Mundo nano

Edição 64 – Maio 2011
Por Luciana Mendonça

No ano de 1959, o físico americano e ganhador do prêmio Nobel, Richard Feynman buscou estimular projetos baseados na possibilidade de manipulação de átomos para construir sistemas extremamente pequenos, na escala nanométrica, isto é, na escala da bilionésima (10^-9) parte do metro. No decorrer da história, o homem aprendeu a usar algumas técnicas de manipulação de materiais que hoje se sabe serem nanométricos. Surgiu então o que hoje é chamado de nanociência. Conheça mais sobre a nanotecnolgia.

No ano de 1959, o físico americano e ganhador do prêmio Nobel, Richard Feynman realizou a palestra intitulada “There’s Plenty of Room at Botton” no Instituto de Tecnologia da Califórnia. Feynman buscou estimular projetos baseados na possibilidade de manipulação de átomos para construir sistemas extremamente pequenos, na escala nanométrica, isto é, na escala da bilionésima (10^-9) parte do metro.

Nesta época, o que Feynman apresentava era apenas a possibilidade de desenvolvermos melhorias no microscópio de elétrons, recentemente inventado e com isso propiciar a visão da organização atômica direcionando para sua melhor compreensão e eventual manipulação. Apesar de Feynman não ter usado o termo nanotecnologia, ele é considerado por muitos como o pai dessa nova linha de estudos e atuação.

No decorrer da história, o homem aprendeu a usar algumas técnicas de manipulação de materiais que hoje se sabe serem nanométricos; é o caso da construção milenar de alguns artefatos de argila, da tinta azul dos vitrais da idade média e de alguns catalisadores desenvolvidos no início do século 20.

Surgiram então o que hoje é chamado de nanociência, a busca da melhor compreensão dos fenômenos físicos e químicos nesta escala, e a nanotecnologia, que é o aproveitamento prático deste novo conhecimento por meio da produção de novos materiais, novos compostos e novos mecanismos.

Nesta edição, a revista O Setor Elétrico foi em busca dos caminhos da nanotecnologia na história, até chegar aos atuais estudos e aplicações.

Nasce a nanotecnologia

O termo nanotecnologia surgiu de fato em 1974, durante uma palestra proferida pelo pesquisador Norio Tanigushi, na Universidade de Tókio. Foi durante esta apresentação que se fez a distinção entre engenharia em escala micrométrica (início dos anos 1970, quando a microeletrônica moderna estava começando a ser produzida em larga escala) e o novo campo da engenharia, em escala submicrométrica, que começava a surgir.

Porém, avanços reais no campo da nanotecnologia só foram sentidos nas décadas de 1980 e 1990, com o desenvolvimento dos microscópios de varredura por sonda (SPM), de varredura por tunelamento (STM), de campo próximo (NFM) e de força atômica (AFM). Com estes equipamentos, foi possível “ver” o nível atômico e aprender com esses novos dados.

Em 1986, Richard Smalley, da Universidade de Rice, descobriu uma nova forma de blocos de construção, os fulerenos buckminster ou buckyballs, que acabaram por conduzir à descoberta dos nanotubos de carbono, em 1991, por Sumio Iijima.

Os nanotubos são constituídos basicamente por uma folha de carbono enrolada de modo a conectar suas extremidades, formando um tubo. Estas estruturas vêm revolucionando a nanotecnologia por exibirem excepcional resistência mecânica, além de apresentarem propriedades e aplicações singulares como ao serem utilizados como nanopinças no posicionamento de átomos ou moléculas.

Com o avanço da nanotecnologia, ela passa a oferecer um novo paradigma para a manufatura de materiais, com a manipulação em escala submicrométrica, objetivando criar dispositivos a partir de unidades estruturais fundamentais ou blocos de construção.

Invisível e atômico

A nanotecnologia está além do que nossos olhos podem enxergar. É o que diz o professor do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP), Henrique Eisi Toma. De acordo com a física, para se visualizar um objeto, é necessário que ele tenha a mesma ordem de grandeza do comprimento de onda da luz. “A luz que conseguimos enxergar vai até 400 nanômetros, abaixo disso, não podemos ver. É neste local que o mundo nano surge, dentro de um espaço que para nós é invisível”, afirma o professor.

