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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 21, MAIO 2005A nanotecnologia das moléculas

Recebido em 16/3/05, aceito em 25/4/05

A seção “Atualidades em Química” procura apresentar assuntos que mostrem como a Química é uma ciência viva,seja com relação a novas descobertas, seja no que diz respeito à sempre necessária revisão de conceitos.

ATUALIDADES EM QUÍMICA

Neste início de milênio, a aten-ção do mundo está voltadapara os aspectos moleculares

da Ciência, como pode ser visto des-de a Biologia Molecular até a recenteexplosão da nanotecnologia. Assim,muito da inovação que tem acontecidotem algo familiar para quem lida coma Química.

Recentemente, Henry Taube, 90,Prêmio Nobel de Química de 1983 emembro da Academia Brasileira deCiências, ao ser indagado sobre a suavisão do futuro, declarou: “Eu real-mente aprecio o que está sendo feitona nanotecnologia. Os cientistasfinalmente estão acreditando nos áto-mos... Se pudesse prosseguir na Quí-mica, eu escolheria essa área parafazer pesquisa”.

Qual o sentido dessa declaração,feita por um dos maiores químicos detodos os tempos, se os átomos e molé-culas sempre estiveram no foco daQuímica?

De fato, a Química já consegue ra-cionalizar grande parte do conheci-mento sobre as substâncias, princi-palmente na escala macroscópica,

Artigo dedicado a Henry Taube1,na passagem de seus 90 anos.

Henrique E. Toma

A tecnologia atual, que avança na escala nanométrica, está rompendo as barreiras do mundo clássico para ingressar nodomínio quântico dos átomos e moléculas. Essa onda, que se anuncia como a maior revolução tecnológica de todos ostempos, poderá transcender a própria Química ao ir ao encontro dos sistemas organizados e nanomáquinas molecularesque sustentam a vida. Inspiradas nesses sistemas, novas estratégias em nanotecnologia já estão aflorando através daQuímica Supramolecular, permitindo vislumbrar uma enorme gama de aplicações, desde medicamentos e materiaisinteligentes, até avançados dispositivos sensoriais, eletrônicos e de conversão de energia.

nanotecnologia, nanociências, Química Supramolecular

onde a unidade de contagem é o mol,quantidade de matéria que contémesse número imenso de entidades co-nhecido como número de Avogadro (6x 1023). Contudo, será que todo esseconhecimento se aplica a uma únicamolécula? Será quea cor de uma molé-cula é a mesma dasubstância a que dáorigem? Com quevelocidade um elé-tron ou um fótontransitariam pelamolécula? Existiriamtrilhas e armadilhasao longo do percur-so? Seria possível ar-mazenar informações em sua estrutu-ra e depois acessá-las? Poderíamosmanipular suas propriedades intrínse-cas, controlar seus movimentos e inte-rações? Processá-las em conjunto,para obter arquiteturas planejadas earranjos organizados? Depois disso,orquestrar suas ações de forma siner-gística, para realizar um trabalho har-monioso e inteligente? E, finalmente,por que não, fazer das moléculas ver-

dadeiras máquinas, ou utilizá-las paraconstruir complexas máquinas mole-culares? Realmente, quando começa-mos a pensar dessa forma, a Químicaganha um novo sentido. Talvez muitomais puro, em sua essência, porém

assimilando ao mes-mo tempo novos con-ceitos tecnológicos.Nesse nível, a Químicase confunde com ananotecnologia mo-lecular e passa a usarnovas ferramentas ca-pazes de lidar comobjetos muito peque-nos, numa escala on-de os fenômenos clás-

sicos e quânticos se misturam. Essanova maneira de ver a Química é amensagem embutida na declaraçãode Henry Taube.

