A nanotecnologia é a engenharia das coisas extremamente pequenas, que visa a concepção, construção e manipulação de sistemas cujas unidades fundamentais têm dimensões da ordem de 1 a 100 nanómetro. Um nanómetro (nm) é igual a 10-9 m, ou seja, cerca de 100 000 vezes mais pequeno do que a espessura de um cabelo (0,1 mm) e cerca de dez vezes o tamanho de um átomo de hidrogénio (0,1 nm). A nanotecnologia é actualmente uma área interdisciplinar cobrindo diversos tópicos e com aplicações em muitos domínios, tais como os produtos de consumo (roupas, alimentos, cosméticos), o ambiente, a energia, a electrónica e a medicina. As potenciais aplicações futuras são imensas, desde nanorobots que reparam as nossas células a materiais mais leves que o aço mas dez vezes mais resistentes. Na opinião de alguns cientistas, a nanotecnologia pode vir a estar na base da próxima revolução industrial, daqui a apenas 10 ou 20 anos.
Aplicações actuais da nanotecnologia
A nanotecnologia molecular: o futuro
Oportunidades para a Engenharia Química
O significado de nanotecnologia evoluiu ao longo dos últimos anos. Originalmente, o termo designava a engenharia à escala molecular, construindo-se e manipulando-se sistemas a partir de componentes à nanoescala, tal como as células do nosso organismo que são constituídas por uma variedade de máquinas moleculares. Este conceito de nanotecnologia ainda não foi concretizado, mas é actualmente uma área fértil de investigação. Entretanto, com a evolução na ciência e tecnologia dos materiais, é agora possível construir materiais estruturados à nanoescala que têm propriedades novas e interessantes, como por exemplo roupas revestidas com nanofilamentos de carbono que repelem a água, tal como a fina penugem de um pêssego. O desenvolvimento de nanomateriais, assim como o entusiasmo à volta do termo nanotecnologia, fez com que o seu significado fosse alargado, abrangendo actualmente uma variedade de tecnologias que manipulam a matéria a uma escala abaixo de 100 nm. Citando Eric Drexler, considerado por muitos o pai da nanotecnologia, há duas nanotecnologias: a nanotecnologia do fabrico molecular e a nanotecnologia dos produtos manipulados à nanoescala (tudo o que tenha nanoestrutura, como por exemplo pequenas partículas ou finos revestimentos). O grande potencial da nanotecnologia no futuro reside provavelmente no fabrico molecular. A segunda nanotecnologia não é tão revolucionária mas já está no mercado e pode significar a ponta do iceberg: "This modest, fairly low-tech application of nanotechnology [nanopartículas e nanomateriais] is just the small tip of a vast iceberg - an iceberg that threatens to sink even the "unsinkable" companies." (do livro de Jack Uldrich and Deb Newberry, "The Next Big Thing Is Really Small: How Nanotechnology Will Change The Future Of Your Business"). O CRN (Centre for Responsible Nanotechnology) propõe uma boa definição que tenta abarcar as duas nanotecnologias: "nanotecnologia é a engenharia de sistemas funcionais à escala molecular". Para mais informações e uma visão mais abrangente da nanotecnologia, veja também Understanding Nanotecnnology, Nanotechnology Now e Nanotecnologia na Wikipédia.
As aplicações da nanotecnologia actualmente já no mercado são essencialmente na área dos nanomateriais. São muitos os exemplos: protectores solares com nanopartículas de óxido de zinco, que são muito eficientes a absorver os raios ultravioleta mas deixam passar a luz visível, tornando o creme transparente; embalagens para alimentos com nanopartículas de prata que têm propriedades antibacterianas; roupas e tecidos revestidas com nanofilamentos que repelem a água e a sujidade; raquetes de ténis, sticks de hóquei e outros equipamentos de desporto reforçados em zonas críticas com nanotubos de carbono. As Figuras 1, 2 e 3 mostram mais três exemplos.
Para mais exemplos e informações, ver Nanotechnology Now e Understanding Nanotecnnology. Veja também o inventário de produtos de consumo que contêm nanomateriais, organizado pelo Project on Emerging Nanotechnologies (mais de 500 produtos, em Julho de 2007!).