Apesar de ter sido propagada a partir do final de década de 1950, o mundo invisível a que o professor Toma se refere sempre esteve presente na natureza. Basta olhar a asa colorida de uma borboleta. “Ela possui aquela cor porque a luz bate nela e, devido aos espaçamentos em suas ranhuras, que são nanométricos, só um tipo de luz escapa, criando a coloração”, explica Toma.

Pequenas alterações na combinação de átomos de substâncias geram elementos com propriedades potencializadas. Isso porque a maneira como o mundo se organiza está sempre no nível nano. Um exemplo claro é o carbono que, com pequenas diferenças em sua combinação atômica, tornam seus compostos diferentes – carvão, grafite e diamante. Enquanto o grafite é um semimetal que conduz eletricidade, o diamante funciona como um ótimo isolante.

A verdade é que as propriedades físicas e químicas das “substâncias” só são alteradas no nível subatômico e, em teoria, com o desenvolvimento da física quântica, já se sabia que as interações nesse nível seguem uma lógica diferenciada da física Newtoniana, ou de larga escala.

“No nível molecular e nanométrico, as propriedades das substâncias já estão definidas e não se alteram, mas, isso sim e de forma bem diferenciada, essas propriedades são largamente potencializadas. Esta potencialização acontece pela presença de alta área superficial nessas estruturas nanométricas e pela alta dispersão volumétrica possível em um mesmo volume, quando comparado com estruturas micrométricas ou maiores. Portanto, estamos falando de melhorias na aplicação desses materiais e isso tem origem indefinida, talvez milhares de anos atrás. Entretanto, nas últimas décadas, essas aplicações têm sido cada vez mais testadas e estudas e as descobertas acontecem a todo momento, quase de forma exponencial”, explica o CEO da empresa Nanum, Fernando Contadini.

A interação com a nanotecnologia é particularmente benéfica para a química, pois torna possível criar estruturas inteligentes e ordenadas que independem de colisões caóticas para sofrer reação. “No mundo nano, montam-se as moléculas como se fossem peças, e as estruturas organizadas permitem que a reação se processe de uma forma limpa, que é como ocorre na natureza”, conta Toma.

Sendo assim, o objetivo da nanotecnologia, na concepção de Feymann, é criar materiais e desenvolver produtos e processos baseados na capacidade da tecnologia moderna de ver e manipular átomos e moléculas, com técnicas que envolvem diversas áreas do saber como física, química, biologia, além de engenharia de materiais e computação. Todas elas juntas têm o objetivo de permitir aos seres humanos manipular a matéria até os limites do átomo.

“O que vemos hoje com a nanotecnologia é o limite que as ciências poderão trabalhar e inovar. Não existe nada menor que o átomo e é com ele que essencialmente trabalhamos quando falamos em nanociência, o limite da matéria”, afirma Toma.

Mas como a escala nano foi capaz de inovar a maneira de desenvolver novas tecnologias? Contadini explica que as tecnologias em nanoescala são normalmente divididas em dois grandes blocos: as tecnologias “Botton-up”, de baixo para cima, e as “Top-down

”, de cima para baixo.

 

Quando se desenvolve um novo material, colocando cada átomo escolhido em seu devido lugar dentro da estrutura cristalina planejada e, posteriormente, utiliza este novo material para criar um chip com mais poder de armazenamento, por exemplo, tem-se aí um exemplo de linha “Botton-up”. No entanto, quando se parte de uma peça de grafite macroscópica e a partir dela é isolado um plano atômico único, conhecido como grafeno e a ele são soldados alguns microcomponentes de onde sairá um novo chip, tem-se uma técnica “top-down”.

“As consequências desses novos materiais, novas interações e novos mecanismos abrem uma enorme gama de possibilidades de inovação que ainda estamos longe de perceber sua total dimensão, não só no setor elétrico, eletrônico e de computação, mas na medicina, biologia, química, engenharia de materiais etc.”, acredita Contadini.

