Aplicação de nanomateriais

Nanomateriais são materiais construídos ou produzidos na escala nanométrica (um nanômetro é igual a 10^-9 m = 0,000000001 m). Existem diversas técnicas que podem ser utilizadas para fabricar esses materiais e nas últimas décadas eles têm sido utilizados com mais frequência devido a interessantes novas propriedades físicas e químicas que apresentam, quando comparados com a mesma substância em uma maior escala, não-nanométrica (que os cientistas denominam de bulk). 

Na verdade, alguns artesãos da Idade Média já trabalhavam com nanomateriais. Para modificar as cores dos vidros que formavam os vitrais das igrejas da Idade Média, os artistas adicionavam cloreto de ouro ao vidro fundido. Com essa metodologia eram criadas esferas de ouro com cerca de 25 nanômetros (nm), o que fazia com que a luz espalhada por elas fosse na cor vermelha. Se as esferas de ouro tivessem 50 nm, a cor obtida era o verde, e dependendo das suas dimensões outras cores poderiam ser obtidas. Obviamente, os artistas não sabiam da formação dessas nano-esferas, e nem tinham entendimento do que significava a escala nano, mas a experiência acumulada ao longo do tempo permitiu essa descoberta.

Vitral da Catedral de Lyon.

Na atualidade, os nanomateriais têm sido utilizados em aplicações tecnológicas relacionadas à geração e armazenamento de energia, em materiais lubrificantes, em sistemas de produção de biocombustíveis, em medicamentos, em diversas áreas da medicina (incluindo terapia anti-câncer e sensores para a análise de sangue), em cosméticos, na agricultura, na detecção de contaminantes de várias substâncias, em cerâmicas, além de diversas outras aplicações. Por conta disso, os nanomateriais já estão presentes em diversos produtos comerciais como cosméticos, tintas, eletrodomésticos e equipamentos.

Alguns exemplos clássicos de aplicação destes materiais são as nanopartículas de óxido de titânio e óxido de zinco, que quando adicionadas a protetores solares conseguem absorver a radiação ultravioleta, que de uma forma geral é prejudicial à pele dos seres humanos. Nanoemulsões, produzidas a partir de óleo, água e surfactantes, também têm sido utilizadas com bastante frequência em substâncias da indústria cosmética [1]. Outra aplicação interessante, entre várias outras, é o uso de nanomateriais como purificadores de água [2] e descontaminantes ambientais [3]. A descontaminação do ambiente tem como objetivos o tratamento do solo, da água de superfície, dos lençóis freáticos e do ar. A nano-descontaminação ambiental tem sido utilizada para a remoção de vários contaminantes de naturezas orgânica e inorgânica. A ideia geral é usar um nanomaterial reativo para transformar a substância tóxica presente no ambiente em uma substância menos agressiva [3, 4]. 

Muitos livros encontrados na literatura discorrem sobre esse tema fascinante, que são os nanomateriais. Esses livros e diversos tratados abordam tanto a ciência que explica os fenômenos relacionados com os nanomateriais, quanto a tecnologia que pode ser construída a partir deles. Uma busca rápida na grande rede mostra centenas de interessantes obras.

Está disponível online a partir de hoje a obra "Nanomaterials and Nanotechnology: Biomedical, Environmental, and Industrial Applications", publicada pela editora Springer. O livro, que teve a contribuição de diversos autores, trata de vários aspectos relacionados com a aplicação de biomateriais na biomedicina, no meio ambiente e na indústria. Ele foi editado por pesquisadores da Universidade Federal do Ceará (R.F. do Nascimento, P.B.A. Fachine e P.T.C. Freire) e da Universidade Estadual do Ceará (V.O. Sousa Neto). Mais informações sobre a obra podem ser obtidas no link: 

https://link.springer.com/book/10.1007/978-981-33-6056-3

Entre os vários assuntos abordados nesse livro estão: aplicação em medicina, biopolímeros, zeólitas magnéticas, nanomateriais para remediar contaminação de água, contaminantes de leite, indústria têxtil, terapia anti-câncer, células solares, interação de nanopartículas com sistemas biológicos, entre outros.

