Nano-Lego, a importância de ser pequeno

Nano-Lego quântico

Actualmente, as propostas de Drexler foram substituídas por uma visão mais pragmática que leva em conta a natureza quântica da matéria à escala do nanómetro. Esta mudança de paradigma não obstou, no entanto, a que a nanotecnologia deixasse de ser um ramo em ascensão e as suas potencialidades fossem enormes. O reconhecimento político-económico deste facto consubstancia-se no aparecimento recente da National Nano Initiative, nos EUA, do tema prioritário do 6º programa quadro da UE intitulado Nanoscience & Nanotechnology, bem como da Nanotech Initiative no Japão. Por sua vez, um estudo recentemente publicado na revista Nature (2006) dá conta que a investigação em áreas da chamada nanotecnologia ocupa 5 dos 10 temas mais importantes da investigação em Física (medidos pelo estudo do impacto desta investigação), à frente de temas "populares" como a Teoria de Cordas, a Física dos Quarks ou a Astronomia e Astrofísica.

Nanoengenharia: esta imagem ilustra o mecanismo na origem de unidades de nanomemória não volátil. Um nanotubo de carbono contém no seu interior um fulereno de C_60, que por sua vez alberga um átomo de sódio. Esta configuração permite manipular facilmente o fulereno no interior do nanotubo através de um campo eléctrico, pelo que se torna possível associar o bit 1 ao posicionamento de fulereno num extremo do nanotubo e o bit 0 ao seu posicionamento no outro extremo.

De facto, a investigação neste campo tem crescido muito rapidamente e ao ritmo a que se encontra não é possível sumariar este domínio tão vasto. Emergem, no entanto, dois vectores fundamentais nesta área:

1. Métodos indirectos de manipulação de nanossistemas
2. Design de nanossistemas inspirados em sistemas biológicos

Métodos indirectos de manipulação de nanossistemas

Como vimos, a ciência à escala do nano actual está sujeita ao problema dos dedos gordos e pegajosos. No entanto, juntando a imaginação à laboriosa investigação que se faz neste domínio têm-se desenvolvido métodos indirectos de manipulação de nanossistemas, dos quais apresentamos alguns exemplos:

Aterragem Suave

A imagem seguinte foi produzida por investigadores da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, e representa um sucesso na manipulação da matéria a pequenas escalas, que nos permite extrair dos materiais propriedades exóticas e inovadoras.

Vemos a amarelo pequenos aglomerados de átomos de prata sobre uma superfície de dióxido de titânio com várias dezenas de nanómetros de extensão. Estes foram depositados com o auxílio de campos eléctricos e magnéticos que actuam sobre a nanopartícula previamente ionizada - estes campos externos constituem os nanodedos. O processo de deposição envolve técnicas sofisticadas uma vez que a aterragem sobre a superfície de dióxido de titânio, como o próprio nome indica, deve ser suave de modo a não desintegrar os aglomerados de átomos, só assim se conseguiu depositar aglomerados de tamanho apreciável, como os da figura à direita.

Macroefeitos induzidos à escala do nanómetro

Como o próprio nome indica, macroefeitos induzidos à escala do nanómetro são propriedades dos materiais visíveis a olho nu, obtidas a partir da manipulação da matéria ao nível de átomos e moléculas, o que já foi conseguido. A figura abaixo constitui um recente sucesso de técnicas deste tipo.

Provavelmente já ouviram falar da lei de Moore, que nos diz que o número de transístores por unidade de área num circuito integrado duplica a cada par de anos. Ora, tendo em conta o estado da tecnologia que actualmente dispomos, a previsão é de que em 2007 esta lei falhe. Numa lógica evolutiva, precisamos de mudar de paradigma no que concerne a fabricação de circuitos integrados. Neste contexto, a adição de outros óxidos ao dióxido de silício pode oferecer alternativas viáveis para evitar o bloqueio devido à falha da lei de Moore.