A nanotecnologia no Brasil

Pesquisa realizada pela Federação das Indústrias do Estado do Rio de Janeiro (Firjan), publicada em fevereiro deste ano, aponta que o mercado brasileiro de produtos com base em nanotecnologias desenvolvidas originalmente no país somou no ano passado cerca de R$ 115 milhões. A ordem de investimento em nanotecnologia, no resto do mundo, somou US$ 383 bilhões. Os números dão ao Brasil apenas 0,03% da produção mundial de nanotecnologia. A pesquisa não leva em consideração as tecnologias trazidas de matrizes para aplicações no país e nem os produtos importados. Esses números indicam uma grande janela de oportunidades para novos investimentos nesse mercado.

 

Acrescenta-se ao cenário econômico otimista a perspectiva de que os produtos desenvolvidos com base em nanotecnologia ganhem novas funcionalidades e tenham um desempenho aprimorado. Sob esta expectativa, fica evidenciada a importância desse mercado, não só pelos ganhos econômicos, mas também pela possibilidade de garantir a competitividade da indústria no futuro.

A pesquisa também apontou a importância de se intensificar diálogos entre empresários, pesquisadores e agentes financeiros, concebendo plataformas de conhecimento e um clima favorável a projetos ambiciosos de longo prazo. Além da criação de programas de apoio à consolidação e à sustentabilidade de centros de tecnologia, é importante que essas instituições sejam avaliadas pelas respostas rápidas e precisas às demandas de desenvolvimento tecnológico e de inovação das empresas.

“A nanotecnologia tem infinitas possibilidades. Você pode agregar valor a uma gama imensa de produtos a partir do emprego de nanotubos, nanoporos, nanofios ou nanofilmes. É preciso haver um diálogo definitivo entre a indústria e a academia. Infelizmente, a indústria brasileira ainda acha que nanotecnologia boa é a da China, porque é barata. Nós temos potencial tão bom quanto ou melhor que os chineses para produzir nanotecnologia, mas precisamos de incentivo e não só do governo, mas da indústria que, em última instância, é quem vai consumir e disseminar esta tecnologia no país”, afirma o professo Toma.

Para Contadini, a nanotecnologia é percebida por muitos como a nova revolução tecnológica. “Os profissionais, empresas e países que não se posicionarem bem nesta onda de desenvolvimento e inovação, correm o risco de se tornarem obsoletos e dependentes. O Brasil está atento para tal situação, pois a nanotecnologia, nos últimos anos, tem sido considerada uma área estratégica do governo, com vários incentivos para inovação no nível do Ministério da Ciência e Tecnologia e Ministério das Minas e Energia. Começamos atrasados, temos muito que fazer, mas creio que já estamos no caminho certo”, acredita o diretor da Nanum.

Apesar da falta de “credibilidade” dos empresários brasileiros no desenvolvimento da nanotecnologia no país, as pesquisas na área estão bem disseminadas e descentralizadas, segundo informações da professora do Instituto de Química da USP, Susana Inés Córdoba de Torresi. “A nanotecnologia é uma área que vem se expandindo muito no mundo e no Brasil não é diferente, guardadas as devidas proporções. Assim, vemos núcleos de pesquisas não somente no Sudeste, como Nordeste e Centro-Oeste”, esclarece.

A professora também ressalta que, no Brasil, há grande desenvolvimento e aplicação da nanotecnologia para o armazenamento de energia. “Algo que será cada vez mais importante”, ressalta Suzana.

Além de armazenamento de energia, a indústria tem investido muito em nanotecnologia na parte farmacêutica, enquanto, no resto do mundo, as aplicações acontecem com mais ênfase também na indústria farmacêutica, além da cosmética, lubrificantes e tintas especiais.

Na USP os laboratórios de nanotecnologia ligados ao Instituto de Química de São Carlos (IQSC) e ao Departamento de Química da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP) têm realizado pesquisas expressivas na área da nanotecnologia.

Coordenado pelo professor Tamo, o Laboratório de Química Supramolecular e Nanotecnologia (LQSN), do IQ, trabalha atualmente em uma pesquisa em parceria com a Petrobras, sobre extração de petróleo em rochas calcárias. Segundo o professor, essa necessidade surgiu porque a maior parte do petróleo fica alojado em nanoporos dessas pedras e não se consegue extraí-lo.

“Quando se joga água [na pedra] e se pressiona, somente um pouco de petróleo é retirado, o que é cerca de 30% no máximo. O restante, ou seja, 70%, fica na pedra”, afirma.