A tecnologia atual caminha definiti-vamente para a escala nanométrica,tanto através da miniaturização na ele-trônica (sentido descendente, top-down), como através da montagemnanoestrutural a partir de átomos e mo-léculas (sentido ascendente, bottom-up). Note que a dimensão expressa por1 nanometro (1 nm) equivale a umbilionésimo do metro (10-9 m). Nessa

Eu realmente aprecio o queestá sendo feito nananotecnologia. Os

cientistas finalmente estãoacreditando nos átomos...Se pudesse prosseguir na

Química, eu escolheria essaárea para fazer pesquisa

Henry Taube

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dimensão, a luz visível, em sua faixade comprimento de onda característica(400 a 760 nm), já não pode ser usadapara enxergar os objetos, pois as leisda Física limitam a resolução óptica àmetade do comprimento de ondautilizado. Assim, literalmente, estamosentrando em um mundo invisível. Paravisualizar as formas nanométricas, umasaída seria empregar minúsculas pon-tas ou sondas, capazes de atuar comose fossem dedos na leitura Braille, var-rendo a superfície através de delicadosmovimentos com precisão atômica.Que tipo de máquina faria isso? Naprática, podemos usar um simplescristal piezelétrico, como aquelesexistentes em aparelhos de som. Essetipo de cristal converte a pressão(piezo) em impulsos elétricos e vice-versa, através de deslocamentos atô-micos em sua estrutura. Assim, bastacolar uma ponta ou agulha muito finanesse cristal e programar no compu-tador os estímulos elétricos a seremaplicados, para gerar movimentosmuito precisos na escala nanométrica.

Essas idéias foram colocadas emprática no início dos anos 1980 porGerd Binnig e Heinrich Rohrer, na IBM(Suíça). Eles utilizaram uma agulhametálica movimentada por um cristalpiezelétrico para sondar uma superfí-cie condutora, através das diminutascorrentes elétricas que começam a fluirquando as distâncias de aproximaçãoentram na escala nanométrica. Taiscorrentes são denominadas de tunela-mento, pois os elétrons conseguemvencer o espaço vazio (barreira isolan-te) que separa a ponta da sonda e asuperfície condutora, como se passa-ssem através de um túnel. Na realida-de, o tunelamento é um fato caracte-rístico do mundo quântico e está asso-ciado à natureza ondulatória do elétron.Medindo as correntes de tunelamento,Binnig e Rohrer obtiveram uma ima-gem topográfica da superfície, comresolução atômica. O novo microscó-pio (STM = scanning tunneling micro-scope), que deveria ser chamado denanoscópio (Figura 1), permitiu visua-lizar os átomos sobre uma superfície!Por essa invenção, esses cientistasreceberam o Prêmio Nobel de Físicade 1986.

O nanoscópio foi e continua sendo

trabalhado de modo a utilizar nãoapenas as correntes de tunelamento,como também as vibrações e outrosefeitos produzidos nas sondas, à me-dida que interagem com a superfície.A modalidade conhecida como AFM(atomic force microscopy) utiliza umlaser que, ao refletir sobre a base dasonda, reproduz seus movimentoscom grande precisão. Da mesma for-ma que um dedo consegue indicarse a superfície é mole ou dura, umasonda de AFM também fornece muitomais informações do que simples-mente a imagem da superfície e dasmoléculas nela depositadas. Tambémé possível ter informações sobre anatureza e homogeneidade do mate-rial e sobre suas propriedades elétri-cas ou magnéticas. Por outro lado,através de modificações químicas, assondas também podem ser usadascomo ferramentas analíticas para mo-nitorar átomos e moléculas específi-cas sobre uma superfície. Imitando ascanetas-tinteiro, as sondas já vêmsendo empregadas para escrevercom átomos ou moléculas, deslocan-do-os ou depositando-as sobre su-perfícies metálicas de planaridadeatômica. Esse processo de gravaçãofoi inicialmente demonstrado por DonEigler na IBM, que surpreendeu omundo ao escrever a sigla da empre-sa com átomos de xenônio. Em 2001,Chad Mirkin introduziu a nanolitografiade ponta de pena, utilizando as son-das para compor imagens com reso-lução nanométrica, ou como umananoimpressora capaz de escreverdezenas de páginas completas noespaço da largura de um fio decabelo. No final de 2003, a IBM anun-

ciou um novo processo de gravaçãoe leitura em CDs empregando milha-res de pontas de microscopia devarredura de sonda. Essa nova ferra-menta, denominada Milliped, amplia-rá em várias ordens de grandeza acapacidade de memória dos atuaisCDs.

