14 Aplicações Inovadoras de Nanotecnologia: Da Medicina aos Materiais

O termo 'nanotecnologia' foi cunhado pelo Professor Norio Taniguchi em 1974. Ele descrevia processos de semicondutores que exibem controle característico na ordem de um nanômetro.

Quão pequeno é um nanômetro? O cabelo humano tem aproximadamente 50 micrômetros de largura. Um nanômetro é 50.000 avos da largura de um fio de cabelo.

A nanotecnologia moderna começou em 1981 quando cientistas desenvolveram o microscópio de tunelamento para "ver" átomos individuais.

O Que Exatamente É Nanotecnologia?

Nanotecnologia é ciência, tecnologia e engenharia realizadas na nanoescala, entre 1 e 100 nanômetros. Pode ser um tópico complicado com novas descobertas sendo feitas diariamente.

A nanotecnologia pode fornecer insights sem precedentes em materiais e equipamentos e provavelmente impactará vários campos, incluindo física de dispositivos, ciência de materiais, química supramolecular, ciência coloidal e engenharia elétrica e mecânica.

O tópico pode ser melhor explicado fornecendo explicações claras e concisas de aplicações de nanotecnologia. Listamos alguns usos menos populares de nanotecnologia e suas vantagens, mostrando como realmente impactam nossas vidas diárias.

14. Nanotecnologia na Indústria Alimentícia

Papel da nanotecnologia em diferentes aspectos do setor alimentício | Crédito: Frontiers

Nas últimas duas décadas, aplicações de nanotecnologia surgiram com a crescente necessidade de uso de nanopartículas em diferentes campos de microbiologia de alimentos e ciência dos alimentos, incluindo processamento, embalagem, segurança, identificação de patógenos transmitidos por alimentos e extensão da vida útil de produtos alimentícios.

Partículas nanoengenheiras usadas na indústria alimentícia, por exemplo, minimizam vazamento de dióxido de carbono em bebidas carbonatadas, reduzem gordura e aumentam valor nutricional. Também mantêm fluxo de umidade e controlam crescimento de bactérias para manter alimentos frescos.

Técnicas de embalagem inteligente combinadas com sensores nanoescala permitem detecção de alimentos contaminados e presença de bactérias e pesticidas.

Hoje, ingredientes nanoescala são usados para melhorar sabor, textura e cor dos alimentos. Nanopartículas de dióxido de titânio, dióxido de silício e sílica amorfa são usadas como aditivos alimentares.

Na indústria alimentícia, aplicações comerciais de nanopartículas devem crescer significativamente devido às suas propriedades novas e únicas. Assim, a exposição humana a nanopartículas continuará aumentando, e seu impacto associado à saúde permanecerá uma preocupação pública primordial.

13. Comunicação Molecular

Nanomáquinas são dispositivos totalmente funcionais que podem realizar numerosas tarefas como atuação, sensoriamento, armazenamento de dados e computação. Para serem mais eficazes e eficientes, essas máquinas devem ser interconectadas na forma de uma rede.

Comunicação molecular é o paradigma em redes de nanocomunicação, que usa moléculas para comunicação entre nanomáquinas. Esses sistemas usam a ausência ou presença de um tipo particular de molécula para codificar dados digitalmente.

Funciona entregando moléculas em um meio (como água ou ar) para transmissão. Os sinais de comunicação requerem pouca energia e podem ser biocompatíveis. Além disso, esta técnica não depende de antenas de tamanho específico.

Como a comunicação molecular é inspirada na comunicação entre materiais biológicos, oferece ampla gama de aplicações biomédicas e ambientais.

Nanocomunicação dentro do corpo humano, por exemplo, pode ter várias aplicações de saúde, como engenharia de tecidos, sistema imune aprimorado, Interface Cérebro-Máquina e entrega direcionada de medicamentos.

Cientistas estão trabalhando atualmente em modelos para comunicação ponta a ponta entre máquinas bio-nano.

