Super-Maratona dos Nanotubos de Carbono - Parte 3

Boa noite meus queridos leitores, a biotecnologia é uma das áreas mais estudadas e manipuladas pelos cientistas principalmente desde o período da 2º Guerra Mundial. Agora os nanotubos de carbono estão sendo aplicados à biotecnologia para desenvolverem-se biomateriais e biossistemas que até há pouco tempo pertenciam apenas aos sonhos dos pesquisadores. Hoje irei abordar as principais áreas da biotecnologia desenvolvidas em conjunto com os nanotubos, que vão desde pele até a neurônios artificiais. Vamos lá!!

Os Nanotubos de Carbono e a Biotecnologia

Tecidos artificiais com nanotubos de carbono

 Uma equipe de cientistas australianos e coreanos liderados pelos professores Geoffrey M. Spinks e Seon Jeong Kim criou um novo material esponjoso, altamente poroso, cujas propriedades mecânicas assemelham-se muito com a suavidade dos tecidos biológicos. O novo material é formado por uma redede fitas de DNA e de nanotubos de carbono entrelaçados.

Andaime biológico

Os tecidos moles do corpo humano, tais como tendões, músculos, artérias, pele e outros órgãos, obtêm seu suporte mecânico de uma matriz extracelular formada por  uma rede de nanofibras de proteínas, onde proteínas com diferentes morfologias geram tecidos com diferentes "durezas".

Os pesquisadores desenvolveram uma técnica para produzir uma matriz de suporte artificial que troca as proteínas por nanotubos de carbono em uma espécie de "andaime" onde as células dos tecidos poderão crescer.

O processo de entrelaçamento entre as fitas de DNA e os nanotubos de carbono acontece na presença de um líquido iônico, o que gera um gel.

Quando solução resultante posta sobre uma superfície se seca, origina-se um material com uma estrutura altamente porosa, constituída por uma rede de nanofibras interconectadas com apenas 50 nanômetros de largura. Ao ser mergulhado em uma solução de cloreto de cálcio, as fitas de DNA se entrecruzam, tornando as nanofibras mais densas e mais fortemente conectadas. A pesquisa prosseguirá, com testes sobre a biocompatibilidade e a análise da toxicidade do material, sobretudo pela presença dos nanotubos de carbono em sua composição.

  

Músculos artificiais superfortes e super-rápidos

Uma pesquisa, realizada na Universidade de Dallas, nos Estados Unidos, e que contou com a participação do físico brasileiro Alexandre Fontes da Fonseca , criou um tipo radicalmente novo de músculo artificial, unindo nanotubos de carbono e aerogel, o sólido mais leve que existe. O novo músculo artificial tem ação super-rápida e pode ser utilizado em temperaturas extremas.

Os músculos artificiais sempre foram vistos como alternativas para a movimentação de robôs, pois são leves e consomem pouca energia. Entretanto, a lentidão do seu funcionamento sempre os descredibilizou.

Agora, os novos músculos artificiais podem funcionar em temperaturas extremas, que vão desde os -196° C até acima do ponto de fusão do ferro a 1538° C, distendendo-se 10 vezes mais do que um músculo humano e, em uma velocidade 1.000 vezes maior e desempenhando 30 vezes mais força do que um músculo natural de mesma espessura.

Esses músculos artificiais revolucionários são feitos com folhas de um aerogel contendo nanotubos de carbono alinhados verticalmente.

O material resultante é transparente e com uma densidade semelhante à do ar, devido à leveza do aerogel, mas com uma resistência específica maior do que a do aço.

Os pesquisadores afirmam que os seus músculos artificiais deverão incrementar o campo da robótica espacial, graças ao seu funcionamento em ambientes extremos, uma situação comum no espaço.

Inteligência artificial com nanotubos de carbono

Em 2006, a equipe da professora Alice Parker, da Universidade da Califórnia, nos Estados Unidos, que começou a trabalhar com a possibilidade de desenvolver um córtex sintético, uma plataforma onde a forma de funcionamento do cérebro humano poderá ser imitada de forma artificial.

Neurônios artificiais

A equipe está criando os primeiros neurônios artificiais, minúsculas estruturas feitas com nanotubos de carbono, capazes comunicar-se uns com os outros, e certamente o próximo passo não será um cérebro funcional.

