A Nanotecnologia e a Nanomáquinas...

• Fonte:  http://www.moodle.sead.furg.br/file.php/1610/Nanociencias/Bibliografia_Nanociencias/nanomaquinas284_1_.pdf
• 
  
•  A NANOMÁQUINAS
• QUÍMICOS COMO ARQUITETOS 
• DO MUNDO MOLECULAR
• LAGUNA DESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCKQ U Í M I C A
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• Elas são como as máquinas que inundam nosso cotidiano. Têm eixos, 
• rolamentos, engrenagens, rodas, chassis... Giram, dobram, esticam, encolhem, abrem e fecham partes de sua complexa estrutura. Respondem 
• a comandos e são alimentadas por energia. A diferença é que suas dimensões são da ordem do bilionésimo de metro. Ou seja, dispositivos 
• cujos tamanhos equivalem a dezenas ou centenas de átomos enfi leirados.
• As nanomáquinas já invadiram os laboratórios do mundo. E esse arsenal 
• vem sendo recrutado para executar tarefas – na área médica, ambiental 
• e farmacêutica – impossíveis para seus congêneres macroscópicos.
• Célia Machado Ronconi
• Laboratório de Química Supramolecular e Nanotecnologia,
• Instituto de Química, Universidade Federal Fluminense
• ma máquina pode ser defi nida como um aparelho – formado por componentes, como motor, pistão, válvula e engrenagem – que executa 
• uma tarefa ao ser fornecida a ele energia. 
• Máquinas permeiam nosso cotidiano. Por exemplo, acordamos ao 
• som do despertador; preparamos café usando uma cafeteira elétrica; 
• conferimos nossas mensagens de correio eletrônico no computador; 
• andamos de carro, ônibus, metrô, avião, trem, barco... Máquinas nos ajudam a economizar e otimizar nosso tempo, para que possamos empregá-lo 
• de outras maneiras.
• Uma máquina molecular, também denominada nanomáquina – o prefi -
• xo nano (anão, em grego) indica que a máquina tem dimensões na ordem 
• de um bilionésimo de metro (10
• -9 
• m) –, pode ser descrita com base nos mesmos conceitos empregados para defi nir uma máquina macroscópica: dispositivo que executa determinada função ao receber um estímulo externo que 
• pode ser elétrico, luminoso, químico ou térmico. Contudo, os componentes 
• que formam uma nanomáquina são moléculas ou aglomerados de átomos. 
• As nanomáquinas podem ser naturais ou artifi ciais. As mais importantes 
• – e mais estudadas – do primeiro tipo são a proteína miosina e a enzima 
• F
• 0
• F
• 1
• -ATP sintase. Esta última, formada por proteínas, é uma das máquinas 
• moleculares naturais mais efi cientes conhecidas. Converte a energia que 
• vem da molécula adenosina trifosfato (ou simplesmente ATP) em movimento rotacional com quase 100% de efi ciência, percentual praticamente inalcançável no reino das máquinas macroscópicas.  >>>
• Modelo feito em computador 
• de um diferencial molecular 
• cujo funcionamento 
• é baseado na peça usada 
• em veículos para permitir 
• que as rodas girem com 
• velocidades diferentes 
• nas curvas. No caso, cada 
• esfera representa um átomo
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• A miosina, responsável pela contração e extensão muscular, pertence a uma classe de motores lineares proteicos 
• que convertem energia química em trabalho, com base 
• nos movimentos coletivos de seus componentes moleculares. São máquinas biológicas complexas e sofisticadas
• cujo funcionamento é responsável por processos vitais do 
• organismo.
• O primeiro protótipo  Inspirados por motores proteicos naturais, cientistas – entre eles, vários químicos – 
• desenvolveram nanomáquinas artificiais – daí, merecidamente, serem, por vezes, chamados arquitetos ou engenheiros do mundo molecular. 
• Essas nanomáquinas de laboratório são ainda primitivas quando comparadas às naturais. Mas não podemos
• esquecer que a natureza levou milhares – ou milhões – de 
• anos para que as nanomáquinas naturais pudessem realizar suas tarefas de modo eficiente.
• O norte-americano Richard Feynman (1918-1988), 
• Nobel de Física de 1964, é considerado o pai da nanotecnologia. Cerca de 20 anos depois de sua palestra profética e desafiadora em 1959 (ver ‘Há muito mais espaço lá 