Consideremos, por exemplo, a aplicação de nanomateriais como adsorventes para determinadas aplicações no tratamento de água e de resíduos. Muitos nanomateriais possuem interessantes propriedades adsortivas, como a grande área superficial devido às suas pequenas dimensões, o que permite um aumento da capacidade de adsorção e boa atividade catalítica. Também devido às suas dimensões diminutas, os nanomateriais possuem grande mobilidade em meios aquosos, tornando-os potenciais adsorbentes para a remoção de diferentes poluentes como íons metálicos tóxicos, compostos inorgânicos e orgânicos e mesmo, bactérias.

Uma classe importante de adsorbantes nanoestruturados são os adsorbentes magnéticos, especialmente aqueles contendo óxidos de ferro nanoestruturados que têm a finalidade de resolver alguns problemas relacionados ao meio ambiente. Por exemplo, zeólitas nanoestruturadas naturais ou nanopartículas de magnetita têm sido utilizadas há algum tempo na fotodegradação e remoção de corantes do ambiente, mostrando grande eficiência na purificação da água e na separação de poluentes tóxicos [5]. A síntese dos compósitos magnetita-zeolita pode ser conseguida através de diversas metodologias. O método mais comum consiste na incorporação de nanopartículas de magnetita sobre a superfície da zeólita, embora também seja possível a síntese de nanopartículas de magnetita dentro de cristais de zeólita. A maioria dos compósitos magnetita-zeólita são produzidas pela primeira metodologia, que apresenta várias vantagens como a simplicidade e o custo relativamente baixo. A desvantagem possível através desse método é que as partículas sobre a superfície das zeólitas podem ser oxidadas, perdendo parte de suas propriedades magnéticas. Estudos com a zeólita magnética NaY indicam que ela possui uma boa capacidade de remoção de íons metálicos tóxicos Cd2+ e Cu2+ do solo e da água. Por outro lado, a síntese de zeólitas magnéticas pela introdução de nanopartículas nos cristais de zeólitas é um método um pouco mais complexo. As nanopartículas magnéticas devem se acomodar dentro dos cristais de zeólitas e a síntese dessas últimas deve ser feita na presença do material magnético [5].

Outra aplicação de nanomateriais ocorre na agricultura. Essa utilização tem crescido nos anos recentes devido à necessidade de desenvolvimento sustentável. Assim, nanomateriais sevindo como fertilizantes e pesticidas usados em solos para controlar nutrientes, proteger de pestes e descontaminar a água são relevantes para se aumentar a produtividade associada a uma menor degradação do meio ambiente.

No que diz ao tratamento de água, a nanotecnologia tem trazido interessantes respostas a problemas gerados pela poluição [6]. Nesse sentido, nanomateriais são produzidos com propriedades físico-químicas úteis para a remoção ou a eliminação de poluentes da água. São, portanto, úteis nos processos de reciclagem de água, sendo utilizados na adsorção e separação, na detecção e no monitoramento, na desinfecção e na catálise. Os óxidos metálicos constituem uma importante classe de nanomateriais devido principalmente às suas características catalíticas, sensitividade e atividade seletiva. Os nanomateriais à base de cobre também são materiais de grande importância devido às suas propriedades químicas, elétricas e térmicas. Nanomateriais com cobre têm se mostrado eficiente e uma alternativa de baixo custo para o tratamento de efluentes. Vários métodos foram desenvolvidos nos últimos tempos para se obter esse tipo de material como redução química, decomposição térmica, microondas, entre outros. Assim, foi possível, por exemplo, utilizar cobre de valência zero na remoção de nitratos de águas de superfície. O cobre de valência zero também foi utilizado na degradação do metil laranja presente na água. Nanomateriais à base de ferro também têm sido utilizados na descontaminação de água, principalmente pelo fato de que ferro de valência zero tem sua reatividade aumentada quando ele é nanoestruturado. Os mecanismos envolvidos compreendem a redução, a adsorção, a precipitação/co-precipitação, além de outros efeitos em nanoescala. Obviamente, para a compreensão desses fenômenos, diversas técnicas experimentais são utilizadas, como a técnica XPS, que mostra a composição química e os estados dos metais na superfície dos materiais.