Antes disso, os neurônios sintéticos poderão ser usados em próteses cerebrais, ou combinados em redes para efetuar processamentos mais rapidamente do que os computadores convencionais, com uma lógica do tipo von Neumann.

Cada vez que um neurônio é acionado, ele envia um sinal eletroquímico para milhares de outros neurônios ao seu redor. Com aproximadamente 100 bilhões de neurônios no córtex humano, o que resulta em algo como 60 trilhões de conexões sinápticas, demonstrando como o cérebro é uma estrutura maciçamente interconectada.

Esquema do neurônio artificial, construído com transistores de nanotubos de carbono.

Neurônios transistorizados

"O cérebro é uma espécie de fábrica bioquímica, operando em uma esfera que você não pode esticar sobre circuitos integrados e placas de circuito impresso a fim de emular toda a sua atividade elétrica," explica a professora Parker.

"A conectividade é imensa e existem muitos 'delays'. Nós tivemos que nos voltar para a nanotecnologia para construir algo tridimensionalmente, para que eventualmente nós sejamos capazes de emular como os neurônios disparam e ativam os outros ao longo de uma rota específica dentro daquela esfera."

O resultado é um neurônio artificial projetado tridimensionalmente, como se fosse um transístor 3D, construído com peças nanoscópicas de carbono. Usando o projeto, os pesquisadores agora se preparam para construir o primeiro chip usando os seus "neurônios transistorizados" de carbono.

Usando o chip a ser construído, os pesquisadores planejam testar a conexão entre os neurônios sintéticos e sua interconectividade, verificando o funcionamento de suas sinapses artificiais.

 

Mas seria possível construir um cérebro artificial?

Parker enfatiza que a sinapse desenvolvida ainda é bastante simplificada e que o desenvolvimento real de um cérebro artificial está há décadas de distância.

O próximo desafio porém, rumo a esse objetivo, será reproduzir a plasticidade cerebral nos circuitos. O cérebro humano produz novos neurônios continuamente e adapta-se ao longo da vida e reproduzir este processo usando circuitos analógicos será uma tarefa monumental, segundo a pesquisadora.

Contudo, certamente os resultados serão proporcionais ao esforço, pois o entendimento do processo que fundamenta a inteligência humana terá implicações de longo alcance, incluindo o desenvolvimento de próteses biomecatrônicas, capazes de curar lesões cerebrais, ou o desenvolvimento de novas formas de inteligência, tais como automóveis auto-operados ou até mesmo supercomputadores menores, infinitamente mais ágeis e de interfácie muito mais simples.

Game on-line aproxima o mundo de uma cura para a AIDS

Jogadores de um game online resolveram em três semanas um problema de biologia molecular que vinha desafiando os cientistas há mais de uma década.

A solução joga uma nova luz para o desenvolvimento de uma vacina definitiva contra o vírus da AIDS.

Os jogadores voluntários formaram equipes para participar de um jogo online chamado FoldIt (dobre-o, em tradução livre) em referência ao processo que os cientistas chamam de dobramento das proteínas, que foi desenvolvido em 2008 pelos departamentos de Ciência da Computação, Engenharia e Bioquímica da Universidade de Washington.

O site de jogos Foldit, que cria games a partir de problemas científicos, foi capaz de produzir modelos precisos do retroviral M-PMV depois que muitas tentativas dos cientistas falharam, de acordo com um estudo recentemente publicado na Nature Structural & Molecular Biology.

Modelo do retroviral M-PMV gerado pelos jogadores do game FoldIt

Depois de passarem mais de uma década tentando sem sucesso, os cientistas desafiaram os jogadores de FoldIt a criarem um modelo preciso de uma enzima de um vírus similar ao HIV, que resolveram o problema em três semanas. "Nós queríamos ver se a intuição humana poderia ter sucesso onde os métodos automáticos falharam," disse Firas Khatib, da Universidade de Washington, nos Estados Unidos.

A classe de enzimas que estavam sendo estudadas, chamadas proteases retrovirais, têm um papel crítico na forma como o vírus HIV amadurece e se prolifera.

Diversas equipes de cientistas vêm tentando desenvolver medicamentos que bloqueiem essas enzimas há anos sem resultados porque os cientistas não sabiam como era a estrutura da molécula de protease retroviral, o que dificultava projetar moléculas que pudessem se ligar a ela.

Este é o primeiro caso documentado em que jogadores tenham resolvido um problema científico.