Manipulação à escala do nano. Em Agosto de 2004 foi publicado o artigo que está na base destas imagens, produzidas por um AFM (imagens de cima), correspondentes a cristais de SrTiO₃, quer na sua forma convencional (à esquerda) quer quando lhe são retirados átomos de oxigénio (à direita), criando lacunas no cristal. A manipulação consegue-se criando planos alternados de cristais com e sem lacunas, o que determina um aspecto macroscópico inteiramente diferente, como se ilustra nas imagens de baixo. Mais importante do que o aspecto são as propriedades físicas destes dois materiais.

Através de uma técnica popular de deposição de filmes finos, conseguiu-se controlar a fracção de lacunas introduzidas no material SrTiO₃, transformando-o num composto com a composição SrTiO_3-d. Além disso conseguiram-se gerar amostras com planos que alternam entre aqueles que contêm, e os que não contêm, as referidas lacunas. Este efeito abre excelentes possibilidades na utilização deste tipo de materiais onde a manipulação atómica à escala do nanómetro é não só possível como decisiva.

Nanotubos de carbono

Imaginemos uma superfície plana de átomos de carbono que, no seu arranjo mais estável corresponde aos conhecidos planos de grafite (não esquecer que o título do filme de James Bond "Diamonds are forever" é uma ilusão. Com efeito, num mero intervalo da ordem de 10⁷ anos - um ápice à escala cósmica - sabemos que o diamante se transformará em grafite...). Suponhamos que conseguimos enrolar esta folha de grafite sobre si mesma de forma a gerarmos um cilindro oco. O resultado, quando o cilindro tem apenas 1.2 nanómetros de diâmetro, é um nanotubo de carbono. Apesar do seu diâmetro muito reduzido, os nanotubos podem ter mícrons de comprimento ( 1 mícron são 1000 nanómetros ) o que é equivalente a um tubo de 1 metro de diâmetro ter quilómetros de comprimento. É portanto muito, muito comprido para qualquer átomo que esteja encarcerado no seu interior.

Os nanotubos de carbono foram descobertos por Ishima, no Japão, em 1991, e revelam-se verdadeiros prodígios no que concerne às possibilidades de aplicação tecnológica que apresentam. Desde nanocondutores, às unidades de memória dos nanochips do futuro, os nanotubos são uma caixa de surpresas, estando para breve o seu uso industrial no fabrico de monitores a cores. Até do ponto de vista mecânico este tubos apresentam uma resistência e uma elasticidade notáveis o que os transforma num material muito promissor para projectos de tecnologia de ponta do futuro.

Marcadores radioactivos

Este é um óptimo exemplo de como a ciência à escala do nanómetro pode melhorar a nossa qualidade de vida. Recordando o exemplo dos fulerenos C₆₀ que vimos atrás, estas moléculas são não só muito estáveis, como a sua reactividade química é baixa. Por outro lado, sendo ocas podem albergar um (ou mais) átomo(s) no seu interior (ver figura à direita).

Uma aplicação importante desta técnica pode ser usada na medicina. Consideremos um isótopo de lítio, por exemplo lítio-3, que, para além de ser radioactivo tem a característica inconveniente de ser quimicamente bastante reactivo. Bombardeando fulerenos com átomos deste isótopo conseguem-se obter percentagens pequenas de fulerenos que albergam no seu interior um átomo de lítio radioactivo. Estando o átomo de lítio "preso" nesta gaiola, ele mantém as suas propriedades radioactivas, mas deixa de ser quimicamente reactivo uma vez que agora está blindado pela malha de carbono (muito pouco reactiva). Desta feita ganhamos um óptimo marcador radioactivo que pode ser utilizado, por exemplo, para testar o efeito de certos fármacos no corpo humano. Com efeito, a fraquíssima reactividade química deste lítio "engaiolado" garante que não reagirá com outras substâncias ao longo do seu trajecto no corpo humano.