No que diz respeito à aplicação na medicina, existe uma gama de possibilidades. Nanopartículas poliméricas - usando-se polímeros naturais, sintéticos ou semi-sintéticos (proteínas, celulose, quitosana; polianidritos alifáticos; alginatos, etc) podem ser utilizados em nanosistemas carregadores de fármacos. A escolha do polímero a ser utilizado, em geral, dependerá das características físico-químicas do fármaco a ser encapsulado, como a polaridade. Nanotubos de carbono já foram estudados com a finalidade de também serem utilizados como carregadores de fármacos, embora a sua alta toxicidade tem impedido a sua ampla utilização. As nanopartículas de ouro, por seu turno, se destacam como nanopartículas metálicas com aplicação na medicina por serem inertes e bastante estáveis frente à oxidação. Nanopartículas de prata são utilizadas como agentes antimicrobianos e como carregadores de fármacos. Devido à sua relativa toxidade em relação às células humanas, há a necessidade das nanopartículas de prata serem recobertas com polímeros apropriados [7].

Nessa rápida discussão é possível perceber que o campo de aplicação das nanopartículas é muito amplo. O conhecimento a ele associado está se expandido de uma maneira bastante rápida. Durante a próxima década é possível que espetaculares avanços e descobertas sejam conseguidos. 

[1] G.J. Nohynek, J. Lademann, C. Ribaud, M.S. Roberts, Crit. Rev. Toxicol. 37, 251 (2007).

[2] Y. Chen, J.C. Crittenden, S. Hackney, L. Sutter, D.W. Hand, Environ. Sci. Technol. 39, 1201 (2005).

[3] V.O. Sousa Neto, P.T.C. Freire, R.F. Nascimento, Ground remediation using nanomaterials, in: Nanomaterials Applications for Environmental Matrices: Water, Soil and Air, Ed. R.F. Nascimento, O.P. Ferreira, A.J. Paulo, V.O. Sousa Neto, Elsevier 2019, Chap. 12, p. 381-402.

[4] V.O. Sousa Neto, P.T.C. Freire, R.F. Nascimento, Removal of pesticides and volatile organic pollutants with nanoparticles, in: Nanomaterials Applications for Environmental Matrices: Water, Soil and Air, Ed. R.F. Nascimento, O.P. Ferreira, A.J. Paulo, V.O. Sousa Neto, Elsevier 2019, Chap. 13, p. 405-426.

[5] C.B. Vidal et al., Magnetite-zeolite nanocomposite applied to remediation of polluted aquaatic environments, in: Nanomaterials and Nanotechnology: Biomedical, Environmental, and Industrial Applications, Ed. R.F. Nascimento, V.O. Sousa Neto, P.B.A. Fechine, P.T.C. Freire, Springer 2021, Chap 3, p. 69-94.

[6] V.O. Sousa Neto et al., Progress and challengers of nanomaterials in water contamination, in: Nanomaterials and Nanotechnology: Biomedical, Environmental, and Industrial Applications, Ed. R.F. Nascimento, V.O. Sousa Neto, P.B.A. Fechine, P.T.C. Freire, Springer 2021, Chap 7, p. 217-238.

[7] L.C.C. Fernandes et al., Nanotechnology: concepts and potential applications in medicine, in: Nanomaterials and Nanotechnology: Biomedical, Environmental, and Industrial Applications, Ed. R.F. Nascimento, V.O. Sousa Neto, P.B.A. Fechine, P.T.C. Freire, Springer 2021, Chap 3, p. 1-39.

Superfície de Marte

       Existem diversas evidências de que grandes modificações na superfície do planeta Marte sejam devidas ao movimento de gelo ou materiais contendo gelo, principalmente em médias latitudes. Estudos realizados há algum tempo pela nave orbital Viking identificaram formas geomórficas que foram interpretadas como sendo oriundas de fluxo viscoso de materiais ricos em gelo. Supõe-se inclusive que deva existir gelo quase puro, sem muita impureza, debaixo de detritos [1]. 