E resolveram mesmo! Depois de um pequeno refinamento nos modelos produzidos pelos gamers, os cientistas verificaram que a superfície da molécula possui alguns alvos interessantes para medicamentos que consigam desativar a enzima.

Haverá inúmeras outras partidas de FoldIt focando as causas e os tratamentos para outras doenças imunológicas, câncer e Alzheimer, e várias outras.

Super-Maratona dos Nanotubos de Carbono - Parte 2

Como eu disse ontem na parte 1 desta postagem, os nanotubos de carbomo possuem aplicações virtualmente infinitas. Sendo assim, hoje vamos abordar os novos materiais que estão sendo criados e os que estão em desenvolvimento para um futuro próximo utilizando-se desta nova tecnologia. Vamos lá!

Os nanotubos de Carbono e os Novos Materiais

Desde muitas décadas a ficção científica vem idealizando um mundo hightech que até há pouco tempo era apenas sonho, mas que depois do advento dos nanotubos de carbono está muito mais real do pensávamos. Os novos materiais desenvolvidos a partir dos nanotubos envolvem plásticos, borrachas, vibras ultra resistentes, tecidos mais fortes que o aço, tarnsistores, e muito, muito mais. Vamos dar uma passada pelos materiais mais polêmicos e inovadores já criados ou que ainda na prancheta utilizando os nanotubos de carbono.

Coletes à prova de Balas

Os nanotubos de carbono são ótimos candidatos para a fabricação de coletes à prova de balas no futuro, prometendo ser ainda mais resistentes do que seda de aranha – A fibra do momento, substituindo o Kevlar. Fios de nanotubos de carbono ainda são raros (e o seu tecido é ainda mais). A CNet relata que o preço atual dos nanotubos chega à R$ 1000/g. Com o tempo, as pesquisas irão evoluir e os preços devem cair, tornando os nanotubos de carbono uma fibra viável para os coletes de segurança mais resistentes já vistos.

Fibras de nanotubos de carbono

Um grupo internacional de cientistas desenvolveu uma técnica para a fabricação em escala industrial de fibras compostas unicamente por nanotubos de carbono puros e de alta qualidade.

A nova técnica manipula os nanotubos de carbono na fase líquida, levando para esse material os mesmos processos que a indústria petroquímica vem usando há décadas na fabricação de plásticos.

O processo foi batizado de Hipco (High-Pressure Carbon Monoxide Process).

Ao dissolver os nanotubos puros em solventes fortes - como o ácido clorossulfônico - os pesquisadores descobriram que eles se alinhavam automaticamente, formando cristais líquidos alongados, que podem ser tecidos em fibras. O processo não é muito diferente do utilizado para a produção de fibras como o Kevlar e as atuais fibras de carbono. "O Kevlar, a fibra de polímeros usada hoje nas roupas à prova de bala, é entre 5 e 10 vezes mais forte do que as nossas primeiras fibras de nanotubos de carbono. Mas, em teoria, nós poderemos fabricar fibras 100 vezes mais fortes," explica o pesquisador. "Se nós pudermos realizar apenas 20% do nosso potencial, já teremos o material mais forte conhecido."

Apesar da importância da descoberta, este ainda não é o passo final para a chegada definitiva das fibras de nanotubos de carbono ao mercado com todo o seu potencial.

Isto porque, embora produzam nanotubos de alta qualidade e pureza, os cientistas ainda não conseguem fabricar nanotubos com diâmetros e comprimentos definidos e constantes, o que faz com que as fibras não tenham a força prevista pela teoria.

Cabos de elevadores espaciais

Os nanotubos também são candidatos para a construção dos cabos de "elevadores espaciais", que aposentariam os foguetes, colocando cargas e astronautas em órbita da mesma forma que alguém hoje sobe do térreo para o último andar de um arranha-céu.

A NASA promoveu um estudo aprofundado sobre o elevador espacial em 2003, utilizando os últimos avanços tecnológicos e as melhores simulações computacionais para avaliar a viabilidade de sua construção. Os pesquisadores são unânimes em afirmar que ainda não dispomos das diversas tecnologias necessárias para sua construção deste porte, mas não descartam o projeto para um futuro não tão distante.

Adesivo de nanotubos de carbono

Cientistas do Instituto Politécnico Rensselaer e da Universidade Akron, ambos nos Estados Unidos, anunciaram não apenas ter conseguido replicar o mecanismo dos pés das lagartixas, mas também foram capazes de criar uma fita adesiva com um poder de adesão quatro vezes maior.

