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PRODUÇÃO DE NANOMATERIAIS AUTO-ORGANIZÁVEIS: Novo método permite a produção de nanomateriais com forma de bolachas finas

PRODUÇÃO DE NANOMATERIAIS AUTO-ORGANIZÁVEIS: Novo método permite a produção de nanomateriais com forma de bolachas finas

Vol. 1, N. 15, 05 de Agosto de 2014
DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2014.08.05.003

Imagine um convidado em sua casa e, de repente, ele encosta o sapato sujo em sua parede branquinha, deixando aquela marca preta bem evidente! “Que vontade de chutar para fora esse “caro amigo”! Que mal educado!”. Ou imagine você, depois de ter lavado e polido seu carro novinho voltando de um sítio que só tem estrada de terra para ir e e voltar! “Ah, prefiro ficar em casa no final de semana!”. Pois bem, um grupo internacional de cientistas desenvolveram um novo método de síntese que permite a produção de camadas muito finas de carbono para uma ampla gama de aplicações.

Os cientistas desenvolveram um nanomaterial promissor que pode ser adaptável para uso em uma grande variedade de aplicações. Uma equipe internacional liderada por cientistas do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL) e do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Potsdam-Golm, na Alemanha, desenvolveram um método elegante para a produção de nanocamadas de carbono auto-organizáveis e equipando-as quimicamente com uma variedade de funções (1). Tais nanocamadas de carbono funcionalizadas são acreditadas em serem adequadas para várias aplicações. Por exemplo, elas poderiam atuar como revestimentos que tornam as superfícies tanto a prova de riscos e repelentes de sujeira (isto resolveria o problema do convidado que pisa com o sapato sujo na parede branca de sua sala de estar! Ou, não seria mais preciso lavar o carro depois de uma ida ao sítio sobre uma estrada de terra, além de economizar água. Grande solução para São Paulo!), ou como sensores para a detecção de quantidades muito pequenas de substâncias, como em testes de diagnósticos clínicos. A condutividade eléctrica de camadas de carbono, também as torna adequadas para utilização como componentes eletrônicos em várias aplicações.

Na tecnologia do futuro, algo inconcebivelmente pequeno poderia muito bem se tornar um gigante. Os cientistas estão pesquisando muitas variantes de nanomateriais, ou seja, substâncias com dimensões na faixa de 100 nanômetros. O prefixo nano deriva da palavra grega para “anão”, e refere-se a um bilionésimo de parte. Assim, um nanômetro é um bilionésimo de um metro. Vamos tomar como exemplo o cabelo humano, que geralmente tem, em média, 100 micrômetros de diâmetro, ou a décima parte de 1 mm (0,1 mm), ou a centésima parte de um centímetro (0,01 cm). Digamos que você encontrou um cabelo com espessura mediana, com diâmetro de 100 micrômetros. Um micrômetro equivale a 1.000 nanômetros; portanto, você precisaria cortar este fio pelo menos 100 mil vezes no sentido do comprimento para fazer um fio que tivesse um nanômetro de espessura (para mais informações veja http://nanocell.org.br/proteina-corona-um-desafio-para-o-uso-de-nanoparticulas/).

Os cientistas estão muito confiantes com um material particular que tem estas dimensões: as nanocamadas carbono (Figura 1). São como camadas de favo de mel de átomos de carbono que possuem poucos nanômetros de espessura – ou até menos. As mais finas nanocamadas de carbono concebíveis deste tipo são os grafenos, que consistem em uma única camada de carbono (Figura 2) e que nosso grupo está produzindo em colaboração com os professores Dr. Luiz Orlando Ladeira e Dr Rodrigo Gribel do Departamento de Física da UFMG. Para muitas aplicações, seria importante ser capaz de equipar estas folhas de carbono ultra-finas com certos grupos químicos sobre a molécula, conhecida como grupos funcionais. Isso só foi possível de forma limitada até agora porque as nanofolhas de carbono só podem ser geralmente preparadas em temperaturas extremamente altas – e, portanto, em condições que imediatamente destruiriam esses grupos funcionais. O professor Dr. Gerald Brezesinski do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Golm próximo da cidade de Potsdam, na Alemanha, junto com colegas do seu Instituto e de pesquisadores do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL) desenvolveram uma abordagem de síntese que poderia ser de interesse neste contexto. Usando este método, as nanocamadas de carbono, incluindo os grupos químicos funcionais, podem ser acessíveis a temperaturas consideravelmente mais baixas do que aquelas normalmente aplicadas na produção de tais materiais (1).