Deste modo, junta-se ao fármaco uma concentração muito baixa de fulerenos com isótopos radioactivos de lítio no seu interior. Estes não irão alterar as propriedades do fármaco, dado serem quimicamente inertes. Depois de absorvido pelo paciente, aproveitando a radioactividade do isótopo de lítio, podemos monitorizar em tempo real o trajecto percorrido pelo fármaco dentro do corpo humano. A fraca concentração deste isótopo torna a radioactividade inofensiva para o paciente. O marcador, que neste caso não é absorvido pelo corpo humano pode inclusive ser reutilizado.

Modelos inspirados em sistemas biológicos

Um olhar mais atento sobre a complexidade da vida permite-nos constatar que nesta as potencialidades da matéria, exploradas à escala dos átomos e moléculas, manifestam-se num comportamento robusto e complexo à escala macroscópica.

Por esta razão os sistemas biológicos constituem uma fonte de inspiração incontornável no desenvolvimento de futuras nanomáquinas. À medida que o nosso conhecimento de Biologia Molecular vai evoluindo deparamo-nos com um universo fascinante de possibilidades. Por exemplo, a forma como um ribossoma processa uma cadeia de ARN para ler as "instruções" que determinam a sequência de aminoácidos que constituem a proteína que está a ser sintetizada, faz lembrar uma linha de montagem de automóveis, onde robots executam as instruções de um programa para produzirem uma dada peça ou montarem uma série de componentes.

Biolinha de montagem. A figura ilustra um ribossoma que sintetiza uma dada proteína. Para esse efeito descodifica a informação contida no ARN. Uma verdadeira linha de montagem a pequena escala.

Uma torradeira de tumores

A possibilidade de desenvolver, de forma controlada, interfaces entre matéria orgânica e inorgânica é cada vez mais uma realidade. A companhia Triton-Systems, em Massachusetts, desenvolveu recentemente uma técnica que permite revestir uma nanopartícula metálica com componentes do sistema imunológico (humano e não só), conhecidos como anticorpos monoclonados.

Esta minúscula estrutura poderá então ser injectada intravenosamente num paciente que tem um tumor maligno (já foi testada com sucesso em ratinhos), pois estas partículas minúsculas vão-se acoplar de forma eficaz aos referidos tumores. Uma vez concretizado este “acoplamento”, podemos tirar partido da natureza metálica da partícula que nucleou a estrutura, bem como o facto das suas dimensões serem da ordem do nanómetro para, recorrendo a um campo magnético, transmitir energia ao complexo que é absorvida de forma ressonante pela partícula metálica rapidamente aquece ao ponto de “fritar” a zona que a rodeia.

Assim sendo, torna-se desta forma possível queimar selectivamente tecido cancerígeno sem afectar significativamente o tecido são circundante, bem ao contrário do que sucede com técnicas correntes como é o caso da quimioterapia e da radioterapia (apesar dos últimos desenvolvimentos desta técnica que, aliando a capacidade de focagem lateral e longitudinal dos novos feixes de protões à sua montagem portátil em robots, permite níveis de eficácia muito superiores aos convencionais; no entanto, cada protótipo destes custava, em 2003, cerca de 3 milhões de dólares).

Nanoelectrónica manufacturada biologicamente

Recentemente conseguiu-se desenvolver um método inédito de produzir um nanotransístor recorrendo à capacidade de processamento de informação do ADN e às propriedades e capacidade de manipulação dos nanotubos de carbono. Desta forma, Erez Braun e colaboradores, do Instituto Israelita de Tecnologia, desenvolveram a seguinte técnica, que assenta em duas etapas:

1. Recorrendo a proteínas, conseguiram concretizar ligações de nanotubos de carbono a certos pontos específicos das cadeias de ADN
2. Uma vez conseguido este acoplamento consegue-se transformar o ADN numa estrutura condutora, o que permite a sua manipulação como componente electrónica.