Nova Descoberta: Partículas ligam-se em auto montagem como os átomos!

Padrões de partículas até hoje impossíveis de formar. Créditos: New York University

As partículas concebidas para se montarem a si próprias espontaneamente como os átomos que formam as moléculas poderiam dar origem a novos materiais de alta tecnologia, levando a melhores monitores ópticos e a processadores de computadores mais rápidos.

Mas se imitar a natureza tem sido uma abordagem extremamente frutuosa (por exemplo as redes de distribuição residencial do gás natural imitam o sistema sanguíneo dos pulmões dos cães) também é verdade que pode ser um processo extremamente difícil. Ainda está por inventar um robot tão ágil e tão potente como…uma osga. Imagina-se que tal aparato seria ideal por exemplo para limpar armazéns de materiais tóxicos, ou para a manutenção de redes de água, esgoto, e todo o tipo de “pipelines.”

Mas para a tanto chegarmos, primeiro convém dispor de novos materiais mais sofisticados e que…imitem melhor a natureza.

Os cientistas têm criado as novas partículas, que têm 1/100 do diâmetro de um fio de cabelo humano, pela alteração da arquitectura dos coloides, que são partículas minúsculas em suspensão em líquidos, e que podem ser encontradas em produtos do dia-a-dia tão diversos como as tintas, o leite, o vidro e a porcelana. O trabalho é apresentado em detalhe esta semana (7 de Novembro de 2012) na revista Nature.

Os engenheiros têm estado limitados na sua capacidade de manipular essas partículas em novos padrões que formem as estruturas moleculares dos novos materiais, isto porque os coloides se pegam uns aos outros aleatoriamente, ou, como se diz em ciência, eles não têm ligações vectoriais (direccionais), ou ligações  que prefiram uma orientação específica.

Os coloides apresentam um comportamento escalar, pegam-se uns aos outros em todas as direcções, nisto fazem lembrar o bosão de Higgs, que também evolui (decai) em todas as direcções, ao contrário dos outros bosões principais, como o fotão da luz, que se propaga numa direcção bem definida.

Num ensaio de literatura complementar que acompanha a mesma edição da Nature, Matthew Jones e Chad Mirk, da Universidade Northwestern descrevem a difícil situação de tentar montar as estruturas dessas partículas como “tentar montar uma estante com peças cobertas de cola que pegam umas às outras igualmente bem onde quer que se toquem, independentemente de suas orientações direccionais relativas.”

“Você poderia muito rapidamente achar a tarefa extremamente desafiadora, porque os componentes iriam manter-se unidos em configurações aleatórias, em vez de se encaixarem modelarmente nas configurações pretendidas.”

Para formar novas estruturas moleculares complexas, os químicos usam átomos com ligações direccionais  que são necessários para controlar a auto montagem e manter a integridade estrutural.

“Os químicos têm uma tabela periódica de átomos completa por onde escolher quando sintetizam moléculas e cristais”, disse em comunicado o pesquisador Vinothan Manoharan, de Harvard.

“Queríamos desenvolver um” conjunto de construção “semelhante para produzirmos moléculas e cristais em escalas maiores.”

A equipa criou quimicamente “blocos” distintos na superfície das partículas que assim podem formar ligações direccionais  aderindo a outras partículas em padrões específicos para formar espontaneamente “moléculas coloidais” que obedecem aos padrões  estabelecidos pelos pesquisadores do projecto.

 

Estas são imagens de microscopia eletrónica de “átomos” coloidais, ou antes das partículas da dimensão de 1 micrómetro com manchas que permitem a colagem apenas ao longo de direcções específicas. Da esquerda para a direita: partículas com um adesivo (análogas a um átomo de hidrogénio), os remendos dois, três, quatro (análogas a um átomo de carbono), cinco, seis e sete.
Créditos: Cortesia da imagem de N. Vinothan Manoharan e David J. Pinheiro.

 

Para garantir que os blocos interagissem com outros blocos de formatos específicos, os cientistas usaram fitas de ADN de base para criar “terminais pegajosos” para que os blocos de partículas lhes pudessem aderir, colocando até sete blocos em cada partícula.

Os cientistas dizem que podem manipular essas ligações para criar coloides duma cor, tamanho, função química ou condutividade eléctrica específicas. Isto, por sua vez, pode levar à produção de novos materiais, tais como os cristais fotónicos para melhorar os monitores ópticos e aumentar a velocidade dos processadores dos computadores.

“O que isto significa é que temos a possibilidade de construir as partículas, ligando-as apenas pelos blocos, e podemos então programá-las para apenas determinados tipos de partículas e anexar essas correcções , acrescentou outro pesquisador envolvido no estudo, David Pinheiro, um Professor de Física da NYU. “Isso dá-nos uma enorme flexibilidade para projetar estruturas tridimensionais.”

Wang et al.2 relatam a síntese de partículas da dimensão do micrómetro [um milionésimo de metro (1 × 10-6 m)] que têm manchas superficiais (regiões a vermelho e a verde) posicionados para imitar os módulos das ligações dos átomos. Os autores ligaram blocos de ADN de cadeia básica (que não estão na imagem) com essas manchas, de modo a que as partículas resultantes se ligam apenas a partículas vizinhas cujas manchas suportam a sequência de ADN complementar; nos exemplos mostrados, as manchas vermelhas ligam-se a manchas verdes.

