Os nanotubos de carbono ainda não estão nos supermercados nem em lojas especializadas, mas já é possível adquirir no Brasil e com tecnologia nacional essas peças minúsculas só vistas com potentes microscópios eletrônicos. Elas medem de 1 a 3 nanômetros (nm) de diâmetro e até 1.000 nm de comprimento, medidas comparáveis a um fio de cabelo dividido 50 mil vezes na forma longitudinal. Os nanotubos de carbono são uma das grandes conquistas tecnológicas nascidas na década de 1990 e hoje estão sendo produzidos nos laboratórios da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e comercializados pela Fundação de Desenvolvimento da Pesquisa (Fundep) da mesma instituição.
Entre outras qualidades os nanotubos possuem excelente condutividade elétrica e uma resistência mecânica cem vezes maior que a do aço e, ao mesmo tempo, flexibilidade e elasticidade. São características que os credenciam a uma infinidade de aplicações importantes em ciência e tecnologia. Podem, por exemplo, interligar nanochips de silício, na indústria eletrônica, compor polímeros para torná-los mais resistentes ou deixar tecidos impermeáveis e cerâmicas mais reforçadas. Na área médica também são bem-vindos porque são biocompatíveis e podem, por exemplo, liberar de forma mais segura e gradual um medicamento em um ponto específico do corpo humano ou carregar moléculas para o interior das células e ser um componente básico na arquitetura de nanomáquinas biológicas. Esses pequeníssimos tubos já se tornaram uma mercadoria em várias partes do mundo.
Algumas poucas empresas produzem o material ainda em grande parte para experimentos e desenvolvimento de produtos de alta tecnologia no Japão, na China e nos Estados Unidos. Um exemplo é um colete à prova de balas fabricado com nanotubos que o tornam mais leve, maleável e resistente que os convencionais. Talvez por isso e também por um possível uso na energia nuclear e na produção de armamentos e bombas, os Estados Unidos vetaram a exportação desse produto alegando interesses estratégicos. A proibição já foi comprovada por pesquisadores brasileiros que receberam negativas de empresas norte-americanas para a importação desse material.
A produção de nanotubos da UFMG, além de mostrar a capacidade científica nacional e formar pesquisadores na área, também cria independência tecnológica para o país. Essa história começou a ser elaborada a partir de 1999 no Laboratório de Nanomateriais do Departamento de Física, sob a coordenação do professor Luiz Orlando Ladeira. “Nossas inovações na síntese de nanotubos de carbono foram no processo e no equipamento para produzi-los em larga escala”, diz Ladeira. Com o avanço nos estudos percebeu-se que era hora de tornar esse material disponível para um maior número de pesquisadores. A idéia foi disponibilizar os nanotubos para outras universidades, institutos de pesquisa ou empresas brasileiras que teriam um acesso mais facilitado ao material, sem a necessidade de importá-lo. Assim, com as vendas iniciadas a partir de setembro deste ano, a Fundep já comercializou nanotubos de carbono para uma universidade e para uma empresa brasileira.
Até o início de novembro, foram 60 gramas (g) de nanotubos vendidos ao preço de US$ 30 o grama, totalizando US$ 1,8 mil, que serão divididos entre os pesquisadores, com um terço, e a UFMG, com dois terços, já descontados 5% da Fundep. No mercado internacional, o preço varia entre US$ 60 e US$ 200, dependendo do grau de pureza. Assim o produto nacional, que possui alta qualidade e oferece opções de manipulação em várias áreas, tem preço competitivo.
As primeiras vendas brasileiras foram para o Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da Universidade de São Paulo (USP) e para uma empresa paulista que os pesquisadores preferem não revelar o nome. “Estamos negociando com mais três empresas grandes das quais também não podemos falar o nome por determinação de cláusula de sigilo”, afirma Francisco Eduardo Ferreira da Cunha, analista de transferência de tecnologia da Fundep, responsável pela comercialização do produto.
O incentivo inicial para o desenvolvimento dos nanotubos na UFMG partiu do professor Marcos Pimenta, do mesmo Departamento de Física, que, em 1997, num ano sabático, trabalhou no Instituto de Tecnologia Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos. “Trabalhei com nanotubos lá e quando voltei incentivei o professor Luiz Ladeira a desenvolvê-los porque minha área é a espectroscopia óptica e ele já tinha experiência no estudo de carbono”, conta. “Eu já trabalhava com carbonos especiais desde 1996 e aí parti para tentar fazer nanotubos”, diz Ladeira.