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Figura 1: A folha de nano que pode adotar várias funções: Uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces, na Alemnha, e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia, em Lausanne (EPFL), gerou uma nanocamada de carbono a partir de moléculas que se acumulam em paralelo, em uma base auto-organizável sobre uma superfície de água e formam um tapete denso no processo. A folha pode ser equipada com funções ou grupos químicos para diferentes aplicações em ambos os lados, ligando grupos químicos correspondentes nas extremidades da molécula de partida. As nanocamadas podem ser vistas como um filme perfurado na imagem do microscópio eletrônico de varredura. Crédito: EPFL (1)

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Figura 2: Estrutura do nanomaterial Grafeno: como um favo de mel, onde os pontos são átomos de carbono.

Mergulhando fundo no saco de truques químicos

Para formar uma estrutura plana de átomos de carbono, os pesquisadores suíços implantaram uma série de truques. Um dos principais compostos químicos de interesse a ser estudado foi uma molécula cuja seção média tem seis ligações triplas e simples de carbono-carbono alternadas. Estas seções consistem exclusivamente de átomos de carbono e são altamente reativas, uma vez que também podem ser submetidas a reações químicas a baixas temperaturas. Em contraste com outros processos, isto significa que as camadas finas de carbono podem ser produzidas a partir destas moléculas à temperatura ambiente. A partir disso, os pesquisadores desenvolveram um Nanomaterial Auto-organizável de Nanocamada de Carbono (Figura 3).

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Figura 3: A nanocamada de carbono auto-organizável: as cadeias de moléculas com extremidades solúvel (cauda solúvel em água) e insolúvel (cauda insolúvel em água) em água se auto-organizam em uma superfície de água (em azul) como as cerdas de uma escova. A luz ultravioleta (Luz UV) provoca a reação química, em que as reações do carbono de triplas ligações na seção do meio do composto de partida se combinam para formar uma camada consistente – elas carbonizam-se. Ambos os lados, solúvel e insolúvel em água da nanocamada podem ser funcionalizadas (adicionadas com grupos químicos) que servem para várias aplicações. Crédito: Figura modificada de EPFL/MPI de Colóides e Interfaces. (1)

Usando um teste especial de iniciação, os cientistas providenciaram para que muitas destas moléculas pudessem se alinhar perfeitamente em paralelo umas as outras, em uma única camada auto-organizadora como as cerdas na escova. No entanto, houve uma pequena diferença em relação às cerdas da escova: as cadeias paralelas das moléculas cada uma tinha uma ligeira curvatura. Como resultado desta disposição, as seções ricas em carbono de todas as moléculas estavam localizadas no mesmo nível. Quando os pesquisadores aplicaram luz UV sobre este processo de iniciação, algumas das ligações triplas romperam-se e novas ligações foram formadas entre os átomos de carbono de moléculas vizinhas. Como quase todas as cerdas assim, eventualmente estavam ligadas com as suas cerdas vizinhas, uma camada consistente de átomos de carbono surgiu – uma nanocamada de carbono.

Para que tudo isso acontecesse, os cientistas em Lausanne tiveram que cavar fundo dentro da caixa de truques químicos para a concepção do precursor molecular. A fim de assegurar a disposição paralela de suas moléculas, eles desenvolveram moléculas semelhantes a surfactantes, semelhantes aos encontrados em detergentes. Enquanto uma extremidade de tais moléculas se dissolvia bem em água, a outro não se dissolvia. Entre esses dois extremos, os cientistas colocaram as ligações triplas reativas (Figura 3).

Quando colocaram o composto em contato com a água, neste ponto, apenas uma das extremidades da molécula foi dissolvida. Todo o resíduo remanescente foi tão insolúvel em água que sobressaía a partir da superfície da água para o ar. Os pesquisadores conseguiram deliberadamente definir uma distância uniforme entre as cerdas moleculares individuais. Ao nível das ligações triplas, a distância tinha de ser menor do que 0,4 nm, já que os átomos de carbono vizinhos precisam estar suficientemente perto uns dos outros para que se formassem novas ligações entre eles, sob ação da luz UV.