Figura 01: Gotas de água à superfície de madeira tratada com o spray Lotus, da BASF. Lotus é uma planta cujas folhas repelem a água, uma vez que estão cobertas de nanocristais de uma cera hidrofóbica, que reduzem a área útil de contacto entre a água e a superfície para apenas 2-3% da área total. Este efeito é imitado pelo spray da BASF que combina nanopartículas com polímeros hidrofóbicos. O spray é particularmente eficiente em superfícies rugosas, como as de materiais de construção, madeira, papel, cabedal e têxteis. (figura reproduzida com autorização de IOP Publishing Limited; o artigo original pode ser visto aqui)
Figura 02: Papel de parede antibacteriano para usar, por exemplo, em hospitais. Em cima, mostra-se fibras de papel convencional e em baixo as mesmas fibras revestidas com nanopartículas de ZnO; as partículas são mostradas em detalhe no canto inferior direito. As nanopartículas têm actividade antibacteriana, testada com E.Coli. O mesmo princípio pode ser aplicado a têxteis. (figura reproduzida com autorização de The Royal Society of Chemistry; o artigo original pode ser visto aqui)
Figura 03. Nanopartículas de ouro ligam-se preferencialmente a células cancerosas (à esquerda) e não têm afinidade específica por células saudáveis (à direita), constituindo assim um meio eficiente de diagnóstico. As nanopartículas são ligadas a um anticorpo que reconhece uma proteína existente na superfície das células cancerosas. (figura reproduzida com autorização de American Chemical Society; o artigo original pode ser visto aqui).
Em 1959, Richard Feynman, que viria a ganhar o prémio Nobel da Física em 1965, idealizava já o futuro da nanotecnologia (ainda sem usar esse termo):
I want to build a billion tiny factories, models of each other, which are manufacturing simultaneously. (...) The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. It is not an attempt to violate any laws; it is something, in principle, that can be done; but in practice, it has not been done because we are too big.
Esta ideia de nanofábricas produzindo com precisão atómica foi desenvolvida por Eric Drexler, a partir dos anos de 1980, sendo actualmente designada por nanotecnologia molecular ou fabrico molecular. De acordo com esta visão do futuro, as unidades fundamentais de uma nanofábrica são nanomáquinas que manipulam cada molécula individualmente (Figura 4) e montam moléculas em estruturas maiores, permitindo assim a produção de quase tudo o que possamos imaginar, incluindo outras nanomáquinas. Numa nanofábrica, tem-se um controlo apertado sobre o movimento molecular e a formação de novas moléculas, ao contrário do que acontece nos reactores químicos actuais, onde não se tem controlo directo sobre o movimento molecular, colocando-se triliões de moléculas em contacto, daí resultando o produto desejado mas também muitos produtos não desejados. Uma nanofábrica pode integrar milhões de nanomáquinas e sistemas auxiliares de transporte, energia e controlo, organizados em vários níveis, permitindo a construção de produtos complexos, átomo por átomo, de forma limpa, barata e eficiente. E tudo isto pode caber em cima da nossa secretária! Surpreendido? Há quem pense que esta não é uma ideia demasiado futurista e que nos próximos 10 a 20 anos teremos de facto uma nova revolução industrial baseada no fabrico molecular.
O conceito de fabrico molecular pode parecer menos futurista e mais praticável a médio prazo, se recorrermos a exemplos da biologia. Os ribossomas, presentes em todas as células, podem ser encarados como nanomáquinas (cerca de 20 nm de diâmetro) que lêem a informação genética contida no mRNA e montam sequências de aminoácidos para formar proteínas. Estas enrolam-se de acordo com a sua composição atómica e intervêm depois em inúmeros processos, constituindo elas próprias máquinas moleculares ao promoverem determinadas reacções químicas. Os ribossomas e as proteínas são então algumas das máquinas moleculares que compõem a eficiente e complexa nanofábrica que é a célula. A biologia ilustra assim as potencialidades da nanotecnologia, mas no entender de Eric Drexler, não devemos ficar demasiado colados ao modelo da biologia, já que os nanossistemas artificiais podem vir a ser muito mais eficientes do que os biológicos, tal como os aviões são mais rápidos que as aves.
Para ter uma ideia mais clara sobre como os cientistas e engenheiros de hoje concebem a nanofábrica do futuro, veja este vídeo, uma animação artística de uma nanofábrica que processa moléculas para fazer um computador portátil. Para informações mais detalhadas, leia o artigo de Eric Drexler e veja também as sua página em e-drexler.com, dedicada à nanotecnologia molecular. Consulte também a página do CRN (Centre for Responsible Nanotechnology), onde encontra uma descrição cuidada do que poderá vir a ser no futuro a nanotecnologia, incluindo uma discussão relevante de possíveis impactos económicos, sociais e militares.
Figura 04: Moinho molecular que transfere um átomo de hidrogénio das ferramentas que circulam no tapete de cima para os produtos transportados pelo tapete de baixo. A ferramenta transporta um átomo de hidrogénio (branco) ligado a germânio (roxo) e o produto tem um radical de carbono voltado para cima (verde). No ponto de contacto, o átomo de hidrogénio é transferido do germânio para o carbono formando uma ligação muito mais forte. Todas as partes mecânicas podem ser modeladas à escala atómica, o que não é mostrado na figura. (figura reproduzida com a gentil autorização de Dr. Eric Drexler)
A nanotecnologia é uma área interdisciplinar para a qual contribuem a física aplicada, a química (em particular a química supramolecular, a química dos colóides e a química física), a ciência dos materiais, a electrónica e a engenharia química.