Os minúsculos pêlos existentes nos pés das lagartixas foram substituídos por nanotubos de carbono fixados sobre uma base de plástico flexível. A força de van der Walls cria uma atração entre cada um dos nanotubos e a superfície em que eles tocam, da mesma forma que acontece com os pêlos naturais das lagartixas.

Além de extremamente forte, o novo adesivo tem a vantagem de também ser reversível. Basta alterar sua posição, mudando a direção da força aplicada, para que o adesivo solte-se naturalmente.

O novo adesivo reversível deverá ter uma gama enorme de aplicações, entre as quais se destacam os pés de robôs escaladores, que poderão efetuar trabalhos na Terra ou em missões espaciais, visto que a maioria das outras colas não funciona no vácuo do espaço.

Meias à prova de chulé

Ilustração mostrando a ligação dos copolímeros com o tecido

O pesquisador norte-americano Jason Locklin, da Universidade da Geórgia,  desenvolveu uma nova tecnologia que permite tornar à prova de germes, fungos  e bactérias roupas e outros artefatos de tecido usados tanto em hospitais como em casa.

A descoberta pode revolucionar a forma como são fabricados lençóis e roupas hospitalares, máscaras de rosto, toalhas, fraldas, roupas íntimas e roupas esportivas. E segundo Locklin a tecnologia poderá ainda permitir a fabricação de meias à prova de chulé.

A tecnologia antimicrobiana inventada por Locklin efetivamente mata uma ampla quantidade de bactérias, bolores e leveduras que podem causar doenças, criar manchas e produzir odores indesejados.

A tecnologia, que segundo o pesquisador é simples e barata, funciona tanto em materiais naturais como em sintéticos, podendo ser aplicada durante o processo de fabricação do tecido ou em casa, e não sai na lavagem.

Enquanto os materiais antimicrobianos comuns, geralmente são formulados à base de prata ou de dióxido de titânio, Locklin usou copolímeros (N-alquil e benzofenona contendo polietileniminas).

A característica "permanente" da proteção ocorre devido a esses copolímeros unirem-se às fibras dos tecidos por meio de ligações covalentes carbono-hidrogênio, não sendo necessárias reaplicações para manter a eficácia do produto.

O pesquisador afirmou que o material foi testado em tecidos hospitalares contra os patógenos mais comuns em ambientes de saúde, tais como estafilococos, estreptococos, E. coli, pseudomonas e acetinobactéria, ficando os mesmos imunes a estes patógenos depois de uma única aplicação, com nenhum crescimento bacteriano observado nas amostras depois de 24 horas, a 37 graus Celsius. Além disso o tratamento permaneceu totalmente ativo após vários ciclos de lavanderia com água quente, demonstrando que a tecnologia é realmente eficaz, até o momento, de forma permanente.

Super-Maratona dos Nanotubos de Carbono - Parte 1

Boa noite  meus grandes amigos tecnológicos! Hoje começa a Super-Maratona dos Nanotubos de Carbono! Algumas pessoas me pediram, e aí está! Serão 5 postagens exclusivas sobre o assunto durante uma semana inteira! Serão abordadas as definições dos nanotubos, métodos fabricação, aplicações, impactos ambientais e muito mais! E tudo isso començando agora! Apertem os cintos e Boa Viagem!!

Definição

Os nanotubos de carbono são estruturas cilíndricas geradas através do enrolamento de folhas de grafeno, constituídas exclusivamente por átomos de carbono interligados entre si com formas hexagonais e diâmetros na ordem de nanômetros (bilionésimos de metro). Mas o jeito que o grafeno é enrolado é crítico para a definição das propriedades dos nanotubos. Isto porque seu comportamento vai depender de como as bordas da folha de grafeno se encaixam para fechar o tubo.

Há inúmeras formas de encaixe possíveis, dependendo do ângulo que as linhas de hexágonos se unem, o que se chama de quiralidade.

A maior parte dos encaixes resulta em nanotubos semicondutores, mas alguns tornam-se ótimos condutores chegando até mesmo a comportarem-se como metais, tendo aplicações em circuitos eletrônicos em micro e nano-escala.

