EDUARDO CESARUma equipe do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP) aproveitou as características dos cristais líquidos – substâncias que ficam a meio caminho entre sólidos cristalinos (cristais) e líquidos isotrópicos (como a água) – para produzir um equipamento que calibra com precisão as máquinas de hemodiálise, de modo a tornar mais eficiente a filtragem que elas fazem do sangue de pessoas com insuficiência renal. O grupo, coordenado pelo professor Antônio Martins Figueiredo Neto, já apresentou pedido de patente ao Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI) e espera que algum fabricante se interesse em produzi-lo em escala comercial.
O sistema consiste em injetar cristal líquido na mangueira por onde deve fluir o sangue e, por meio de uma célula óptica, medir as variações na velocidade do fluido. Conhecida a velocidade, pode-se saber se a máquina está adequadamente calibrada ou não. Hoje, as máquinas de hemodiálise são controladas de forma manual, imprecisa, o que pode deixar o fluxo do sangue muito rápido, vagaroso demais ou com variações bruscas de velocidade. “O aparelho”, diz Figueiredo, “pode verificar a qualidade do fluxo: isto é, se o circulador de sangue a ser testado provocar variações bruscas no fluxo – o que poderia acarretar mudanças não desejadas na pressão sanguínea -, o aparelho pode detectar o problema e sugerir mudanças nas partes móveis do circulador para evitar isso”.
Os cristais líquidos – um tipo de fluido complexo – foram descobertos em 1888, quando o botânico austríaco Friedrich Reinitzer estudava propriedades de derivados do colesterol – acetato e benzoato de colesterila. Descobriu que essas substâncias, que à temperatura ambiente tinham aparência sólida cristalina, quando aquecidas, se transformavam num fluido leitoso. Prosseguindo o aquecimento, voltavam a mudar de aparência, desta vez para um líquido transparente. No benzoato de colesterila, os dois pontos de fusão estavam a 145,5°C e 178,5°C (graus Celsius). “Uma vez que o fenômeno poderia ser devido a eventuais impurezas no material, Reinitzer pediu ao químico alemão Otto Lehmann que o submetesse a análise química, para descobrir os possíveis contaminantes”, conta Figueiredo. “Depois de um estudo criterioso, Lehmann concluiu que não havia contaminante algum: os derivados de colesterol eram substâncias puras.”
Fase mesomórfica
Como explicar, então, seu comportamento? A resposta veio em 1922 com o francês George Friedel: a fase leitosa, que chamou mesomórfica, correspondia ao até então desconhecido cristal líquido, estado intermediário entre o sólido cristalino e o líquido isotrópico. “Outra característica notável desses materiais”, diz Figueiredo, “é que refletem seletivamente a luz branca. Parte da radiação é absorvida e parte refletida, resultando disso luzes coloridas, que variam com a temperatura”. Foi essa propriedade, análoga à dos sólidos cristalinos, que levou Lehmann a dar aos fluidos leitosos o nome de cristais líquidos. E foi também o que levou os pesquisadores da USP a desenvolver o equipamento.
“Os cristais líquidos”, diz Figueiredo, “agrupam-se em duas grandes famílias: os termotrópicos, cujas transições de fase são regidas pela temperatura, e os liotrópicos, que também podem mudar de fase com apropriadas variações de concentração e em função da temperatura”. Os termotrópicos respondem por 99% das aplicações – por exemplo, mostradores de relógios digitais, telas de TV e monitores de computador. Mas, por serem menos estudados e por suas especificidades, os liotrópicos atraem mais: para eles se voltam 60% do trabalho da equipe, que integra o Grupo de Fluidos Complexos do Ifusp.
Seu projeto consistiu no uso de técnicas de óptica linear e não-linear e de radiocristalografia para estudar estrutura e propriedades de cristais líquidos e ferrofluidos – outro tipo de fluido complexo. “Descobrimos, por exemplo, que alguns liotrópicos são opticamente isotrópicos – têm as mesmas propriedades físicas em todas as direções – quando em repouso, mas se tornam anisotrópicos quando em movimento.” Assim, em movimento, seu índice de refração varia, de modo que deixa passar mais ou menos luz, conforme a velocidade. “Foi com base nessa propriedade que inventamos o dispositivo que permite verificar o funcionamento dos equipamentos de hemodiálise.”