Quando as partículas de correspondência são misturadas num conjunto, vão-se auto-organizar em aglomerados que se assemelhem ao regime das moléculas atómicas, tais como as do dióxido de carbono linear (CO2), do trifluoreto de boro triangular (BF3) e do metano tetraédrico (CH4). Na estrutura molecular do metano, as cunhas cuneiformes a cheio indicam ligações salientes acima do plano da página, enquanto as cunhas cuneiformes quebradas representam ligações salientes abaixo desse plano.

 

Com este avanço e com a descoberta do bosão de Higgs em Julho deste ano de 2012, a química molecular, ou dos materiais, dá um passo prático apoiada num edifício teórico que se desenvolve a partir destas descobertas afim de um dia vermos… a osga artificial ou outras aplicações que nem a imaginação consegue ainda descrever.

Talvez surja um super computador com um monitor a partir duma tatuagem e do tamanho dum relógio de pulso, ou as tintas das paredes sejam um dia processadores electrónicos que possam abrir uma nova era de construção de edifícios inteligentes, que gerem energia em vez de a gastarem, quem sabe?

Pelo menos tal conceito, há muito perseguido pela engenharia, sai da ficção e torna-se verosímil com esta fabulosa descoberta!

5 comentários

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    • Manel Rosa Martins on 08/11/2012 at 15:30
    • Responder

    Correcção: Na legenda da última imagem (Wang et al) deve ler-se 1.0 x 10^-6, sendo que o símbolo ^ significa “elevado a,” ou seja 10 elevado a menos 6, que é o mesmo do que 0,000 001 , pelo lapso induzido pelos editores de texto peço desculpa aos leitores e corrijo.

    Notem que um número elevado a uma potência negativa é simplesmente 1 divido pelo mesmo número elevado à potência positiva:

    10-^6 = 1/10^6 = 1/1 000 000 = 0,000 001.

    Obrigado.

  1. Magnífico artigo, Manel. 🙂

    Com esta utilização de nanopartículas e fitas de ADN, a ciência dos materiais dará um salto na sua aplicabilidade (tal com a criação de novos catalisadores, minimizando as limitações em seu uso). Poderemos criar estruturas cristalinas – e não ficando-se limitado ao que é encontrado na natureza. Modificando a localização destas nanopartículas, como já foi bem colocado no artigo, pode-se aumentar ou diminuir o comprimento de ADN de interligação – assim como os interstícios, a partir de uma estrutura pré-concebida – promovendo grande flexibilidade entre as partículas nanométricas, permitindo a criação de novos materiais.

    Abraços.

      • Manel Rosa Martins on 08/11/2012 at 03:31
      • Responder

      Obrigado pelas palavras Cavalcanti, de facto tudo indica serem estas as profissões do futuro, e o sector das nanotecnologias, relativamente recente, deve tornar-se num futuro breve como um dos principais empregadores.

      Mas por cá muito me preocupou o que disse o representante dos Reitores das Universidades hoje no telejornal principal: as Universidades portuguesas estão numa situação muito difícil e não podem assegurar este tipo de projectos, o Magnífico Reitor alertou ainda que Portugal assim opta por profissões de baixos salários e de baixo rendimento produtivo para o que espera uma audiência extraordinária com o responsável pelas finanças afim de resolver esta situação.

      Ora Portugal precisa de desenvolver os seus “clusters” de nano tecnologia com base na investigação universitária,como se verifica neste exemplo do artigo.

      Abraço, espero pelos teus artigos com antecipado interesse. :))

      1. Obrigado pelas palavras amistosas, Manel. 🙂

        A nanotecnologia ainda terá um longo caminho a ser vencido. Até a década de 80 e início de 90 quase não ouvíamos falar desta, devido à falta de instrumentos adequados para testar esta nova tecnologia que estava a nascer. Colegas brasileiros aumentaram a produção científica, porém, decrescemos em termos de impacto científico, assim como especializações na área. Próximo dia 26, a comissão brasileira de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável realizará uma audiência pública afim de debater sobre a quantas andam a questão da tecnologia nano no país. Precisamos ainda de uma regulamentação neste setor, como conferi neste sítio:

        http://assespro.org.br/na-midia/semana-em-brasilia/2012-10-29-a-11-02-semana-em-brasilia/

        Aguardemos todos nós, de maneira otimista, 🙂 que as empresas cujos produtos se beneficiam diretamente com a nanotecnologia patrocinem ainda mais as pesquisas na área e que haja uma maior boa vontade e consciência política nesta área promissora, como muito bem afirmou o Manel.

        Abraço.

    • Manel Rosa Martins on 08/11/2012 at 02:42
    • Responder

    Um coloide é uma substância dispersa de forma harmoniosa noutra substância, como por exemplo a gordura no leite homogeneizado, que mais não é do que a centrifugação da gordura do leite por motivos de apresentação comercial. Neste exemplo do leite a saúde pública fica a perder porque os coágulos assim tão pequenos mais parecem concebidos para provocarem entupimentos nas nossas artérias, mas como parece mal a gordura cremosa e amarelada do leite doutros tempos o marketing opta por nos oferecer um AVC de forma muito barata. Para reflectirem num exemplo prático dum coloide no dia-a-dia.

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