Moléculas processando informaçõesOs CDs e DVDs constituem atual-

mente a forma mais prática de guar-dar e reproduzir informações. A grava-ção dos bits nesses discos plásticosfaz uso de um fino filme de moléculascomo as ftalocianinas, com alto poderde absorção de luz acima de 600 nm.Esse filme é depositado sobre umasuperfície refletora e protegido por umrevestimento de polímero transparente.Usando um feixe de laser focalizado,a concentração de fótons torna-semuito alta e, ao serem absorvidos pelasmoléculas, esses fótons acabam pro-vocando alterações químicas e físicasna interface refletora que podem serfacilmente monitoradas pelo detectoróptico. Isto permite gravar bits numespaço submicrométrico, conferindoenorme capacidade de memória aesses discos.

Utilizando transformações fotoquí-micas reversíveis é possível gravar eapagar informações no nível molecu-lar. Um exemplo notável é a espécieconhecida como quiroptoceno (Figu-ra 2), que foi patenteada pela empre-sa California Molecular Electronics(CME). Essa molécula apresenta umcentro quiral (contendo um átomo decarbono assimétrico, ou com quatroligações distintas), ligado a grupos quepodem sofrer ciclização induzida por

Figura 1: Representação didática dos microscópios de varredura de tunelamento (STM)e de força atômica (AFM).

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luz, de forma reversível. Quando istoocorre a atividade óptica do centro qui-ral é afetada e a informação transmitidapela luz incidente fica gravada. Com oauxílio de uma luz polarizada é possívelmonitorar esse fenômeno e fazer a lei-tura da informação gravada. Segundoa CME, esse dispositivo, do tamanhode um pequeno dado, é capaz de ar-mazenar o equivalente a 34 HDs de60 Gb de memória!

Alem de armazenar informações,as moléculas também podem ser utili-zadas em processamento, através dacomputação molecular. Na eletrônica,todo o processamento é feito atravésdas portas lógicas conhecidas pelassiglas AND, NAND (not and), OR, NOR(not or), XOR (exclusive OR) etc., asquais fazem uso de uma ou duasentradas de sinal (input), para gerarrespostas (output) binárias, do tipo simou não (0 ou 1). Nesse sentido, deve-mos lembrar que as moléculas sãogenuínos dispositivos sensoriais e agrande diversidade de estímulos e res-postas moleculares pode ser explo-rada como inputs e outputs para

codificar e processar informações. Porexemplo, indicadores como a fenol-ftaleína sinalizam através de mudançasde cor se o meio tem caráter ácido oubásico. Se pensarmos na adição deprótons como input e na cor vermelhacomo output, a fenolftaleína irá com-portar-se como uma porta lógica mo-lecular semelhante aos análogos desilício usados na eletrônica. De fato, afenolftaleína na presença de prótons(input 1) não produz cor (output 0); aocontrário, na sua falta (input 0), a corserá vermelha (output 1). Essa porta édo tipo NOT. Evidentemente, a portamais simples é a do tipo YES, exempli-ficada por uma molécula incolor quese torna colorida na presença deprótons. Da mesma forma, através daexploração racional dos estímulos erespostas, é possível gerar todos ostipos de portas lógicas com moléculase realizar computação molecular.Atualmente, até o DNA vem sendo utili-zado para essa finalidade.

Embora a computação molecularesteja em seus primórdios, não pode-mos esquecer que o melhor compu-

tador existente é molecular. Trata-se docérebro. Ele atua com moléculas, emmeio líquido, e é muito mais com-plicado do que qualquer dispositivoque possamos imaginar! O neurônio éuma complexa porta lógica dotada deum grande número de terminais recep-tores, capazes de reconhecer molécu-las de neurotransmissores como adopamina (input), gerando impulsoselétricos (output) que se propagam porlongas distâncias através de umfilamento de axônio. Este termina emramificações sinápticas, que fazem aconexão com outras células neurais.Quando os impulsos elétricos chegamàs regiões sinápticas, novas moléculasde neurotransmissores que ficam ar-mazenadas no local são liberadas paraestabelecer a comunicação com outroneurônio. Ao contrário do computador,que utiliza portas lógicas binárias, océrebro atua de outra forma, proces-sando em paralelo um número imensode informações. Assim, consegueexecutar 1017 operações por segundo,cerca de 1000 vezes mais rápido queo Blue Gene/L da IBM, que é o super-computador mais possante conhecidoatualmente. Podemos dizer que, alémde um “hardware” químico imbatível,o cérebro também faz uso do melhor“software” existente, que é a consciên-cia. Essas considerações começam aganhar destaque neste início de milê-nio, tendo em vista a previsão de queo processo da miniaturização dos dis-positivos de silício chegará ao seulimite quando atingir a escala nanomé-trica, em decorrência dos problemasde natureza térmica e quântica. E istojá está bastante próximo.

