Na agricultura, um ou mais nutrientes necessários para o crescimento e desenvolvimento das plantas são fornecidos ou suplementados através de fertilizantes, que podem ser substâncias minerais ou orgânicas, naturais ou sintéticas. No entanto, o caminho físico-químico percorrido pelos nutrientes desde sua dispersão no solo até sua absorção e incorporação no metabolismo vegetal ainda não é bem compreendido, o que provoca o uso ineficiente de fertilizantes, muitas vezes de forma excessiva e nociva ao meio ambiente.
O solo é uma combinação sólida e heterogênea de compostos orgânicos e inorgânicos, imersos em soluções aquosas e em meio a raízes de plantas. Os processos químicos, físicos e biológicos que ali acontecem em nível atômico e molecular controlam o transporte, a disponibilidade e a absorção de nutrientes, assim como o transporte de poluentes e a contaminação do solo.
A luz síncrotron permite a investigação da estrutura desta região, chamada de rizosfera, em diversas escalas e em alta resolução. Ela é capaz de revelar como os átomos e moléculas tanto de nutrientes quanto de poluentes "caminham" no solo, e como mudam quimicamente ao interagirem com outras moléculas. Dessa forma, os processos que ocorrem no solo podem ser mais bem conhecidos e controlados, contribuindo para uma produção agrícola mais eficiente e menos agressiva ao meio ambiente.
A partir do momento em que uma molécula relacionada a alguma doença é identificada, seja ela produzida por um agente infeccioso ou pelo próprio organismo humano, ela pode se tornar um alvo terapêutico, isto é, um alvo para a ação de um fármaco. Como em um quebra-cabeças, a molécula do fármaco deve se encaixar à molécula alvo para impedir sua ação em nosso organismo.
Por isso, a busca por um fármaco se torna mais eficiente se conhecermos o formato das moléculas que devem se encaixar. No entanto, nesse jogo da descoberta de novos medicamentos, diferentemente de um quebra-cabeças, as peças não são visíveis a olho nu.
A luz síncrotron é uma ferramenta essencial na investigação da estrutura tridimensional de moléculas, que permite entender a fundo sua ação no organismo e os processos pelo quais um potencial fármaco deve ligar-se a ela. Dessa forma, é possível descobrir novos fármacos, ou entender o funcionamento de medicamentos já conhecidos e aumentar sua efetividade.
Catalisadores são substâncias facilitadoras de reações químicas utilizadas em praticamente todos os processos industriais que envolvem a transformação de produtos primários. A busca por catalisadores mais eficientes e mais acessíveis tem impacto direto sobre a economia e o meio ambiente, por exemplo, ao baratear processos produtivos e ao proporcionar uma produção industrial mais limpa.
Essa investigação, no entanto, exige que os catalisadores sejam estudados em condições de operação, isto é, simulando as mesmas condições em que serão aplicados nos processos industriais. Essas condições incluem altas temperaturas, altas pressões, e a presença de diferentes reagentes.
A luz síncrotron permite estudar essas reações químicas em tempo real, com o acompanhamento das modificações na estrutura tanto dos reagentes quanto dos catalisadores. Isso permite a compreensão detalhada do funcionamento de determinado catalisador, e guia modificações que podem ser feitas para aprimorar seu desempenho, tornando-o, por exemplo, mais barato para ser produzido, mais seletivo ao produto de interesse, e mais ativo a menores temperaturas e pressões.
O nitrogênio é um importante elemento químico para as plantas, componente de proteínas e da clorofila. No entanto, embora o gás nitrogênio $\rm (N_2)$ seja abundante na atmosfera, ele não pode ser absorvido diretamente do ar pelas plantas. Antes, o gás nitrogênio precisa ser transformado em outras formas químicas, como a amônia $\rm (NH_3)$.
Da mesma forma, fertilizantes sintéticos contendo nitrogênio são obtidos através de reações químicas entre o nitrogênio atmosférico e matérias-primas provenientes das indústrias petrolífera e da mineração. Essa reação requer condições extremas de temperatura e pressão, e estima-se que o processo consuma entre 1 e 2% da produção mundial de energia. Por outro lado, essa transformação de nitrogênio em amônia já ocorre no próprio solo em pressão e temperatura ambiente, proporcionada por enzimas, chamadas nitrogenases, que são produzidas por bactérias.
A luz síncrotron permite investigar não só a estrutura tridimensional do arranjo dos átomos que compõem essas enzimas, mas também sua interação com outras moléculas e seu mecanismo de ação na quebra do nitrogênio e formação da amônia. A compreensão desse mecanismo é essencial para seu uso industrial na produção mais eficiente e sustentável de fertilizantes.
Um problema importante para a medicina são as chamadas doenças tropicais negligenciadas. Essas são doenças endêmicas de regiões tropicais, que afetam especialmente as populações de baixa renda. Além disso, são doenças contra as quais há investimento insuficiente em pesquisa, produção de medicamentos e controle de transmissão.
Uma delas é, por exemplo, a Malária. Esta é uma doença infecciosa, febril, potencialmente grave, causada pelo parasita do gênero Plasmodium, transmitido principalmente pela picada de mosquitos infectados. Durante o desenvolvimento do parasita nos glóbulos vermelhos, ele passa por várias transformações que permitem sua propagação no hospedeiro e a infecção de outros mosquitos, dando continuidade a seu ciclo de vida.