O sucesso do processo de síntese foi confirmado por análises altamente especializadas

Para os cientistas, era importante compreender como a camada molecular ao longo do limite água-ar, na verdade, parecia, e como isso mudava no decurso da reação. Métodos especiais entraram em jogo aqui, que fazem parte do repertório do Prof. Gerald Brezesinski e seu grupo de pesquisa no Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Potsdam, Alemanha. Por exemplo, para detectar a posição dos átomos relevantes da camada limite água-ar – e, assim, também a disposição exata das moléculas de partida – os pesquisadores usaram feixes de raios-x de alta energia do Laboratório síncroton DESY em Hamburgo, Alemanha. As maneiras pelas quais esses feixes foram espalhados ou refletidos na nanocamada de amostra ultra-fina em forma de bolachas, eventualmente, forneceram informações sobre o arranjo exato das moléculas de partida.

Com a ajuda da espectroscopia de reflexão-absorção de infravermelhos, os cientistas depois conseguiram traçar a reação real durante a irradiação com UV. Para isso, eles mediram como o sinal característico das ligações triplas declinou continuamente ao longo do curso da reação. Uma técnica muito especial usada pelos pesquisadores em Potsdam foi útil aqui. Influências perturbadoras das moléculas de água presentes apenas podiam ser mascaradas com a ajuda desta técnica. Há apenas alguns grupos de pesquisa no mundo que podem fazer esse tipo de espectroscopia de infravermelho em tais camadas visíveis.

Técnicas especiais utilizadas pelos pesquisadores do Max Planck alocados em Potsdam também se mostraram úteis na caracterização do produto resultante. Estas incluem, por exemplo, a microscopia de ângulo de Brewster, que foi desenvolvida em torno de 20 anos atrás no Instituto Max Planck de Biofísica Química de Göttingen. Com a ajuda deste microscópio, os pesquisadores foram capazes de mostrar que o produto era uma camada lisa muito homogénea, que tem um total de dois nanómetros de espessura – e, por conseguinte, na verdade, uma nanocamada de carbono.

Isto significa que é realmente possível desenhar moléculas semelhantes à surfactantes de uma forma que permite a sua utilização na síntese de uma camada de carbono em uma superfície de água.

Ponto de partida para “nanocamadas de carbono funcionais”

No final do processo de síntese, as extremidades das moléculas de partida ainda sobressaíam da nanocamada – a extremidade solúvel em água de um lado, e a extremidade insolúvel na outra. Este fator particular é extremamente importante para os pesquisadores, uma vez que cria a possibilidade de ligar grupos químicos em uma extremidade antes da síntese que dará à formação subsequente da nanocamada de carbono com uma função especial. Os grupos químicos adicionados suportariam o processo de produção das nanocamadas de carbono sem danos a elas, e também seriam mantidos na nanocamada de carbono resultante.

Deste modo, por exemplo, seria possível ancorar grupos químicos, em uma das extremidades, que, mais tarde, poderiam ser ligados à determinadas superfícies de vidro (como parabrisas de carro, por exemplo) ou metal (a própria lataria do carro, por exemplo). Grupos também podem ser ligados a outra extremidade fazendo com que a camada seja repelente de sujeira, assim, teríamos um carro inteiramente limpo, mesmo andando em estrada de chão. A camada de carbono por si mesma, também faria a superfície muito resistente a riscos. Nossa, o carro ainda não arranharia facilmente! Nanosensores químicos podem também ser construídos a partir de tais camadas muito finas. Para este fim, os grupos químicos podem ser integrados nas moléculas de partida que, posteriormente, garantiriam a interação com o grupo de substâncias ou substância a ser medidas. A elevada condutividade elétrica das nanocamadas de carbono pode então ser utilizada para a transmissão dos sinais de medição. As pesquisas de Lausanne e Potsdam espero, portanto, que o seu processo inovador para a produção de nanocamadas de carbono funcionais auto-organizáves irá pavimentar o caminho para um grande número de novas aplicações interessantes. Um grande sucesso foi obtido!

Referências

Imagens: EPFL; EPFL/MPI of Colloids and Interfaces

1. Schrettl S, Stefaniu C, Schwieger C, Pasche G, Oveisi E, Fontana Y, et al. Functional carbon nanosheets prepared from hexayne amphiphile monolayers at room temperature. Nature chemistry. 2014 Jun;6(6):468-76. PubMed PMID: 24848231. Epub 2014/05/23. eng.

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