• embaixo’), a equipe de Seiji Shinkai, da Universidade de 
• Kyushu (Japão), construiu o primeiro protótipo de nanomáquina. No caso, uma molécula que funciona como uma 
• chave liga-desliga acionada pela luz.
• A partir desse primeiro protótipo de nanomáquina artificial, houve progresso gigantesco nessa área de pesquis a ,  pr inc ipa lment e  de v ido   à   c ombina ç ã o  de   f a t o r  e s 
• como: i) o avanço de métodos de síntese (‘fabricação’) de 
• substâncias orgânicas e inorgânicas; ii) o desenvolvimento de técnicas computacionais que permitem entender os 
• tipos de ligações e interações químicas presentes nos 
• sistemas; iii) o avanço de técnicas analíticas para caracterizar a estrutura das moléculas. 
• O grande sonho dos químicos que trabalham nessa 
• área é construir nanomáquinas que sejam tão eficientes 
• quanto as naturais e que executem tarefas como transporte de medicamentos para pontos específicos do corpo 
• humano; localização e destruição de moléculas orgânicas 
• tóxicas presentes no ar e na água; transporte mais rápido 
• de informações etc. 
• Pode parecer ficção científica, mas muitos sistemas 
• assim já foram fabricados. Entre os mais interessantes, 
• estão nanomáquinas que exercem a função de músculos 
• artificiais, caminhões, rotores, elevadores, válvulas etc.
• Todas são movidas por um combustível específico, que 
• pode ser químico, fotoquímico, eletroquímico ou térmico.
• Algumas dessas nanomáquinas: i) músculos moleculares artificiais, com componentes capazes de se contrair 
• e se estender, com movimento similar aos músculos naturais; ii) caminhões moleculares, formados por rodas, 
• chassi e eixos; iii) rotores à base de moléculas com duas 
• partes que giram uma em torno da outra de forma controlada, de modo semelhante a um giroscópio; iv) nanoelevadores com plataformas moleculares que sobem e 
• descem entre duas estações; v) nanoválvulas que lembram 
• Figura 1. Em A, elementos básicos 
• que formam um músculo natural. 
• Em B, músculo artificial
• ADAPTADO DE J. AM. CHEM. SOC. 2005, 127, P. 9745 / AMERICAN CHEMICAL SOCIETY / DALTON TRANS. 2010, 39, 10.557-10.570 / THE ROYAL SOCIETY OF CHEMISTRYQ U Í M I C A
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• reservatórios com um componente móvel que se abre e 
• fecha, como uma porta, liberando seu conteúdo. 
• Músculos artificiais  O grupo de pesquisa de Jean-
• -Pierre Sauvage, da Universidade Louis Pasteur, em Estrasburgo (França), há cerca de 15 anos vem desenvolvendo nanomáquinas artificiais, explorando a química dos 
• chamados metais de transição – elementos que ocupam a 
• parte central da tabela periódica, como o cobre e o zinco. 
• A equipe construiu um músculo artificial que pode se expandir e se contrair de modo reversível, pela simples troca 
• do íon cobre pelo de zinco (figura 1). Para isso, foi sintetizada uma molécula orgânica – azul e preto na figura  –, 
• com uma parte linear e outra em forma de roda.
• Tanto na parte linear quanto na roda, há grupos com 
• dois e três átomos de nitrogênio, respectivamente. Quando o cobre perde um elétron, ele se liga a quatro átomos 
• de nitrogênio, e a molécula ganha uma forma expandida. 
• Mas, ao ser substituído pelo zinco (que perdeu dois elé-
• trons), este prefere se ligar a cinco nitrogênios, e aí ocorre a contração. Para voltar a expandir a molécula, basta 
• adicionar o íon cobre novamente à solução.
• Por meio de cálculos computacionais, determinou-se 
• o comprimento da molécula de uma ponta a outra. Na 
• forma estirada, ele é de 85 Å (angström), unidade que 
• homenageia o físico sueco Anders Jonas Ångström (1814-
• 1874), igual a um centésimo de milionésimo de centímetro. Na forma contraída, o comprimento cai para 65 Å. 
• Esse valor de contração corresponde a 27% daquele que 
• ocorre em músculos naturais.
• Nanoveículos  Do Texas (EUA), vieram nanomáquinas que se assemelham a nanocarros e nanocaminhões. 