Os nanotubos possuem alta resistência química e mecânica, assim como alto fator de condutividade elétrica e térmica, são pelo menos 117 vezes mais resistentes do que o aço tendo 1/6 do seu peso e 30 vezes mais fortes do que o Kevlar®, além de poderem ser esticados em até 14% do seu comprimento normal sem se quebrar. Desde a sua descoberta em 1991 pelo físico japonês Sumio Iijima, e à medida que os cientistas exploravam suas propriedades, chegou-se à conclusão que as aplicações práticas deste material são virtualmente infinitas, indo da biotecnologia até as sondas espaciais, passando por transistores, neurônios artificiais, biossensores, reforço nanoestrutural de materiais, armazenamento de hidrogênio em células de combustível, telas sensíveis ao toque etc.

Processos x Custos de Fabricação

Os processos para sua fabricação ainda estão em fase de desenvolvidos sendo muito difícil produzí-los de maneira uniforme em grandes quantidades. Desta forma, os nanotubos de carbono são quase tão diferentes quanto os métodos utilizados para fabricá-los.

A técnica mais comum é chamada CVD (Deposição Catalítica de Vapor Químico em português) na qual gases reagentes em alta temperatura são postos em contato com superfícies catalisadoras feitas de níquel, cobalto ou ferro.

Como os processos ainda não estão bem desenvolvidos, pesquisadores passam todo o tempo experimentando novas técnicas e analisando os nanotubos resultantes de cada mistura. Esses processos ainda são muito ineficientes, necessitando ainda de muito estudo e compatibilização entre si.

O custo para a produção destes materiais é bem elevado, visto que são obtidos principalmente através da vaporização à laser do grafite ou empregando-se decomposição de um hidrocarboneto leve (metano, acetileno, tolueno, etc.).

É aí que entra a pesquisa inovadora para a produção dos nanotudos desenvolvida pelo físico Joner Oliveira Alves, da USP. A sua pesquisa utiliza os gases emitidos na queima do bagaço da cana-de-açúcar como uma alternativa para a produção de nanotubos de carbono, pois além de baratear os custo da produção dos nanotubos, vai representar uma solução substancial para a grande quantidade de resíduos gerada na produção do açúcar e do etanol.

Além do bagaço da cana, Alves também estudou a queima de pneus usados, garrafas PET, além de resíduos da produção de etanol através do milho. Entretanto, os experimentos mostraram que o bagaço da cana apresentou o melhor custo-benefício para a produção dos nanotubos. Além disso, segundo o pesquisador, “o emprego de uma tela de aço inoxidável como catalisador diminuiu as emissões de gases nocivos ao meio ambiente, como o metano e o gás carbônico (CO2)”. E acrescentou: “O material particulado coletado no sistema catalisador foi constituído por nanotubos de carbono de paredes múltiplas com diâmetros de 20 a 50 nanômetros (nm) e comprimentos na faixa de 10 a 40 micrômetros".

Vasos sanguíneos artificiais são gerados através de impressora 3D

A impressão ou prototipagem 3D atingiu recentemente um novo patamar. A última novidade foi divulgada pelos engenheiros do Instituto Fraunhofer, na Alemanha, e se trata da impressão de vasos sanguíneos artificiais, que poderão ser usados para vascularizar tecidos artificiais ou serem usadas em implantes, eventualmente aplicadas à diversos tipos de cirurgias delicadas tais como a ponte de safena, por exemplo.

Imagem mostrando vasos sanguíneos naturais

Processos de fabricação

O maior problema é compatibilizar os tecidos artificiais com os biológicos naturais.

Para se fabricar os vasos sanguíneos biocompatíveis, os engenheiros alemães combinaram a tecnologia de impressão 3D com uma técnica chamada de polimerização multifotônica.

As impressoras 3D não são precisas o suficiente para se fabricar objetos tão precisos. Sendo assim, são aplicados pulsos curtos e intensos de laser que estimulam as moléculas do material, tornando-o mais elástico no ponto focal do laser.

Depois o material elástico passa por um processo chamado de biofuncionalização, onde recebe um revestimento de biomoléculas (heparina ou peptídeos) para que as células vivas possam se ligar a ele.

Por fim, é aplicada internamente em cada vaso sanguíneo artificial uma camada de células endoteliais, que formam uma camada capaz de permitir que a artéria ou veia artificial seja conectada à artéria biológica natural do corpo onde o implante será feito.

Apesar dos pesquisadores ainda não terem testado os vasos sanguíneos artificiais em organismos vivos, possuem boas expectativas para o futuro.