvolvimento de objetos e dispositivos nanométricos reside no fato de que novas e incomuns propriedades físicas e químicas - ausentes para o mesmo material quando de tamanho microscópico ou macroscópico - são observadas nessa nova escala. Por exemplo, uma amostra de um material metálico, ou seja, naturalmente condutor de eletricidade, pode se tornar isolante quando em dimensões nanométricas. Um objeto nanométrico pode ser mais duro do que outro que, embora formado do mesmo material, seja de maior tamanho. Por sua vez, a cor de uma partícula de um dado material pode também depender de seu tamanho. Um material magnético pode deixar de se comportar como um imã ao ser preparado sob forma de amostras nanométricas. Um material relativamente inerte do ponto de vista químico, como o ouro, pode se tornar bastante reativo quando transformado em nanopartículas. Enquanto a nanociência busca entender a razão para essa sutil mudança de comportamento dos materiais, a nanotecnologia busca se aproveitar destas novas propriedades para desenvolver produtos e dispositivos para vários diferentes tipos de aplicações tecnológicas. 

Um dos feitos mais importantes para o desenvolvimento da N&N foi a invenção em 1981 do microscópio de varredura por tunelamento eletrônico nos laboratório da IBM em Zurich-Suiça. A concepção deste microscópio é bastante simples, baseada no funcionamento dos antigos toca-discos. Uma agulha extremamente fina, cuja ponta é constituída de alguns poucos átomos ou até mesmo de um único átomo, "tateia" uma superfície sem nela tocar, dela afastada de menos de um nanometro. Durante a varredura da agulha, elétrons tunelam (tunelamento é uma forma de movimento de origem quântica que ocorre na escala atômica) da agulha para a superfície e com base nessa corrente de tunelamento um computador constrói uma imagem extremamente ampliada da superfície, na qual ficam visíveis os seus átomos. Dessa forma, pela primeira vez o relevo atômico da superfície de uma estrutura pôde ser visto e investigado. Ele deu origem a uma família de instrumentos de visualização e manipulação na escala atômica, coletivamente denominados microssondas eletrônicas de varredura. Em um sentido figurado, eles podem operar como pinças capazes de manipular átomos e moléculas. Isso foi demonstrado de forma espetacular em 1990, nos laboratório da IBM em Almaden, Califórnia, ocasião em que o logotipo IBM foi escrito precisamente posicionando 35 átomos de xenônio sobre uma superfície de níquel.

Parte muito significativa da N&N concentra-se na criação de novas moléculas com arquiteturas  especiais, do que resultam propriedades também muito especiais. Um grande esforço está sendo concentrado na invenção e produção de moléculas cuja arquitetura faça com que elas se auto-organizem em estruturas maiores, similarmente ao que ocorre com as moléculas biológicas. As possibilidades vislumbradas são de tirar o fôlego: computadores moleculares muito mais poderosos, catalisadores nanométricos mais diversificados e eficientes, materiais avançados para próteses, e até anticorpos sintéticos capazes de encontrar e destruir vírus ou células cancerígenas onde eles se encontrem no corpo. Na verdade, toda a farmacologia pode obter avanços revolucionários advindos da N&N. Os princípios ativos das drogas podem ser agregados à superfície ou encapsulados no interior de macromoléculas projetadas para serem absorvidas por órgãos específicos do corpo, ou por órgãos afetados por determinadas doenças, onde finalmente liberarão a droga. Dessa forma, doses muito menores de drogas podem se tornar efetivas, com a conseqüente drástica redução dos efeitos colaterais.

Uma outra vedete desta nova tecnologia é a engenharia molecular, isto é a engenharia na escala atômica/molecular. Esta é a última escala da matéria ordinária, onde os materias tradicionais são substituídos por moléculas orgânicas, como o DNA, dando origem ao que está sendo chamado de nanoeletrônica (em contra ponto a microeletrônica responsável por, entre outras coisas, a indústria da informática) e nanorobótica. Quer conhecer uma receita simples para fabricar nanotransistores muito mais eficientes do que àqueles utilizados nos chips de computadores? Então anote: pegue algumas moléculas de DNA com formato que as permitam se ligar a nanotubos de carbono (outra maravilha do mundo nanotecnológico); salpique com alguns grãos de ouro tudo sobre uma superfície limpa de silício: pronto, você tem sua fornada de nanotransistores. O uso do DNA sinaliza que outras moléculas biológicas também poderão ser integradas ao projeto desses circuitos eletrônicos do futuro, modificando profundamente tudo que existe atualmente (veja a Fig. 2).