A luz síncrotron permite o conhecimento da estrutura tridimensional das diferentes fases do desenvolvimento deste e de outros parasitas, o que guia o desenvolvimento de formas de atacá-los, impedindo a transmissão da doença. A luz síncrotron permite também uma visão global dos mecanismos de metabolismo celular, desde o nível atômico até o nível de tecido, abrindo não só perspectivas em parasitologia como também na compreensão de processos ligados a outras doenças, nutrição e atividade enzimática.
Os desafios para se alcançar um desenvolvimento sustentável passa pela disponibilidade de energia abundante, limpa e barata. Deste modo, novos materiais precisam ser desenvolvidos para aprimorar a conversão de biomassa em combustíveis e para canalizar de forma eficiente a energia luminosa do sol, energia cinética dos ventos ou energia potencial dos recursos hídricos.
Neste sentido também é essencial uma produção industrial mais eficiente e menos poluente, através da criação de catalisadores mais baratos e seletivos, de materiais renováveis mais leves e resistentes – como plásticos, vidros e fibras –, assim como componentes para dispositivos eletrônicos cada vez mais potentes e ao mesmo tempo econômicos.
A luz sincrotron oferece uma enorme variedade de formas de enxergar, em detalhe, as interações dos elétrons entre si e com a luz, as ligações entre elementos químicos e suas interações com outras substâncias. A combinação dessas ferramentas é essencial para o desenvolvimento de novos materiais.
A transformação da biomassa, como a palha e o bagaço da cana-de-açúcar, que são resíduos da indústria sucroalcooleira, em combustíveis e produtos químicos tem o potencial de se tornar uma alternativa viável aos combustíveis fósseis, como o petróleo e o gás natural. Tornar essa transformação eficiente e economicamente viável é um dos grandes desafios deste século.
Para que a conversão da biomassa aconteça, é preciso que os carboidratos que a compõem, como a celulose, sejam quebrados em açúcares menores. Catalisadores são interessantes neste processo porque são facilmente separados do meio em que ocorre a reação química, podem ser reciclados e são também resistentes ao meio agressivo necessário para a transformação da biomassa. Outra possibilidade é a utilização de coquetéis enzimáticos produzidos por microrganismos especializados na degradação de biomassa vegetal.
A luz síncrotron auxilia no desenvolvimento tanto de catalisadores como de coquetéis enzimáticos de baixo custo, que promovam elevada conversão do reagente e seletividade ao produto de interesse.
O câncer é um conjunto de doenças caracterizadas pela multiplicação descontrolada de células, e um dos principais métodos para seu tratamento é a quimioterapia, que utiliza fármacos para bloquear o crescimento dessas células ou destruí-las. A maioria das drogas utilizadas age interferindo na mitose, o mecanismo celular pelo qual novas células são produzidas. Por isso, tanto células cancerosas quanto sadias são afetadas, levando a diversos efeitos colaterais.
Mundialmente, esforço considerável tem sido direcionado ao desenvolvimento de novos métodos que minimizem os danos para o organismo. Um desses métodos é a utilização de nanopartículas, aglomerados de poucas centenas de átomos, que funcionam como pílulas que carregam e entregam o medicamento diretamente às células doentes. Nanopartículas desse tipo também oferecem grande potencial no combate a bactérias – inclusive aquelas que apresentam resistência a antibióticos – e a vírus.
A luz síncrotron contribui no estudo de nanopartículas de forma geral, e no desenvolvimento deste e de outros novos métodos para o tratamento do câncer, para o combate a bactérias resistentes, vírus e muitas outras novas formas inovadoras de tratamento.
Mesmo com a intensa busca de fontes alternativas de energia, a matriz energética mundial ainda é majoritariamente dependente do petróleo. Assim, novos materiais são necessários não só para aprimorar sua extração e refino, como também para a utilização mais eficiente dos combustíveis fósseis e para a reciclagem do dióxido de carbono ($\rm CO_2$) e outras substâncias resultantes de seu consumo.
A exploração de óleo e gás em águas profundas necessita, por exemplo, da compreensão das propriedades mecânicas e de transporte dos materiais sob os quais são encontrados o óleo e o gás. A heterogeneidade e propriedades multifásica e multiescala desses materiais impõem inúmeros desafios para seu estudo.
A luz síncrotron permite análises que fazem a conexão entre a escala micro e a macroscópica, incluindo medidas em diferentes condições de pressão e temperatura presentes no interior dos reservatórios.
A luz síncrotron é uma aliada do setor produtivo mundial e já beneficiou o desenvolvimento de inúmeros produtos. A farmacêutica Abbott usou a luz síncrotron no desenvolvimento do Kaletra, um dos medicamentos prescritos para tratamento da infecção pelo HIV. A P&G usou a tecnologia para o desenvolvimento de condicionadores, detergentes, e outros produtos, enquanto a Dow Chemical utilizou a luz síncrotron no desenvolvimento de materiais para melhorar a absorção de fraldas descartáveis.