       Para continuar a discussão é interessante citar os principais períodos geológicos de Marte, quais sejam, Pre-Noachian, Noachin, Hesperian e Amazônico (que ainda é subdividido em Recente, Médio e Antigo). O período Amazônico é o período atual e se estende até cerca de 3 bilhões de anos atrás. Esse período tem o seu nome originado da Planície Amazônia (Amazonis Planitia), que é uma região da superfície marciana com um número pequeno de crateras. 

          Acredita-se que o grau de preservação de depósitos de gelo variem nas latitudes médias de acordo com a própria latitude, a elevação e a topografia. No artigo da Ref. [1], por exemplo, os autores investigam Detalhes de Fluxo Viscoso (Viscous Flow Features, VFF) na parte noroeste do Nereidum Montes, que fica localizado em latitudes médias do hemisfério sul. Os autores procuram entender quatro aspectos principais: (1) o porquê dessa região possuir uma grande concentração de VFF; (2) qual é a concentração de gelo; (3) quando e como eles foram formados; (4) como esses VFF podem ser comparados com aqueles de outras regiões.

Figura 1: Vista da planície Argyre e dos Nereidum Montes (coloração artificial, Ref. [1]).

         O Nereidum Montes é um arco montanhoso com elevações que chegam até 4000 m. No trabalho da Ref. [1] os autores utilizaram diversos equipamentos, como o High Resolution Imaging  Science Experiment (HiRISE) para imagens detalhadas do mapeamento geomorfológico; o MRO Shallow Radar (SHARAD) para análise da subsuperfície e o MGS, o MOLA e o DEM para análise topográficas. Os estudos por mapeamento e radar indicam que o Nereidum Montes pode ser uma das regiões mais ricas em gelo nas latitudes médias marcianas no hemisfério sul Modelos sugerem que a deposição de gelo no Nereidum Montes provavelmente ocorreu na Época Amazônica Recente (Late Amazonian) durante período de alta obliquidade, enquanto que o seu escorregamento, que deixou marcas VFF no terreno, ocorreu há poucos milhões de anos. Os autores da Ref. [1] acreditam que devido ao grande número dessas marcas na região do Nereidum Montes, ele contenha uma provisão de gelo potencialmente maior do que em outras regiões de altas concentrações.

           Muitos esforços já foram realizados para se obter um entendimento acerca do planeta Marte de uma forma mais aprofundada. Em 1971 a espaçonave Mariner 9 orbitou o planeta. Em 1975, através das missões Viking, um equipamento foi colocado na superfície do planeta. Em 2018, existiam seis diferentes satélites orbitando o planeta (Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Express, Mars Odyssy, Mars Atmosphere and Volatile Evolution, Mars Orbiter Mission and ExoMars Trace Gas Orbiter). Para obter dados sobre o planeta vermelho foram enviados veículos robôs (rovers) que coletaram uma grande gama de imagens e informações. Um deles foi o Spirit, que pousou na cratera Gusev e ficou ativo entre 03 de janeiro de 2004 e 22 de março de 2010. Outro foi o Opportunity, que aterrisou no Meridiani Planum em 25 de janeiro de 2004 e ficou ativo até 10/06/2018, quando ficou encoberto por uma tempestade de poeira, danificando as suas baterias. O terceiro foi o Mars Science Laboratory Curiosity (que pousou na cratera Gale e operou entre 2012 e 2019), todos da Nasa. À propósito, diversas belas imagens da superfície do planeta obtidas pelo Opportunity e pelo Curiosity podem ser vistas no YouTube, utilizando-se o seguinte endereço: https://www.youtube.com/watch?v=ZEyAs3NWH4A.   