Fig. 2: Conexão elétrica feita com a molécula do DNA substituindo o fio metálico

O simples fato desta realidade se tornar possível nos leva a aventuras próximas da ficção científica: imagine um robô nanoscópico, do tamanho de uma bactéria, com uma dúzia de braços telescópicos. Agora, encha o ar de um aposento com tais robôs. Eles, automaticamente, se ligam uns aos outros através de seus braços telescópicos e, mantendo-se distanciados um dos outros, formam uma névoa. Uma vez cheio o aposento, eles ocuparão por volta de 5% de ar do mesmo, não prejudicando a sua qualidade. Esses robôs são programados para serem não-obstrutivos. Consequentemente poderá se andar normalmente pelo aposento, respirar, etc., sem que se dê conta da presença deles. Após sua passagem por eles, a rede se constituirá automaticamente! Deseja um copo de refrigerante que está na geladeira? Dê o comando: a porta da geladeira se abre sozinha, o refrigerante é colocado em um copo que parece pairar no ar e este virá até sua mão!Como isto foi possível? A névoa formada pelos robôs nanoscópicos exerceu as forças correspondentes sobre a porta da geladeira, o copo, etc. Tem necessidade de uma cadeira extra? Ela se materializará diante de seus olhos! Aladim nunca conseguiu entender como o poderoso gênio podia caber em sua pequena lâmpada, mas ficava maravilhado por saber que ele, o gênio, podia tornar realidade todos os seus desejos. Muito tempo depois da fábula árabe, a humanidade procura entender o mundo nanoscópico, não somente como ciência pura, mas com o desejo de criar máquinas e produtos que possam ser ao mesmo tempo tão pequenos e tão poderosos quanto o gênio da lâmpada de Aladim (veja a Fig.3). 

Fig. 3: Nanorobôs trabalhando para melhor servir o ser humano.

A N&N prometem tornar os objetos menores, mais rápidos, mais fortes, menos poluentes e mais eficientes. Isso, contudo, não deve ser confundido com miniaturizar o que já foi inventado, e sim entender e controlar o comportamento da matéria na escala nanométrica. O progresso de miniaturização pode ser obtido de duas maneiras. A primeira delas, denominada de “top-down”, significa reduzir sistemas grandes a escalas menores, para o qual se requer custos e avançada tecnologia. Este procedimento é uma evolução natural dos processos utilizados na fabricação de dispositivos microeletrônicos, normalmente se valendo das chamadas técnicas de litografia.  Por outro lado, no procedimento “bottom-up” a nano-estrutura é formada pela deposição lenta e controlada de átomos sobre uma superfície polida e regular, em um processo semelhante ao que a natureza já o faz de uma forma otimizada há milhões de anos em sistemas vivos e no meio ambiente. Embora sabendo-se que imitar processos biológicos naturais não é uma tarefa fácil, esta segunda alternativa é muito mais atrativa que a outra por requerer um menor investimento financeiro e por incentivar fortemente o trabalho conjunto de físicos, químicos, biólogos e engenheiros. Para comprovar a questão da viabilidade dos robôs nanoscópicos basta nos observarmos. De fato, os seres vivos são constituídos de verdadeiras máquinas moleculares (DNA, RNA, ribossomos, etc.), que funcionam em escala atômica e coordenam, de maneira extremamente precisa, os átomos e as moléculas que constituem os seres vivos... e, diga-se de passagem, com muito mais sucesso! (veja a Fig. 4).

Fig. 4: Nanomotor natural: a bactéria Escherichia Coli e sua cauda. Movida por componentes biológicos de escala nanométrica, a cauda gira, impulsionando a bactéria a se mover para frente.

As tendências que já apontam para uma situação de ruptura tecnológica e de mudança profunda na configuração de procedimentos industriais afetarão a sua produtividade relativa, o jogo das vantagens comparativas entre os países, bem como a própria composição do comércio internacional, condenando os países que não se alinharem aos novos padrões a perdas gradativas de competitividade ou até mesmo à esclerose precoce de parques industriais inteiros. Não há nenhum exagero na afirmação precedente: o lado científico e o lado prático da nanotecnologia chegaram para alterar definitivamente velhos padrões industriais e correntes tradicionais de comércio internacional. Uma coisa precisa ficar clara, desde já: os países que não se decidirem por incorporar, por adotar ou que, simplesmente, não se adaptarem ao novo paradigma correm o sério risco de serem alijados dessa nova face da civilização industrial emergente. Trata-se, portanto, de uma questão de sobrevivência e de preservação dos níveis de bem-estar. Estudos vêm se desenvolvendo com sistemática regularidade e os governos de diferentes países têm incluído a N&N na agenda de prioridades de seus investimentos. Para que se tenha uma idéia, em 1997 países da União Européia, os Estados Unidos e o Japão, já haviam investido cerca de 500 milhões de dólares em programas na área. Estes valores mudaram sensivelmente em 2000 quando o governo dos Estados Unidos lançou o “The National Nanotechnology Initiative” (“A Iniciativa Nacional de Nanotecnologia”), com um orçamento de 270 milhões de dólares para apoiar o fomento à pesquisa em N&N pelas várias agências do governo federal americano. A partir daí iniciou-se uma espécie de “corrida ao nano” com investimentos públicos e privados no setor crescendo em uma proporção galopante, com cerca de 4 bilhões de dólares investidos em 2004 e com uma estimativa que até 2015 os bens e serviços de base nanotecnológica deverão ultrapassar 1 trilhão de dólares anuais.