Na tentativa de entender a interação petróleo-rocha e descobrir como liberar a substância presa, os pesquisadores estão estudando a estrutura de conchas – também compostas por calcário: “com isso, vamos conhecendo melhor a formação dos minerais para podermos entender como o petróleo está grudando”, diz o professor.

O mais interessante, segundo o professor, é que, em meio a estes estudos, são feitas novas descobertas que não se relacionam com o projeto inicial. Um exemplo são as técnicas usadas na experiência com as conchas e que poderão levar à construção do osso artificial. O grupo de pesquisadores também descobriu que, ao remover o calcário da concha, sobra uma estrutura orgânica interna, similar a uma esponja, que já está pronta para fazer crescer novas células ósseas e reparar tecidos, o que será um avanço em pesquisas relacionadas a células-tronco. “Nós começamos a estudar petróleo e podemos colaborar com avanços na área de medicina, o que é fantástico”, ressalta Toma.

O grupo também vem se dedicando ao estudo de nanopartículas magnéticas, que seriam uma alternativa para retirar o petróleo das rochas. Essas partículas são borrifadas no petróleo e, com o auxílio de um ímã, é possível arrastar o óleo do local em que se encontra. A inovação, que é uma patente depositada do laboratório, também pode ser aplicada no caso de vazamentos do líquido no mar. “Nós também podemos utilizar a mesma técnica para despoluir rios e lagos, basta que os empresários e governos desejem de fato colaborar para um planeta melhor”, afirma o professor.

O laboratório chegou também a outro uso para as partículas magnéticas: na medicina, para fazer exames que utilizem técnica do imageamento, com uma resolução muito maior que os produtos atuais alcançam.

Catalisadores nanoparticulados

Na área de células a combustível, muitos esforços são voltados ao estudo e desenvolvimento de catalisadores eficientes para as reações eletródicas que são a redução de oxigênio no cátodo e a oxidação de hidrogênio no ânodo. Segundo o professor Edson Ticianelli, do IQSC – USP, todos estes estudos têm como objetivo comum aumentar a eficiência das reações envolvidas e entender claramente o motivo das variações nas atividades catalíticas. Adicionalmente, estes catalisadores devem ter elevada estabilidade, mantendo sua eficiência de operação durante longos períodos de operação da célula.

A utilização destes catalisadores se dá na forma de nanopartículas, que é importante para aumentar a área de superfície. “Isso permite diminuir a quantidade de metal nobre, mais comumente a platina. As propriedades de partículas ultrafinas dependem fortemente das condições de preparação e, no caso da eletrocatálise, é importante obter elevada homogeneidade, tanto de forma quanto de tamanho, e também um adequado controle da dispersão e da composição, pois todos esses fatores determinam a atividade catalítica do material”, explica o professor.

Nas células do tipo PEMFC, os catalisadores são incorporados nos componentes dos módulos denominados de MEA (do inglês, membrane&electrode assembly) que é o coração do sistema eletroquímico e onde ocorre a conversão de energia química em energia elétrica. O MEA é formado pela prensagem a quente de dois eletrodos, denominados eletrodos de difusão de gás (EDG), interfaceando uma membrana polimérica condutora de prótons.

A estrutura dos EDGs deve ser tal que permita a estabilização do menisco de eletrólito no seu interior sem prejudicar o acesso dos gases reagentes aos sítios ativos. Em razão disso os eletrodos são construídos contendo duas camadas porosas, a camada difusora colocada no lado do gás e a camada catalisadora colocada em contato com o eletrólito. Basicamente, as duas camadas devem apresentar as seguintes características principais:

Camada difusora: cumpre as funções básicas de distribuir o gás reagente, facilitar a remoção dos produtos e conectar eletricamente a camada catalisadora aos circuitos elétricos externos. Na maioria dos casos, a camada difusora também atua como suporte mecânico do eletrodo.

Camada catalisadora: cumpre a função de promover eficientemente a reação eletroquímica e, consequentemente, as características de área eletroquímica efetiva e de eletrocatálise são fundamentalmente suas propriedades mais importantes. É nesta camada que os catalisadores nanoestruturados são incorporados.