Moléculas e máquinas molecularesAs moléculas são dotadas de mo-

vimentos vibracionais, rotacionais etranslacionais intrínsecos, acionadospela energia térmica. Entretanto, essesmovimentos não respondem direta-mente pelos mecanismos de desloca-mento, locomoção e transporte obser-vados no mundo macroscópico. Narealidade, realizar movimentos contro-lados por transformações molecularesainda é um grande desafio, apesar deser um ato trivial nos sistemas biológi-cos. Neles, o movimento é conduzidopelas miosinas, dineínas e quinesinas,

Figura 2: Molécula de quiroptoceno, capaz de armazenar informações através demudanças em sua atividade óptica, promovida pela luz.

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que são sistemas constituídos por umacabeça protéica globular ligada a umacadeia fibrosa. A cabeça é ativada pelamolécula de ATP, cuja hidrólise provocauma mudança conformacional que sepropaga ao longo da cadeia fibrosaresponsável pelo movimento. Fazeralgo semelhante utilizando sistemasquímicos não é nada fácil e ainda estálonge da realidade.

Mesmo assim, os progressos al-cançados na produção de movimen-tos moleculares já contam com váriosexemplos notáveis. Um deles são osrotaxanos, constituídos por uma cadeialinear que atua como eixo, em tornodo qual uma molécula cíclica giralivremente. Se a cadeia for construídacom grupos adequados, eletroquimi-camente ativos, e o anel tiver cargaselétricas, a posição do mesmo poderáser controlada mediante aplicação depotencial. O anel irá se deslocar sobreo eixo condutor, como se fosse umbonde molecular, atraído para a regiãodotada de cargas opostas. Utilizandouma rede de rotaxanos, é possívelmontar um dispositivo parecido comum ábaco, para armazenar informa-ções (dígitos) através da simplesmovimentação dos anéis, medianteaplicação de potenciais elétricos. Essedispositivo foi recentemente expandi-do, utilizando redes de nanofios metá-licos interligados por rotaxanos, e mos-trou ser capaz de processar informa-ções complexas, em nível molecular.

Outra forma de produzir movimen-

tos moleculares é através da isomeri-zação cis-trans induzida pela luz. Emmoléculas como a diazobenzeno(Figura 3), a fotoisomerização pode serfeita reversivelmente, usando doiscomprimentos de onda de irradiação.A forma cis é mais compacta que atrans. Utilizando um polímero de dia-zobenzeno ligado a uma lâmina del-gada de silício e um material suporte,foi possível realizar movimentos deflexão através da aplicação de luz, pormeio da fotoisomerização reversível dacadeia. Se lembrarmos que desloca-mentos de dimensões atômicas per-mitiram o desenvolvimento da micros-copia de varredura de sonda, esse tipode movimento induzido por luz poderáter aplicações em tecnologias futuras,substituindo micromotores, sem a ne-cessidade de componentes mecâ-nicos.

No nível molecular, mudanças deconformação induzidas por estímulosquímicos ou físicos vêm sendo utili-zadas no desenvolvimento de sistemasalostéricos. O alosterismo é um me-canismo pelo qual as moléculas, comoas enzimas, conseguem controlar suaprópria atividade mediante estímuloexterno, tornando mais ou menosacessível os sítios ativos, onde se pro-cessam as transformações. Na falta doproduto, a enzima é ativada alosteri-camente, de forma a atuar com maiorrendimento; quando este se acumula,um mecanismo semelhante provocasua perda de atividade. O alosterismo

já está sendo aplicado a sistemasquímicos, especialmente projetadosde forma que a atividade de um deter-minado sítio possa ser controlada poroutro, mais remoto, como ilustrado naFigura 4. A ampliação desse conceitopode ser importante para o desenvol-vimento de sistemas molecularesautorreguláveis e inteligentes para usocomo liberadores de drogas no orga-nismo, controle hormonal etc.