Orientação paralela
As peculiaridades dos cristais líquidos decorrem da assimetria de suas moléculas. Em certas condições de concentração, pressão e temperatura, os eixos moleculares podem se orientar paralelamente uns aos outros. É esse ordenamento que faz os cristais líquidos se comportarem um pouco como líquidos, um pouco como sólidos cristalinos, e não ser nem uma coisa nem outra independentemente. Ocorre que o conjunto de moléculas de um líquido não apresenta nenhum tipo de ordem de posição, enquanto o conjunto de moléculas de um sólido cristalino tem ordem posicional. Os cristais líquidos têm a fluidez dos líquidos comuns e, ao mesmo tempo, propriedades ópticas típicas dos sólidos cristalinos.
Os termotrópicos, que mudam de fase com a temperatura, têm moléculas em forma de bastões, discos ou bananas, todas com grande assimetria ou, mais precisamente, anisotropia de forma. É essa anisotropia – o fato de as moléculas não se distribuírem igualmente em todas as direções, como num líquido comum – que permite seu ordenamento orientacional. Já os constituintes básicos dos liotrópicos, que também mudam de fase com certas variações de concentração e de temperatura, não são formados de moléculas isoladas, mas de agregados moleculares chamados micelas.
Os agregados se formam porque suas moléculas têm características antagônicas – uma região polar e outra apolar. Em contato com um solvente polar como a água – cujas moléculas têm um dipolo elétrico, ou seja, cargas positivas e negativas afastadas umas das outras -, as micelas tendem a assumir certa orientação: por afinidade elétrica, a região polar se aproxima da molécula de água vizinha, e a região apolar permanece afastada. A partir de uma concentração crítica, as porções polares se juntam, como num casulo, dentro do qual as porções apolares ficam isoladas do ambiente aquoso. Cada casulo é uma micela, e funciona como blindagem entre as regiões apolares e a água.
“É o que ocorre quando lavamos as mãos com sabão para eliminar a graxa. Quando temos na mão graxa – um material apolar – e tentamos lavar com água apenas, não conseguimos removê-la. Assim, misturamos detergente (cujas moléculas são anfifílicas, com regiões polares e apolares) e esfregamos as mãos, misturando água, detergente e graxa. Agora, as moléculas do detergente formam superestruturas do tipo micelar (casulos) com a graxa dentro, sendo lavadas pelo fluxo de água.” A propósito, a qualificação dos cristais líquidos como substâncias puras se aplica aos termotrópicos, mas não aos liotrópicos – que são, de fato, misturas de pelo menos duas substâncias: a que compõe as micelas e o solvente.
Ferro em líquido
Outra classe de fluidos complexos estudada pelo grupo são os ferrofluidos, com propriedades magnetoópticas muito interessantes. Eles foram inventados nos anos 60 na Nasa, para transportar combustível dos tanques até os motores dos satélites espaciais. “Os técnicos da agência espacial americana produziram um ingrediente magnético que podia ser dissolvido no combustível. Bastava então aplicar campos magnéticos de baixa intensidade para conduzir o material de um compartimento a outro, arrastando o combustível junto”, explica Figueiredo.
Para isso, obtiveram uma suspensão coloidal com grânulos de magnetita de cerca de 10 nanômetros, que podia ser dissolvida no combustível sem que o material magnético se depositasse no fundo do tanque. “As aplicações tecnológicas do produto depois se diversificaram. Hoje, ele é usado, por exemplo, na fabricação de tintas magnéticas que podem tornar aviões invisíveis ao radar, selos rotatórios que protegem os discos rígidos dos computadores e em dispositivos que detectam a inclinação dos aviões.”
O Projeto
Investigação de Propriedades Ópticas e Mecânicas de Cristais Líquidos (nº 96/09151-4); Modalidade Projeto temático; Coordenador Antônio Martins Figueiredo Neto -Instituto de Física da USP; Investimento R$ 31.000,00 e US$ 209.400,00