O professor Ticianelli lembra que trabalhos conduzidos a partir da década de 1970 mostraram que era possível aumentar a área efetiva do catalisador nobre de 20 m²/g (pó metálico puro) para um valor acima de 100 m²/g por meio da deposição de partículas nanométricas de
platina em um suporte condutor adequado. “Várias espécies de carbono, particularmente negro de fumo purificado e grafitizado, apresentam estabilidade química e suficiente área superficial para atuarem como substratos. No estado atual de desenvolvimento, os eletrodos utilizados na célula de ácido fosfórico e PEMFC apresentam a camada difusora formada por um tecido de grafite hidrofóbico (30% de Teflon em peso) e a camada catalisadora fabricada a partir da mistura de Nafion (35% em peso) com pó de carbono catalisado com partículas de platina na razão de l0% de Pt/C em peso e cuja área específica é superior a 140 m²/g”, explica o professor.

Cronologia dos fatos mais importantes para a história da nanotecnologia

Nanotecologia aplicada ao setor elétrico

No campo dos setores elétrico e eletrônico, muita nanotecnologia tem se desenvolvido, como algumas tecnologias de materiais nanoestruturados, dispositivos semicondutores, a eletrônica molecular, de spins, nanorobótica, nanofabricação, computação quântica, circuitos lógicos etc.

A Nanum, que nasceu com a compra de parte das ações da empresa pelo grupo Clamper, investiu no desenvolvimento de varistores especiais para aplicação na baixa tensão e logo um pequeno varistor feito com componentes nanométricos já operava na faixa de média tensão. “Isso é uma revolução nesta área e nos forçou a procurar parceiros que produzissem componentes para esta faixa de tensão, além de iniciar outro desenvolvimento, com uma tremenda mudança de paradigma para a faixa de tensão inicialmente almejada”, conta Contadini, CEO da empresa.

Ainda neste setor, há dois desenvolvimentos da Nanum com az Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel). Um deles é a tinta anticorrosiva para a proteção especial de estruturas metálicas de uma termoelétrica situada na costa marítima e o outro é uma tinta termocrômica que muda de cor depois que o dispositivo elétrico atinge uma determinada temperatura.

Também foi desenvolvido um ferrofluido com excelente condutividade térmica, principalmente na presença de campos magnéticos. Esse fluido magnético feito à base de ferritas compostas nanoestruturadas está sendo testado para uso em transformadores e autofalantes.

O diretor também fala sobre a adição de diferentes óxidos metálicos nanométricos em diferentes polímeros, que acaba abrindo uma infinidade de oportunidades de uso. Como exemplo, a Nanum tem um projeto com um grande distribuidor de silicone para o setor elétrico em que estão tentando comprovar que a adição de nanopartículas melhora a resistência ao trilhamento elétrico, “além de outras surpresas positivas como a melhoria adicional na resistência ao rasgamento”, ressalta Contadini.

Nesta mesma linha de aplicações em polímeros, está sendo negociado o desenvolvimento de polímeros condutivos transparentes para telas “touchscreen” e painéis fotovoltaicos. Camadas semicondutivas com óxido de zinco e dióxido de titânio nanoestruturados estão neste mesmo pacote visando à produção de células fotovoltaicas, projeto semelhante também é estudado no IQ – USP em São Paulo.

Contadini fala sobre a introdução da alumina alfa nanométrica em poliuretano, conseguindo peças de engenharia com grandes melhorias nas propriedades mecânicas. Segundo ele, este material especial está sendo agora estudado para compor os materiais de construção de pás para aerogeradores.

Resinas isolantes e principalmente cerâmicas isolantes tem sido um dos focos das pesquisas da empresa, quem tem projeto aprovado, com a Cemig, para desenvolver supercapacitores para veículos elétricos à base de cerâmicas de titanato de bário nanoestruturado.

Como se vê, um número razoável de estudos estão sendo realizados com o objetivo de concretizar as novas ideias que a nanotecnologia oferece ao campo das ciências. Apesar da certeza de que há muito a ser feito, o impacto da nanotecnologia já é significativo em diversas áreas. Muitas descobertas ainda devem surgir de dentro deste mundo invisível que encanta e entusiasma os entrevistados desta matéria, pelo seu caráter multidisciplinar e que gerará grandes descobertas e inovações em todas as áreas de conhecimento, com ênfase nos campos da química, da física, da biologia, da medicina e, certamente, do setor elétrico.