A organização molecularUma característica importante dos

sistemas biológicos é a organizaçãoestrutural, que vai desde a montagemdas biomoléculas com vários compo-nentes até a disposição das mesmas aolongo das membranas celulares e acompartimentalização dos processos. Aassociação de vários componentes nasbiomoléculas permite que eles atuem deforma cooperativa ou sinergística, na quala ação de cada constituinte extrapola oseu limite individual, passando para oplano supramolecular (além da molé-cula). Este é o conceito de Química Su-pramolecular estabelecido por Jean-Marie Lehn, Prêmio Nobel de Químicade 1987. Os vários níveis de organizaçãorepresentam extensões desse conceito,

Figura 3: Flexão em uma lâmina delgada de silício produzida pela fotoisomerizaçãoreversível do poliazobenzeno em dois comprimentos de onda.

Figura 4: Ilustração do efeito alostéricoprovocado pela coordenação de íons dezinco aos grupos aminas, levando à apro-ximação dos anéis benzênicos da moléculacíclica original, com um aumento de 100vezes na eficiência de inclusão da sulfo-namida orgânica na cavidade formada.

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em outras hierarquias supramoleculares.A compartimentalização, por sua vez, co-mo ocorre nas organelas como as mito-côndrias e cloroplastos, é uma forma depossibilitar que as transformações seprocessem sem interferências externas,ao longo da cadeia supramolecular.

A associação molecular através degrupos que se reconhecem quimi-camente é uma forma eficiente de pro-mover a automontagem de sistemasorganizados. Se tivermos que produzirdispositivos moleculares em escalacomercial, não será possível montá-losum a um, mesmo com as máquinasconstrutoras imaginadas por EricDrexler nos anos 1980. Basta lembrarque no mundo macroscópico a escalade contagem é o mol. Produzir um molde dispositivos moleculares, um de ca-da vez, demandaria um tempo infinito.Entretanto, montagens supramolecu-lares são perfeitamente possíveis e ossistemas biológicos são reflexo disso.Por isso, a Química Supramolecular éconsiderada estratégica na nanotecno-logia do futuro.

Por exemplo, moléculas de polipi-ridinas lineares se associam esponta-neamente na presença de íons cobre(I)formando fios e redes moleculares per-feitamente organizados (Figura 5). Damesma forma, modificando moléculascom derivados de bases nucléicas épossível realizar sua associação es-

pontânea para gerar rosetas que seauto-organizam gerando nanotubos(Figura 6). Filmes organizados podemser convenientemente obtidos atravésde técnicas como a de Langmuir-Blodget. Para isto, as moléculas sãoinicialmente dispersas sobre a superfí-cie de um líquido no qual elas são par-cialmente miscíveis e compactadasmediante aplicação de uma ligeirapressão lateral. Depois, são transferi-das para o substrato de interesse pormeio de imersão e remoção contro-lada. Esse processo é semelhante aoque ocorre quando retiramos o braçode uma tina de água coberta de óleo.O óleo acaba aderindo ao braço,inevitavelmente!

Dispositivos molecularesAs moléculas apresentam uma

grande diversidade de propriedadesque podem ser aproveitadas naprodução de dispositivos sensoriais,eletrônicos e de conversão de energia,conforme pode ser visto na Figura 7.