Na fabricação dos primeiros exemplares não faltaram criatividade e até uma modalidade original de reciclagem de instrumentos científicos. “Eu estava pensando em como fazer os nanotubos quando lembrei de um equipamento de crescimento de cristais obsoleto que estava há dez anos parado no meu laboratório”, conta Ladeira. “Aí o transformei em uma máquina que fizesse nanotubos de carbono.” Quanto custou essa adaptação? “Praticamente nada. Não dá nem para contabilizar.”
Processo contínuo
Na máquina transformada, os pesquisadores conseguiram produzir o primeiro nanotubo em 2001. “Era um processo semicontínuo em que, durante a produção, era necessário abrir diversas vezes a câmara onde eles são produzidos. Depois encontramos uma maneira de produzir de forma contínua por muito tempo”, revela Ladeira. “No momento estamos desenvolvendo um novo processo de síntese contínua que poderá atingir a produção de 20 a 25 g por dia.”
A disponibilidade de nanotubos para o sistema de pesquisa científica e inovação no Brasil é de extrema importância em um momento que essas peças de carbono estão cotadas para servir a muitos experimentos científicos e uso na indústria. A própria aquisição do IQSC da USP mostra a diversidade e as possibilidades que se abrem com os nanotubos de carbono. O professor Sérgio Spinola Machado e sua aluna de mestrado Cláudia Razzino adquiriram 20g do produto da Fundep na forma de um pó enegrecido semelhante ao mineral que lhe dá origem, o grafite, dentro de um pequeno recipiente de vidro. Eles vão utilizar os nanotubos na formulação de biossensores capazes de identificar a contaminação por pesticidas em alimentos ou na água de rios.
“Usaremos os nanotubos para imobilizar uma enzima, a acetilcolinesterase, que tem sua ação inibida pelos pesticidas durante o processo analítico”, afirma Machado. “Assim vamos resolver um problema dos eletrodos (para a passagem de corrente elétrica na análise) feitos de carbono vítreo que possuem superfície lisa e servem de suporte para a enzima. A estrutura tridimensional dessa molécula se ajeita melhor nos poros dos nanotubos que são fixados no eletrodo.” Presa apenas na superfície lisa, a enzima fica estabilizada como se estivesse achatada e a sua atividade diminui. Assim, com os nanotubos, o processo de análise de pesticidas deverá ficar mais preciso e eficiente.
Os nanotubos que a UFMG disponibiliza são do tipo single wall, ou parede única, em que apenas uma folha composta de átomos de carbono ganha a forma de tubo. Outra forma existente é a de paredes múltiplas, em que várias folhas de carbono são enroladas na forma de tubo. Esse tipo de nanotubo também é um dos objetos de estudo do grupo da UFMG, que no período entre 2004 e 2005, por exemplo, publicou quatro trabalhos na revista científica Physical Review Letters.
Na indústria eletroeletrônica, o nanotubo de carbono tipo single wall é apontado como a ligação ideal para os futuros nanochips, substituindo totalmente o silício usado hoje. Nesse caso os nanotubos fariam as ligações entre transistores e diodos de um circuito eletrônico, numa situação que melhoraria os desempenhos dos componentes e de todo o sistema. Conexões semelhantes, entre postes de dióxido de silício, com nanotubos já foram testadas na UFMG e comprovadas com imagens de microscopia eletrônica de varredura. Alguns grupos de pesquisa no mundo, como os pioneiros da Universidade Harvard, nos Estados Unidos, em 1998, já produzem experimentalmente transistores e diodos com nanotubos de carbono. Uma empresa norte-americana, a Nantero, de Woburn, Massachusetts, por exemplo, desenvolveu um sistema para fabricação de chips CMOS, da sigla em inglês de metal óxido semicondutor complementar, e agora planeja um sistema de memória para computadores baseado em nanotubos que será oferecido ao mercado como substituto das atuais memória RAM, de randômica ou aleatória memória de acesso.