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12. Crescimento de Células Nervosas

Crédito da imagem: Sebastian Kaulitzki/Shutterstock

A capacidade de regenerar células nervosas no corpo poderia diminuir significativamente os efeitos de trauma e doenças. Cientistas estão trabalhando em nanotecnologia para melhorar a regeneração de células nervosas.

Mostraram como nanopartículas magnéticas podem gerar tensão mecânica para estimular o alongamento de axônios (ou fibras nervosas). Também descreveram como nanofibras alinhadas podem fornecer uma matriz bioativa onde células nervosas podem regenerar.

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Vários estudos provaram que nanotubos de carbono facilitam o crescimento completo de neurônios e formação de novas sinapses. No entanto, este crescimento não é indiscriminado e ilimitado.

11. Painéis Solares Melhores

À medida que o interesse global em energia verde continua aumentando, cientistas continuam estudando maneiras de melhorar a eficiência de células solares. Nos últimos anos, vários avanços em nanotecnologia foram integrados em painéis solares para melhorar eficiência enquanto diminuem custos de fabricação e instalação.

Nanopartículas de silício, em particular, provaram ser úteis: têm baixa densidade a granel, estado de superfície ativo e características fotoluminescentes únicas. Portanto, estas nanopartículas também são usadas em semicondutores integrados, dispositivos de exibição luminescente, células de energia solar e baterias de íon-lítio.

Avanços recentes em células solares baseadas em grafeno resultaram em 20% menos refletância e pelo menos 40% mais conversão de energia comparado a células solares tradicionais.

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10. NanoArte

Uma nanoescultura criada por Jonty Hurwitz

Cientistas estão se tornando artistas, graças à 'NanoArte'. É uma obra de arte feita em escala molecular e atômica. Retrata nanoestruturas naturais ou sintéticas observadas por microscópios eletrônicos em laboratórios.

Para criar uma nanoarte, cientistas primeiro analisam texturas de moléculas e átomos, capturam imagens microscópicas delas e ajustam a imagem resultante para produzir uma peça única de arte. Um dos objetivos de tais artes é familiarizar pessoas com minúsculos objetos úteis e avanços em sua síntese.

Em 2015, Jonty Hurwitz desenvolveu novo método para gerar nanoesculturas usando fotogrametria e litografia de multi-fótons. Hurwitz é um artista criativo agora reconhecido pela menor forma humana já construída usando nanotecnologia.

9. Diagnóstico e Tratamento Médico

Métodos de diagnóstico baseados em nanotecnologia podem fornecer dois grandes benefícios:

• Testes rápidos, que podem permitir que médicos realizem testes diagnósticos e iniciem tratamento dentro de um dia.
• Detecção de doenças graves em estágios iniciais, o que pode ajudar médicos a deter doença(s) mais cedo, com menos danos ao paciente.

Por exemplo, cientistas estão desenvolvendo nanopartículas chamadas NanoFlares para detectar células cancerígenas na corrente sanguínea. Estas nanopartículas são projetadas para se ligar a alvos genéticos em células cancerígenas e produzir sinal fluorescente quando aquele alvo particular é encontrado.

Outro bom exemplo são sensores de nanoporo que podem identificar partículas virais individuais. Sensores de nanoporo combinados com técnicas de inteligência artificial podem fornecer detecção rápida, point-of-use, de vírus.

A tecnologia também pode ser usada para combater infecções: pesquisadores desenvolveram protótipo de curativo de cateter que incorpora nanopartículas de clorexidina hexametafosfato. Pode inibir crescimento de bactérias e diminuir colonização de feridas. No futuro próximo, esses tipos de moléculas poderiam ser usados em materiais de cuidado de feridas para controlar infecções.

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8. Melhorando Disponibilidade de Combustível

A nanotecnologia pode abordar a escassez de combustíveis fósseis (gasolina e diesel) de diferentes formas:

• Pode aumentar a quilometragem de motores.
• Pode produzir combustíveis de matérias-primas convencionais de forma eficiente e econômica.