• O feito é da equipe de James Tour, da Universidade de 
• Rice. Essas moléculas contêm a mecânica básica de um 
• carro: rodas, chassi, eixos. E mais: são capazes de se mover sobre uma superfície quando abastecidas. 
• As rodas são formadas por moléculas de carbono com 
• 60 átomos desse elemento, lembrando uma bola de futebol. O chassi é formado por moléculas planas em forma 
• de anéis. Os eixos são unidos às rodas por meio de ligações 
• triplas de carbono que, por sua vez, são ligados ao chassi 
• (figura 2A). 
• HÁ MUITO MAIS ESPAÇO LÁ EMBAIXO
• Um dos primeiros cientistas a cogitar a possibilidade de construir 
• nanomáquinas foi o físico norte-americano Richard Feynman 
• em sua palestra ‘There is plenty of room at the bottom’ (Há muito espaço lá embaixo), em 29 de dezembro de 1959, no Instituto de Tecnologia da Califórnia (EUA). 
• Segundo Feynman, “se pudéssemos arranjar átomos da 
• maneira como desejamos, quais propriedades eles poderiam 
• ter? Quem sabe? Eu não sei exatamente o que pode acontecer, 
• mas tenho quase certeza de que, quando tivermos algum controle sobre como arranjar as coisas em escala molecular, conseguiremos uma gama enorme de possíveis propriedades que 
• as substâncias podem ter e de coisas que poderemos fazer.” 
• A palestra (em inglês) está em http://bit.ly/nREZT 
• Figura 2. Em A, estrutura molecular do 
• nanocaminhão. Em B, movimentos realizados sobre 
• uma superfície de ouro ao ser aquecido
• ACC. CHEM. RES. 2009, 42, 473 / 2009 / 2005 AMERICAN CHEMICAL SOCIETY38 | CIÊNCIAHOJE | VOL. 48 | 284 
• faz o giroscópio girar sobre uma superfície sem cair, parecendo desafiar a lei da gravidade. O giroscópio é empregado para auxiliar a orientação de aeronaves.
• Inspirado por esse fascinante instrumento, Miguel 
• Garcia-Garibay, da Universidade da Califórnia, em 
• Los Angeles (EUA), fabricou moléculas e identificou o
• movimento rotacional delas com a forma e a função de 
• giroscópios macroscópicos. Por meio de estímulo elé-
• trico, magnético ou luminoso, as moléculas sofrem rot a ç ã o  de  180º   t ant o  no   s ent ido  ho r á r i o  quant o   ant i-
• -horário. O movimento ocorre por meio das ligações 
• entre átomos de carbono, que apresentam baixa barreira energética para a rotação. Esse tipo de molécula 
• poderia ser empregado, por exemplo, para armazenar 
• informações (figura 3B).
• Válvulas, portas e rolhas  Nosso grupo de pesquisa, no Instituto de Química da Universidade Federal 
• Fluminense, desenvolveu uma nanoválvula formada por 
• um reservatório fechado por uma porta. Nesse reservató-
• rio, são aprisionadas moléculas de corante que podem 
• sair de modo controlado quando a porta se abre. 
• O nanorreservatório é formado pelo principal componente da areia, a sílica (SiO2
• ), que, no entanto, tem, nesse caso, uma estrutura peculiar: poros alinhados paralelamente com diâmetros de 3 nanômetros (ou seja, 3 bilionésimos de metro).
• Para a montagem da nanoválvula, primeiramente os 
• poros da sílica foram recobertos com moléculas organometálicas (ferroceno) que servem como encaixe para a 
• porta. Esta última é formada por outras moléculas orgâ-
• nicas (betaciclodextrinas) cuja estrutura lembra uma 
• O movimento de um único nanocaminhão sobre a superfície de uma folha fina de ouro foi monitorado por um
• microscópio especial (chamado de varredura por tunelamento) que gera imagens de superfícies com resolução 
• atômica. Ao aquecer a folha de ouro a 200
• o
• C, o nanocaminhão executa dois movimentos radicais: i) ergue uma 
• de suas rodas; ii) gira duas rodas em torno do chassi (figura 2B). Contudo, o controle dos movimentos é difícil, e 
• seus criadores vêm efetuando ajustes (modificações estruturais) para melhorar seu desempenho. 
• O objetivo é o uso dessas nanomáquinas para o transporte de moléculas ou informações.
• Giroscópio molecular  Você já brincou com um 
• pião? Um giroscópio é um instrumento que executa um 
• movimento semelhante ao desse brinquedo. É formado 
