Nanociência

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 .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,