Nanomateriais são candidatos excepcionais para numerosos sistemas de biocombustível devido às suas propriedades únicas como atividade catalítica, durabilidade, estabilidade, alto grau de cristalinidade e armazenamento eficiente, que coletivamente podem ajudar a otimizar o sistema geral.

Nanotecnologia combinada com gaseificação, pirólise, digestão anaeróbica, transesterificação e hidrogenação provou ser econômica e eficiente, mas ainda limitada a laboratórios e pequena escala. Substituirão sistemas tradicionais em escala comercial em breve (provavelmente nas próximas três décadas).

Vários nano-catalisadores de óxido metálico, incluindo óxido de cálcio, titânio, óxido de estrôncio e óxido de magnésio, foram criados com alto desempenho catalítico para produção de biodiesel. Nano-catalisadores baseados em carbono também têm grande potencial para produção de biodiesel de várias matérias-primas.

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7. Displays e Dispositivos Optoeletrônicos

Pontos Quânticos com emissão gradual do violeta ao vermelho escuro | Wikimedia Commons

Nanofios de silício e nanotubos de carbono tornam possível desenvolver displays de baixo consumo de energia. Como estas nanoestruturas são altamente condutivas, podem ser usadas em displays de emissão de campo com eficiência sem precedentes.

Em OLEDs, nanomateriais e técnicas de nanofabricação são usados para fabricar eletrodos transparentes e embalar OLEDs para protegê-los de danos externos (como água).

Cientistas desenvolveram com sucesso alguns nanômetros de grafeno como condutor transparente, abrindo caminho para OLEDs baratos e flexíveis.

Transistores orgânicos emissores de luz (alternativa aos OLEDs) poderiam abrir novas portas na optoeletrônica orgânica e servir como bancadas de teste para abordar questões fotônicas fundamentais como quenching de êxciton e perda de fótons.

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Pontos Quânticos — minúsculas partículas semicondutoras de alguns nanômetros — são tanto eletroativos (eletroluminescentes) quanto fotoativos (fotoluminescentes). Suas propriedades físicas únicas tornam-no material promissor para displays de próxima geração.

Comparados a OLEDs e materiais orgânicos luminescentes, materiais baseados em pontos quânticos têm vida útil mais longa, cores mais puras, menor consumo de energia e custos de fabricação.

6. Computação e Armazenamento de Memória

Progressão do processo de fabricação de semicondutores nanométricos

Com nanoeletrônica, processadores de computador podem ser feitos mais poderosos que o possível com métodos tradicionais de fabricação de semicondutores. Cientistas estudam atualmente várias técnicas — incluindo novos tipos de nanolitografia — e maneiras de usar nanomateriais, como pequenas moléculas e nanofios no lugar de componentes CMOS convencionais.

Conseguiram desenvolver transistores de efeito de campo usando nanofios semicondutores heteroestruturados e nanotubos de carbono semicondutores.

Gigantes da tecnologia iniciaram produção de memória nanoeletrônica no início dos anos 2010. Em 2013, Samsung produziu memória flash NAND multi-nível de 10 nanômetros. Em 2017, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company produziu memória SRAM usando processo de 7 nanômetros.

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5. Nanoquímica Quântica

Nanoquímica quântica refere-se ao ramo da ciência física e nanotecnologia que utiliza mecânica quântica para explorar efeitos quânticos coerentes em nanoestruturas projetadas.

Nos últimos anos, quântico ganhou novo significado devido à pesquisa crescente para realização de computadores quânticos. Hoje, fenômenos quântico-mecânicos — como coerência quântica, superposição e emaranhamento — são projetados em nanoescalas.

Aplicações nesta área incluem computação quântica, simulador quântico, comunicação quântica e sensoriamento quântico.

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4. Carregamento Rápido de Smartphones e Veículos Elétricos

Recentemente, esforços substantivos focaram no desenvolvimento de materiais de eletrodo nanoestruturados, que poderiam melhorar sistemas de armazenamento de energia de ponta como baterias de íon-lítio.