           No artigo da Ref. [2] os autores fazem uma revisão dos estudos sobre o clima de Marte próximo à superfície, com ênfase nos ciclos de poeira, CO2 e água e o impacto sobre as condições termodinâmicas próximas da superfície. Alguns dos parâmetros fornecidos: opacidade da atmosfera, pressão atmosférica, temperatura do ar próximo à superfície, temperatura do solo, velocidade e direção do vento próximo à superfície, humidade relativa do ar próximo à superfície e quantidade de vapor d'água. Numa escala global, a circulação atmosférica marciana sofre forte influência da sublimação e deposição sazonal de gás carbônico a altas latitudes. A inclinação do planeta (25,2 graus) e a grande excentricidade (e=0,0934) da órbita faz com que o hemisfério sul tenha verões mais quentes e curtos e invernos mais frios e longos do que o do hemisfério norte. Além do ciclo do CO2, o ciclo de poeira tem um forte impacto na atmosfera marciana. Grandes quantidades de poeira são transportadas na atmosfera de Marte. As tempestades de poeira mais fortes ocorrem durante a primavera e o verão do hemisfério sul [3]. Acrescenta-se que eventos regionais de poeira também acontecem durante a primavera e o verão do hemisfério norte, mas eles são menos eficientes no aumento da opacidade de poeira do que os seus equivalentes do hemisfério norte. Marte também apresenta um forte ciclo H2O sazonal no qual a água é trocada entre a superfície e a atmosfera através de diversos processos, e então redistribuído na atmosfera. Os reservatórios de água sazonal incluem gelo de água nas calotas polares, gelo superficial ou subsuperficial em regiões de altas latitudes e possivelmente soluções salinas líquidas sob a superfície.

        No que diz respeito à pressão atmosférica de Marte, os pesquisadores apontam que muitos processos definem as variações da pressão em sua superfície. Em escalas de tempos longas, denominadas escalas sazonais, variações na massa atmosférica devido à condensação e sublimação sazonal das calotas polares, composta principalmente por CO2, produz grande variação de pressão [2]. Em escala de dias a meses, a circulação tropical e ondas estacionárias são fatores dominantes na variação desse parâmetro. Há também modificações na pressão em escalas de tempo diurna e em escalas de tempo variando entre uns poucos segundos a alguns minutos. O valor da pressão atmosférica em Marte varia entre 650 e 1050 Pa [2], ou seja, cerca de 1% da pressão atmosférica da Terra (101,3 kPa). No que diz respeito à água, há grandes reservatórios dessa substância como gelo e vapor em Marte, embora água líquida pura seja improvável de ser encontrada sobre a superfície do planeta. Entretanto, a presença de gelo de água sob a superfície em latitudes médias e em regiões polares e também a existência de percloratos nos solos polares e equatoriais pode permitir que ele liquefaça o gelo marciano em algumas situações, produzindo água salgada líquida [2].

          Essas e muitas outras informações foram obtidas a respeito da superfície de Marte com o uso de diversos equipamentos colocados na sua superfície, como comentado anteriormente, bem como de dados obtidos por diversos satélites que circulam em órbita do planeta. Brevemente, novos dados estarão disponíveis através da missão Perseverance. Hoje, 18/02/2020, chegou à Marte, mais precisamente na cratera Jezero - que possui 40 km de diâmetro e 500 m de profundidade - o rover Perseverance, que foi lançado da Terra em 30/07/3030. Esse equipamento fornecerá informações ainda mais precisas sobre a constituição do planeta, em particular fazendo testes delicados sobre a existência ou não de vida. Entre os equipamentos, estará um espectrômetro Raman, que fará análise do solo e tentará encontrar evidências de matéria orgânica sob a superfície do planeta. A primeira foto da superfície, tirada há poucos minutos, é apresentada abaixo.

Figura 2: Primeira foto da superfície marciana tirada pela Perseverance, há poucos minutos (18/02/2021). [Hello, world. My first look at my forever home. #CountdownToMars].

[1] D.C. Berman, F.C. Chuang, I.B. Smith, D.A. Crown, Ice-rich landforms of the southern mid-latitudes of Mars: A case study in Nereidum Montes, Icarus 355, 114170 (2021).

[2] G.M. Martínez et al., The modern near-surface Martian climate: a review of in-situ meteorological data from Viking to Curiosity, Space Science Reviews 212, 295 - 338 (2017).

[3] L. Montabone, F. Forget, E. Millour, R.J. Wilson, S.R. Lewis, D. Kass, A. Kleinboehl, M.T. Lemmon, M.D. Smith, M.J. Wolff, Eight-year climatology of dust optical depth on Mars. Icarus 251, 65–95 (2015).