Os mais conhecidos são as telasde cristais líquidos usadas nos moni-tores de computadores, televisores eequipamentos domésticos. Essa tec-nologia faz uso do alinhamento dasmoléculas sob ação de um campoelétrico, depositadas sobre cadaponto (pixel), passando a atuar comose fossem um filtro que controla apassagem da luz polarizada atravésdas mesmas. Outra tecnologia que jáestá competindo com as telas de cris-tais líquidos é a dos OLEDs (organiclight emmitting devices). Esses dispo-sitivos são constituídos por filmesmoleculares nanométricos colocadosentre duas placas recobertas por ma-

teriais doa-dores e re-ceptores deelétrons. Asmoléculasd e v e mapresentarníveis eletrô-nicos aces-síveis paraexcitação ee m i s s ã oóptica, co-mo o com-plexo de 8-

oxiquinolina e alumínio. Através daaplicação de uma diferença de poten-cial entre essas placas, ocorre arecombinação de cargas na junçãoconstituída pelo filme molecular,dando origem à emissão de luz.Polímeros condutores também vêmsendo empregados como materiaiseletroluminescentes. A vantagem dastelas de OLEDs é a maior visibilidade,tanto angular como em termos dedefinição e brilho, pois dispensamiluminação de fundo. Além disso,podem ser feitas com a espessura deum cartão de crédito.

A exploração das propriedades elé-tricas e magnéticas pode gerar umavariedade de componentes eletrônicosmoleculares, como detectores, trans-dutores de sinal (que convertem umtipo de sinal em outro), atuadores (queacionam um mecanismo), chaves, me-mórias e portas lógicas. Outra aplica-ção importante está na área de senso-res e biossensores, onde os materiaismoleculares podem ser empregadoscom vantagens em função de suaspropriedades físicas e químicas, alémdo reconhecimento molecular. Na áreade conversão de energia, as moléculaspodem ser utilizadas em sistemas foto-voltáicos, os quais atuam de formainversa aos OLEDs, utilizando a luz parapromover a separação de cargas egerar uma diferença de potencial. Umavariante importante é o caso das cé-lulas fotoeletroquímicas que empre-gam moléculas adsorvidas em umfilme de nanopartículas de semicondu-tores, como dióxido de titânio (TiO2). Aexcitação óptica conduz as moléculasao estado excitado, possibilitando atransferência de elétrons para a bandacondutora do TiO2, gerando uma cor-rente elétrica. O uso de nanopartículasde TiO2 foi uma grande inovaçãointroduzida por M. Grätzel no início dosanos 1990, aumentando a área efetivade trabalho em várias ordens de gran-deza, com conseqüente salto de efi-ciência para um patamar competitivocom as células fotovoltáicas de silício.

Atualmente, já é possível a cons-trução de dispositivos eletrônicos ba-seados em moléculas isoladas, embo-ra em nível artesanal. Nessa escala, ge-ralmente as moléculas fazem o papelde ponte, interligando dois nanoele-

Figura 5: Grades automontadas através da coordenação de polipiridil-piridazinas a íons cobre(I).

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trodos polarizados. A passagem deelétrons irá depender da estrutura ele-trônica das moléculas. Devido à exis-tência de níveis discretos de energia,cada elétron adicionado irá oferecerresistência ao próximo elétron, forman-do uma barreira coulômbica. Assim, aocontrário dos sistemas macroscópicos,poderá ocorrer a passagem de umelétron de cada vez (gerando degrausno gráfico corrente vs. voltagem) e nãode forma contínua. A dependência dapassagem dos elétrons com o poten-cial aplicado também irá depender doscaminhos possíveis de conduçãoatravés dos constituintes moleculares,podendo ocorrer efeitos de retificaçãocomo nos transistores.

Nanomateriais

No mundo macroscópico, os ma-teriais apresentam normalmente carac-terísticas típicas de sistemas tridimen-sionais. À medida que reduzimos umadas dimensões físicas, chegamos aosfilmes finos (bidimensionais), quepassam a exibir novas propriedadesdecorrentes da escala nanométrica.Nos filmes finos condutores, os elé-trons formam bandas superficiais, ouplasmons que se propagam comoondas sobre a superfície de um líquido.Esses plasmons conferem novas pro-priedades ópticas aos filmes, induzin-do efeitos especiais, como o espalha-mento Raman intensificado pela rugo-sidade atômica superficial (efeitoSERS) e efeitos de amplificação gigan-te quando a luz passa através de orifí-cios nanométricos.