A relação entre a engenharia química e os nanomateriais acontece em primeiro lugar no próprio processo de fabrico desses materiais, onde o engenheiro químico, com uma sólida formação em engenharia de processo, tem naturalmente um importante contributo a dar. Além disso, os próprios materiais sintetizados têm aplicações em processos químicos, tanto na área da reacção química (novos catalisadores nanoestruturados) como em processos de separação (membranas estruturadas à nanoescala). Os nanocatalisadores podem vir a ter importantes impactos em tratamentos ambientais e na área da energia, inclusivé no desenvolvimento de células de hidrogénio, enquanto que as nanoseparações podem ser muito úteis em problemas ambientais e processos de purificação em química fina, incluindo produtos de biotecnologia e fármacos. Ao nível da tecnologia do produto, a incorporação de nanomateriais e, de um modo geral, a manipulação à escala molecular podem beneficiar uma série de áreas onde os engenheiros químicos estão envolvidos, como produtos de higiene e cosmética, produtos de limpeza, produtos alimentares, tintas, plásticos e têxteis.
Os engenheiros químicos estão também cada vez mais envolvidos em domínios ligados à medicina e ciências da vida, tal como a administração e libertação controlada de fármacos, as técnicas de diagnóstico, os dispositivos biomédicos e a engenharia dos tecidos, domínios esses onde a nanotecnologia tem uma intervenção cada vez maior. A título de exemplo, no campo da administração de fármacos, caminha-se para o desenvolvimento de veículos que transportem o medicamento exactamente para as células ou tecidos onde ele é necessário. No tratamento do cancro, há já estudos com nanocápsulas que transportam o fármaco especificamente para as células cancerosas, minimizando os estragos nos tecidos saudáveis.
A engenharia química, como engenharia de base molecular e engenharia dos processos de fabrico, tem também um contributo a dar na investigação de ponta em fabrico molecular e máquinas moleculares. A investigação em áreas que irão contribuir para a nanofábrica do futuro, tais como a química física, mecânica molecular, associação espontânea de moléculas, química computacional e engenharia de sistemas moleculares é muitas vezes feita por cientistas com formação de base em engenharia química.
Mas a nanofábrica é ainda uma visão do futuro, prometedora e entusiasmante, mas não praticável no momento presente. Entretanto, ainda sem chegar à nanoescala, a engenharia química tem de facto evoluído no sentido da redução da escala, através daquilo a que se chama intensificação de processos. A intensificação de processos e consequente redução de escala pode ser obtida reduzindo o tamanho dos equipamentos que compõem uma instalação industrial ou então concebendo peças individuais de equipamento que integram diversas operações, como por exemplo reacção química seguida de separação dos produtos da reacção. Para a intensificação de processos têm contribuído diversas tecnologias, como por exemplo os microreactores, que podem ser do tamanho de um cartão de crédito e que incorporam uma série de microcanais (com 10 a 100 μm de diâmetro) onde têm lugar diversas operações, incluindo mistura de reagentes, reacção química, transferência de calor e separação.
Concluindo, a Nanotecnologia e a Engenharia Química são ambas disciplinas modernas de base molecular e com aplicações em múltiplas áreas. Como tal, é natural que se cruzem diversas vezes convergindo para a criação de novos produtos e processos que melhorem a nossa qualidade de vida.
Para mais informações sobre novas oportunidades para a Engenharia Química na era da Nanotecnologia, consulte uma série de quatro artigos da revista Chemical Engineering Progress, Novembro de 2003:
Rittner M, Holister P. Nanoparticles - What's Now, What's Next? Chem. Eng. Prog.2003;99(11):39S-42S.
Harper T, Vas CR, Holister P. Fueling the Chemical Industry's Future. Chem. Eng. Prog. 2003;99(11):34S-38S.
Carrillo DL. Nanosensor's Niche in Nanotecnology. Chem.Eng. Prog. 2003;99(11):43S-47S.
Roco MC. Paving the Road for a Nanotechnology Future. Chem. Eng. Prog. 2003;99(11):48S.
Para uma leitura mais avançada, sugerem-se três artigos do AIChE Journal:
Ying JY. Research in Bioengineering and Nanotechnology . AIChE J. 2005;51(9):2382-2385.
Tirrell M. Modular Materials by Self-Assembly . AIChE J. 2005;51(9):2386-2390.
Langer R, Peppas N. Advances in Biomaterials , Drug Delivery, and Bionanotechnology. AIChE J. 2003;49(12):2990-3006.
Para saber mais sobre intensificação de processos e microreactores, leia o seguinte artigo de revisão:
Stankiewicz AI, Moulin JA. Process Intensification: Transforming Chemical Engineering. Chem. Eng. Prog. 2000;96(11):22-34.