Os primeiros passos na eletrônica já fazem imaginar que os nanotubos são candidatos a se instalar dentro de computadores e em qualquer outro tipo de aparelho eletrônico nos próximos anos. “Hoje toda a comunidade de pesquisadores de semicondutores está interessada em nanotubos de carbono”, diz Pimenta. Ainda faltam resolver muitos problemas na produção dessas peças para fins eletrônicos e estabelecer as ligações entre os elementos de um circuito eletrônico, por exemplo. “As pesquisas ainda estão num estágio distante da aplicação comercial.”
Uma característica dos nanotubos que favorece a sua inclusão no mundo da eletrônica, embora o carbono não seja um elemento condutor por excelência, é a capacidade de eles possuírem condutividade elétrica. O segredo está na forma de enrolar a folha de carbono de um nanotubo. “Conforme se enrola a folha de grafite, o material pode se comportar com propriedades eletrônicas distintas, como um semicondutor ou um metal”, explica Ladeira.
As propriedades eletrônicas são obtidas pela forma como os hexágonos de átomos de carbono são orientados em relação ao eixo do tubo (fenômeno chamado de quirialidade). “No fiozinho do nanotubo, os elétrons estão confinados e caminham em uma só direção de forma unidimensional. Eles se movimentam sem colisões com os átomos de carbono, o que se traduz numa condutividade elétrica muito melhor que a do cobre”, diz Ladeira.
Com longas paredes de espessura de um átomo, flexíveis e altamente resistentes, os nanotubos de carbono são também bons absorvedores e armazenadores de gases. Um dos usos previstos será a utilização dos nanotubos no transporte e no acondicionamento de hidrogênio nos sistemas de células a combustível, os equipamentos que transformam esse gás e o oxigênio em energia elétrica. “As suas características permitem o acúmulo de gases entre e dentro dos tubos colocados lado a lado como canudinhos de refrigerante, além de fixarem moléculas gasosas em suas superfícies para algum tipo de análise como um nariz eletrônico, por exemplo”, diz Pimenta. Esse projeto é uma das linhas de estudo da recém-criada Rede Nacional de Pesquisa em Nanotubos de Carbono, financiada pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). “Reunimos 15 universidades como a USP, a Estadual de Campinas (Unicamp), e as federais do Rio de Janeiro (UFRJ), Fluminense (UFF), do Paraná (UFPR), do Maranhão (UFMA), do Pará (UFPA), de Santa Maria (UFSM), no Rio Grande do Sul, e de Juiz de Fora (UFJF) e Lavras (UFLA), em Minas Gerais”, diz Pimenta, coordenador da rede.
As aplicações vislumbradas nos projetos, agora reunidos em rede, são variadas como a mistura de nanotubos com polímeros ou resinas de modo a aumentar as propriedades mecânicas e térmicas no revestimento de aeronaves, ganhando mais resistência e leveza em relação ao aço (seis vezes mais leves). “Um aspecto fundamental na rede é ter nanotubos disponíveis em grande escala para os grupos trabalharem sem se preocupar em produzi-los”, analisa Pimenta. Aí entra novamente a importância da produção do grupo do professor Luiz Ladeira.
A UFMG já repassa os nanotubos gratuitamente para projetos de pesquisa em que o grupo de pesquisadores da universidade esteja engajado. Isso acontece com a Unicamp, a Universidade Federal do Ceará e o Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear da Comissão Nacional de Energia Nuclear. Com a demanda crescendo e a universidade não sendo propriamente um local para produção de peças de cunho científico e tecnológico em larga escala, os pesquisadores já imaginam a formação de uma empresa para a fabricação de nanotubos. “Isso vai depender do mercado”, diz Ladeira. Outra possibilidade é a transferência de tecnologia para uma empresa que invista na produção, pagando royalties para os pesquisadores e para a universidade.