Reduzindo duas das três dimen-sões, chegamos aos fios nanométricos(unidimensionais), exemplificados pe-los nanofios metálicos e nanotubos decarbono. Estes últimos podem ser pen-sados como resultantes do enrola-mento de um plano atômico de grafite,também chamado de grafeno. Tal enro-lamento pode se dar com ligeira defa-sagem, resultando em nanotubos comdiferentes condutividades. Na formamais condutora, o processo de con-dução de elétrons é balístico, isto é,ocorre sem o espalhamento colisionalresponsável pelo efeito Joule observa-do nos materiais convencionais. Poroutro lado, já se consegue produzirnanofios de semicondutores, comoGaN, CdSe e CdS. Quando esses na-nofios se cruzam individualmente comoutro nanofio de Si (dopado com B),

são formadas junções semincodutorasde dimensões nanométricas, capazesde emitir luz de diferentes comprimen-tos de onda, dando origem a nano-LEDs de distintas tonalidades. Consi-derando a dimensão nanométrica decada pixel, esses dispositivos deverãoproporcionar telas da mais alta resolu-ção e qualidade.

Reduzindo as três dimensões, che-gamos às nanopartículas e pontosquânticos (quantum dots). Nessa di-mensão, formalmente zero, os níveiseletrônicos existentes se encontramdesdobrados, como nos átomos emoléculas, dando origem às transiçõeseletrônicas responsáveis pela colora-ção típica desses sistemas. Por exem-plo, as nanopartículas de ouro confe-rem uma tonalidade vinho às soluçõescoloidais desse metal, devido às pro-priedades dos elétrons superficiais.Quando as nanopartículas se aglome-ram, esses elétrons interagem modifi-cando sua cor, de vermelho para azula-do. Esse efeito tem sido explorado emsensores químicos e biológicos, utili-zando nanopartículas de ouro modifi-cadas com moléculas e biomoléculasespecíficas, ligadas à superfície.Nanopartículas de semicondutores,como CdSe e ZnS, são luminescentes,e podem ser usadas para rastrearfármacos e marcar células tumorais.Nanopartículas de óxido de ferro têmcomportamento supermagnético epodem formar fluídos magnéticosonde o líquido se movimenta juntamen-te com as nanopartículas. Através demodificação química, é possível atribuiruma variedade de usos às nano-partículas magnéticas, como sensoria-mento de espécies, confinamento atra-vés de campos, intensificação de ima-gens em tomografia, transporte dedrogas e aplicações em magneto-hipertermia. Neste último caso, asnanopartículas são primeiramentemodificadas com anticorpos, visandoo reconhecimento de células tumorais.Mediante aplicação de campos elé-tricos alternados, elas irão produzir umaquecimento local (em torno de 41 °C)suficiente para provocar a morte des-sas células, sem afetar outras regiões.

As nanopartículas dispersas emmateriais clássicos, como os vidros eos polímeros, dão origem aos nano-

Figura 6: Auto-associação de uma molé-cula de poliéter cíclico modificada com umderivado de base nucléica, gerando es-truturas do tipo roseta. Essas estruturasse empilham espontaneamente, gerandonanotubos.

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Para saber maisTOMA, H.E. O mundo nanométrico:

A dimensão do novo século. São Paulo:Editora Oficina de Textos, 2004.

Revista Parcerias Estratégicas, n. 18,p. 5-97, 2004. Seção dedicada ananociência e nanotecnologia. (O textointegral pode ser obtido no sítio doCentro de Gestão e Estudos Estraté-gicos: http://www.cgee.org.br/parcerias/p18.php)

VALADARES, E.C.; CURY, L.A. eHENINI, M. Dispositivos eletrônicos emescala atômica. Ciência Hoje, v. 106,p. 40-49, 1994.

SILVA, C.G. da. Nanotecnologia -Manipulando a matéria na escalaatômica. Ciência Hoje, v. 206, p. 43-47, 2004.