• por um eixo e uma roda (rotor) inserida no interior de uma 
• segunda roda perpendicular (figura 3A). 
• Quando é aplicada uma força ao rotor, o giroscópio
• começa a girar na direção do eixo. Assim como no pião, 
• há também aquele ‘bamboleio’ em torno do eixo, chamado movimento de precessão. A soma dos dois movimentos 
• Figura 3. Em A, giroscópio macroscópico executando 
• movimento de precessão em torno de um ponto. 
• Em B, giroscópio molecular que executa movimento 
• em torno da ligação carbono-carbono
• PROC. NATL. ACAD. SCI. U. S. A., 2010, 107, 14973-14977 / 2010 NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES, U.S.A.Q U Í M I C A
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• Sugestões para leitura
• DUROT, Stéphanie; REVIRIEGO, Felipe; SAUVAGE, Jean-Pierre 
• ‘Copper-complexed catenanes and rotaxanes in motion: 15 years of 
• molecular machines’. Dalton Transactions, v. 39, p. 10.557, 2010. 
• VIVES, Guillaume; TOUR, James M. ‘Synthesis of Single-Molecule Nanocars’. 
• Accounts of Chemical Research, v. 42, p. 473, 2009. 
• KARLEN, Steven S.; REYES, Horacio; TAYLOR, R. E.; KHAN, Saeed I.; 
• HAWTHORNE, M. Frederick; GARCIA-GARIBAY, Miguel A. 
• ‘Symmetry and dynamics of molecular rotors in amphidynamic 
• molecular crystals’. Proceedings of the National Academy of Sciences  
• U. S. A., v. 107, p. 14.973, 2010.
• SILVEIRA, Gleiciani Q.; VARGAS, Maria D.; RONCONI, Célia M. 
• ‘Nanoreservoir operated by ferrocenyl linker oxidation with molecular oxygen. 
• Journal of Material Chemistry, v. 21, p. 6.034, 2011.
• >> Revista Virtual de Química: http://bit.ly/qPrkqX
• NA INTERNET
• NANOMÁQUINAS E 
• O AQUECIMENTO GLOBAL
• A autora deste artigo, pesquisadora do Instituto de 
• Química da Universidade Federal Fluminense, trabalha 
• com temas ligados à fabricação e ao funcionamento de 
• nanoválvulas, nanorreservatórios e materiais funcionais 
• para a captura de gases que causam efeito estufa.
• ‘rolha perfurada’. Quando a cavidade da ‘rolha’ se encaixa no ferroceno, ela fecha os poros da sílica.
• Para abrir o nanorreservatório, usamos um combustí-
• vel químico (oxigênio molecular, O2
• ), bem como a mudança da acidez do meio (pH). O primeiro oxida o ferroceno – o ácido acelera esse processo. Oxidado, o ferroceno já não se encaixa mais na cavidade da ‘rolha’, que se 
• solta, abrindo os poros da sílica. Com isso, o corante aprisionado escapa para o meio (figura 4).
• Substituindo o corante por um medicamento, poderí amos   empr  eg ar  a  nanová lvul a  como  um c ar  r  eador 
• de drogas para tumores malignos ou tecidos com inflama-
• ção. O fármaco seria liberado só na região doente, com a 
• alteração do pH do meio – sabe-se que tumores malignos e tecidos com inflamação são levemente ácidos.
• Arsenal nos laboratórios  Diversos laboratórios 
• de pesquisa no mundo já contam com um arsenal de nanomáquinas fascinantes. Os exemplos apresentados 
• aqui mostram enorme sofisticação em relação à estrutura e ao funcionamento desses nanodispositivos, que só 
• foram construídos graças às técnicas químicas que permitem arquitetar estruturas cada vez mais complexas. 
• Além disso, o avanço nas técnicas de identificação das 
• formas dessas nanomáquinas permitiu investigar de maneira detalhada o funcionamento desses sistemas. O objetivo maior é o uso das nanomáquinas para executar 
• tarefas na área médica, ambiental e farmacêutica. 
• Muitas limitações precisam ser resolvidas. Mas a solução para isso é simples: pesquisar. 

fonte: http://www.moodle.sead.furg.br/file.php/1610/Nanociencias/Bibliografia_Nanociencias/nanomaquinas284_1_.pdf

A Nanomedicina em nossas vidas

http://www.moodle.sead.furg.br/file.php/1610/Medicina/Nanomedicina.pdf

Incentivo a pesquisa e cursos de formação

Notícias

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   sex, 01 jun 2012 17:30:00 +0000

   Primeira fase da Obmep tem prova nesta terça-feira (5)

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