Alguns pesquisadores desenvolveram dicogenídeos de metal de transição bidimensionais que podem ser usados como supercapacitores. O material é pequeno e permite transferência de elétrons mais rápida, permitindo carregamento e descarregamento mais rápidos. É feito de fios nanométricos com revestimento de material 2D.

Há muitos exemplos assim. Uma empresa israelense chamada StoreDot constrói nanomateriais, que (combinados com compostos orgânicos proprietários) têm potencial para se tornar o padrão definitivo de carregamento rápido em várias indústrias, incluindo smartphones, veículos elétricos e eletrodomésticos.

Sua combinação única de densidade de energia e carregamento rápido abriu novas portas para a bateria flash de próxima geração. Segundo a empresa, suas baterias de smartphone e baterias flash de veículos elétricos (construídas com compostos orgânicos não inflamáveis) podem ser carregadas em 60 segundos e 5 minutos (fornecendo alcance de 300 milhas), respectivamente.

3. Nanorevestimento e Superfícies Nanoestruturadas

Nano-revestimento hidrofóbico

Revestimento com espessura controlada em escala atômica ou nano tornou-se comum hoje. Aplicações recentes incluem revestimentos de óxido nanoparticulado que destroem cataliticamente agentes químicos, e janelas auto-limpantes (revestidas com dióxido de titânio ativado) projetadas para serem antibacterianas e repelentes à água.

Camadas intermediárias nanoescala fornecem ligação superior e correspondência graduada de propriedades térmicas e elásticas, melhorando adesão. Estes tipos de camadas também melhoram revestimentos duros resistentes a desgaste e arranhões.

Além disso, controle aprimorado de porosidade na nanoescala tornou têxteis muito melhores: permitiu tecidos à prova d'água, respiráveis, resistentes a manchas.

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2. Exploração Espacial

Crédito: NASA

A nanotecnologia pode tornar voos espaciais mais práticos. Avanços recentes em nanomateriais ajudaram engenheiros a fazer espaçonaves leves e reduzir quantidade de combustível necessária para enviar foguetes ao espaço.

Novos materiais combinados com nanorrobôs e nanosensores podem melhorar ainda mais desempenho de sondas espaciais e trajes espaciais. Cientistas estão empregando materiais baseados em nanotubos de carbono para diminuir peso da espaçonave mantendo sua resistência estrutural.

Estes nanotubos de carbono podem permitir células solares leves que usam pressão da luz solar (luz refletindo nas células solares) para impulsionar a sonda espacial. Isso economiza mais combustível durante missões interplanetárias. Além disso, nanosensores a bordo podem monitorar níveis de químicos traço na estação espacial para analisar desempenho de sistemas de suporte à vida.

1. Melhor Qualidade do Ar e da Água

A nanotecnologia está sendo usada de duas formas principais para diminuir poluição do ar.

1. Catalisadores — atualmente em uso e regularmente melhorados.
2. Membranas nanoestruturadas — atualmente em desenvolvimento.

Catalisadores feitos de nanopartículas são usados para converter efetivamente vapores escapando de plantas industriais e veículos em gases inofensivos.

Membranas nanoestruturadas, por outro lado, podem separar CO2 de fluxos de exaustão de plantas industriais. O objetivo é desenvolver tecnologia implementável em todos tipos de usinas sem retrofit caro.

Similarmente, a nanotecnologia também está sendo usada para enfrentar três grandes problemas na qualidade da água.

1. Remover poluição industrial da água subterrânea.
2. Remover sal ou metais da água.
3. Melhorar filtros padrão para eliminar efetivamente células virais.

No primeiro caso, nanopartículas transformam químicos contaminantes em solução inofensiva. É um processo barato que pode alcançar contaminantes dispersos em lagoas subterrâneas.

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Para o segundo problema, técnicas de desionização baseadas em eletrodos de nanofibra mostram promessa para diminuir requisitos de energia e custo de transformar água salgada em potável. No terceiro caso, filtros apenas alguns nanômetros de largura são usados para remover células virais da água.