Na InternetRede USP de Nanotecnologia: http:/

/www.usp.br/prp/RENAMI - Rede de Nanotecnologia

Molecular e Interfaces: http://www.renami.com.br

LQES - Laboratório de Química doEstado Sólido: http://pcserver.iqm.unicamp.br/mailman/listinfo/lqes_news

LNLS - Laboratório Nacional de LuzSíncroton: http://www.lnls.br

Foresight Institute: http://www.foresight.org

The Institute of Nanotechnology:http://www.nano.org.uk/ion.htm

compósitos e nanomateriais dotadosde novas propriedades, enquantopreservam outras importantes, comoa transparência. Vidros que incorporamnanopartículas de TiO2 poderão ter usoextensivo em janelas autolimpantes.Essas janelas dispensam o uso de pro-dutos de limpeza, pois são capazes depromover a degradação fotoquímicade sujeiras orgânicas na superfície,convertendo-as em espécies que po-dem ser removidas pela água da chu-va. As nanopartículas de TiO2 vêmsendo introduzidas com vantagens emprotetores solares, tanto pela melhoriano aspecto estético, eliminando o es-branquecimento típico na aplicaçãodesses produtos, quanto pela maioreficiência. Da mesma forma, as nano-partículas estão revolucionando a áreados nanocompósitos. Já é bem conhe-cido que as propriedades mecânicasdos pneus decorrem dos nanocompó-sitos formados pela adição de negrode fumo (nanopartículas de carbono)à borracha. Pneus mais avançados, dalinha chamada “Green”, vêm sendoobtidos com outras nanopartículascerâmicas adicionadas à borracha. Aadição de nanopartículas de argila apolímeros pode aumentar em milharesde vezes a barreira contra a passagem

de gases, propor-cionando embalagens erecipientes mais segu-ros, capazes de preser-var a qualidade dos ali-mentos por muito maistempo. Os nanocompó-sitos poliméricos vêmapresentando crescenteaplicação na indústriaautomobilística, pelo fatode proporcionaremmaior resistência mecâ-nica e dureza, com avantagem adicional deserem moldáveis e levese de terem ainda carac-terísticas que retardam achama.

Considerações finaisA Química tem na nanotecnologia

uma aliada perfeita para expressar todaa riqueza de propriedades e aplicaçõesinerentes ao mundo molecular, dandoorigem a sistemas inteligentes (porexemplo, dotados de capacidade dereconhecimento e mecanismos alos-téricos), nanomateriais e nanodispo-sitivos eletrônicos, sensoriais e de con-versão de energia.

Atualmente, o impacto da nanotec-nologia já está sendo sentido em to-dos os países, justificando investimen-tos governamentais superiores a 3bilhões de dólares, aproximadamenteequidistribuídos entre o Japão, EUA,União Européia e o conjunto formadopelos demais países. Investimentosmais vultuosos estão sendo feitos pelosetor privado, diante da expectativa deque o mercado da nanotecnologia che-gará a um trilhão de dólares na próximadécada. No Brasil, já existem váriasredes de pesquisa em nanotecnologia,além de alguns institutos especiali-zados. Cientes de tratar-se de umagrande portadora de futuro, diversossetores do governo já se mobilizampara criação de programas nacionaise regionais de nanotecnologia e nano-ciências. Nesse sentido, a questão dananotecnologia também não pode

deixar de ser incluída no cenário daEducação, visto que os principais ato-res dessa nova era serão os jovens es-tudantes, que precisarão ser prepa-rados para ingressar nesse mercadode trabalho.

Nota1. Henry Taube, professor emérito

da Universidade de Stanford (EUA), ga-nhou o Prêmio Nobel de Química de1983 “por seu trabalho sobre os me-canismos de reações de transferênciade elétrons, especialmente em com-plexos metálicos”.

Henrique Eisi Toma ([email protected]), bacharele doutor em Química (Química Inorgânica) pela USP,é docente do Instituto de Química da USP, em SãoPaulo - SP.

Abstract: The Nanotechnology of Molecules– Current technologies are reaching the nanometric dimension beyond the classical world, entering the quantum domain of atoms and molecules.Accompanying this great wave of innovation, chemistry can provide the necessary tools to launch molecular nanotechnology, inspired in the organized systems and molecular machines involved inthe living organisms. Indeed, new strategies are evolving based on supramolecular chemistry, leading to intelligent drugs and materials, as well as to the development of advanced sensors, energyconversion and electronic devices.Keywords: nanotechnology, nanosciences, supramolecular chemistry

Figura 7: Dispositivos (círculos externos) que podem serobtidos através da exploração das propriedades dasmoléculas (círculo interno).

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