As tendências que já apontam para uma situação de ruptura tecnológica e de mudança profunda na configuração de procedimentos industriais afetarão a sua produtividade relativa, o jogo das vantagens comparativas entre os países, bem como a própria composição do comércio internacional, condenando os países que não se alinharem aos novos padrões a perdas gradativas de competitividade ou até mesmo à esclerose precoce de parques industriais inteiros. Não há nenhum exagero na afirmação precedente: o lado científico e o lado prático da nanotecnologia chegaram para alterar definitivamente velhos padrões industriais e correntes tradicionais de comércio internacional. Uma coisa precisa ficar clara, desde já: os países que não se decidirem por incorporar, por adotar ou que, simplesmente, não se adaptarem ao novo paradigma correm o sério risco de serem alijados dessa nova face da civilização industrial emergente. Trata-se, portanto, de uma questão de sobrevivência e de preservação dos níveis de bem-estar. Estudos vêm se desenvolvendo com sistemática regularidade e os governos de diferentes países têm incluído a N&N na agenda de prioridades de seus investimentos. Para que se tenha uma idéia, em 1997 países da União Européia, os Estados Unidos e o Japão, já haviam investido cerca de 500 milhões de dólares em programas na área. Estes valores mudaram sensivelmente em 2000 quando o governo dos Estados Unidos lançou o “The National Nanotechnology Initiative” (“A Iniciativa Nacional de Nanotecnologia”), com um orçamento de 270 milhões de dólares para apoiar o fomento à pesquisa em N&N pelas várias agências do governo federal americano. A partir daí iniciou-se uma espécie de “corrida ao nano” com investimentos públicos e privados no setor crescendo em uma proporção galopante, com cerca de 4 bilhões de dólares investidos em 2004 e com uma estimativa que até 2015 os bens e serviços de base nanotecnológica deverão ultrapassar 1 trilhão de dólares anuais.

O Brasil dispõe atualmente da melhor base de recursos humanos e infra-estrutura no setor da América Latina. Físicos, químicos, engenheiros e biólogos brasileiros estão investigando com muita competência esse nanomundo que, com sua enorme potencialidade e grande impacto na qualidade de vida de nossa população, está começando a ser visível. O grande desafio é a transição do laboratório para o mercado dos materiais, processos e dispositivos pesquisados. Prevê-se que a N&N deva representar a maior revolução tecnológica presenciada pela humanidade até hoje, superando o surgimento da microeletrônica, das telecomunicações, dos plásticos e das vacinas considerados como um todo. Portanto, o momento decisório atual é muito importante e crucial para o futuro do Brasil nesta área tão estratégica. A adoção de uma política correta de investimentos no setor poderá seguramente representar uma futura participação brasileira com competitividade semelhante a dos países desenvolvidos.

 

Prof. Eudenilson L. Albuquerque

É graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN, 1971), com Mestrado em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RJ, 1975) e Doutorado em Física pela University of Essex (Inglaterra, 1980). Fez estágios de pós-doutorado no International Centre for Theoretical Physics (Trieste, Itália) em 1982 (status de Visiting Scientist), na University of Western Ontario (London-Ontario, Canadá) em 1991/92 (status de Senior Visiting Fellow), e na Harvard University (Cambridge-MA, Estados Unidos) em 1995/96 (status de Visiting Scholar). Foi Visiting Professor na University of Western Ontario (Canadá) em 2003, e no ETH-Zurich (Suiça) em 2008, além de Fulbright Senior Visiting Professor na Boston University (Estados Unidos) em 2006. Atualmente é Professor Titular da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, onde já exerceu o cargo de Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação (1987-1991), e Pesquisador nível 1A do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

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