Uma rápida história
Os nanotubos de carbono foram descobertos pelo físico japonês Sumio Iijima, em 1991, pesquisador da empresa NEC no Japão. Com um microscópio eletrônico de varredura, ele encontrou nanotubos e nanopartículas sobre um eletrodo quando estudava a síntese de fullerenos, que são arranjos de carbono no formato de bolas de futebol e possuem gomos hexagonais nas ligações entre os átomos. Os fullerenos foram descobertos em 1985 pelos norte-americanos Robert Curl e Richard Smalley (falecido no último dia 28 de outubro), da Universidade de Rice, e pelo inglês Harold Kroto, da Universidade de Sussex. Foi a primeira formulação estável de uma molécula essencialmente feita de carbono, depois dos bem conhecidos grafite e diamante, encontrados na natureza. Esse resultado rendeu o Prêmio Nobel de Química, em 1996, aos três pesquisadores. O nanotubo viria a ser a quarta forma de uma molécula só de átomos de carbono. Inicialmente, Iijima, que hoje também é professor da Universidade de Meijo, no Japão, descobriu nanotubos formados com diversas folhas. Em 1993 ele e o pesquisador da IBM, Don Bethune, formataram o nanotubo com apenas uma folha de carbono. Daí para a frente diversas formas de produção e aperfeiçoamento dessas peças surgiram em todo o mundo. Além de todas as qualidades e utilidades atribuídas aos nanotubos, já existiu inclusive quem o indicasse para fazer ligações diretas com a Estação Espacial Internacional, a ISS na sigla em inglês, que hoje sobrevoa a Terra. Seria uma ligação, entre o chão terráqueo e a estação, capaz de levar suprimentos até o espaço. Uma idéia ainda não levada a sério, mas que mostra o quanto vai longe a imaginação com os nanotubos de carbono.
Outro aspecto, esse sim levado a sério, são as possíveis interferências dessas minúsculas peças no ambiente natural ou no corpo humano, como nos casos de transporte até um tumor de drogas anticâncer. “Esse nanotubo vai ficar, provavelmente, no organismo para o resto da vida do indivíduo”, diz o professor Luiz Ladeira, da UFMG. “A probabilidade é que não aconteça nada porque são feitos de carbono, como a maior parte do nosso organismo, mas precisamos saber com certeza.” Para Marcos Pimenta, também da UFMG, “as válvulas cardíacas são feitas de carbono e, se os riscos existirem, seriam muito pequenos, como, por exemplo, no caso de eles perfurarem alguma célula”. Também estão nessa discussão possíveis problemas ambientais do tipo: o que aconteceria se nanotubos caíssem num rio? São questões que começam a ser analisadas em várias partes do mundo e no Brasil. “Iniciamos um projeto com o Instituto de Ciências Biológicas da UFMG para estudar a biodistribuição dos nanotubos de carbono em seres vivos”, revela Ladeira.
Fabricando nanotubos
O carbono possui uma característica que é a auto-organização. Quando dentro de uma câmara sob condições especiais de temperatura, pressão e outros parâmetros, os átomos de carbono se agrupam em forma de tubo espontaneamente. “É da natureza do carbono se formatar assim”, diz o físico Marcos Pimenta, professor da UFMG. O trabalho dos pesquisadores é dar as condições necessárias para que se formem os pequenos tubos. “Dentro das câmaras precisamos controlar temperatura, pressão e outros parâmetros de forma bem precisa”, diz Ladeira. A técnica inicial usada na UFMG foi a descarga por arco elétrico, onde os nanotubos de carbono crescem junto com nanopartículas metálicas que catalisam sua reação de formação. “Vaporizamos carbono em uma câmara com gás hélio, junto com metais como níquel, a temperaturas entre 3.700° e 4.000°C. Dentro da câmara existem dois eletrodos que estabelecem uma corrente elétrica, levando o material a se transformar em uma mistura gasosa de níquel e carbono. Quando esse vapor esfria, o níquel não consegue suportar mais a quantidade de carbono dissolvida em seu interior e assim ele expulsa o carbono, levando à formação de nanotubos.” O resultado é um emaranhado de fios que mais lembram um prato de espaguete.
Outra técnica que está sendo usada pelos pesquisadores de todo o mundo é a tecnologia chamada Deposição Química na Fase Vapor, ou Chemical Vapor Deposition (CVD). Nesse caso, os nanotubos são produzidos numa reação de termodecomposição em um gás hidrocarboneto, como o metano, dentro de uma câmara, com temperaturas entre 600° e 1.000°C, que contém também pó cerâmico com nanopartículas de metais. Nesse processo, os nanotubos de carbono são formados sobre esse material cerâmico. A tecnologia CVD é mais barata e a mais usada atualmente. O Laboratório de Nanomateriais da UFMG possui dois equipamentos de CVD. “Um nós importamos e o outro nós fizemos aqui”, afirma Ladeira.
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