Pequenos, mas poderosos

Os nanomateriais existem há muito tempo: são mais antigos até do que os seus tataravós! Foram usados ​​pela primeira vez no século 4, há cerca de 1.700 anos. O primeiro nanomaterial foi um copo de vidro que mudava de cor dependendo da luz. Esse copo continha minúsculas partículas de prata, ouro e cobre em seu interior [1]. Hoje, os nanomateriais ainda são usados ​​em muitas coisas, por isso é bom entender o que são e como são feitos.

Nanomateriais são partículas minúsculas que possuem camadas como cebolas: um núcleo, uma camada superficial e uma camada de casca (Figura 1A). Eles são realmente pequenos, com tamanhos que variam de 1 a 100 nanômetros (1 nm é um bilionésimo de um metro). Os nanomateriais podem ser feitos de duas maneiras: quebrando itens maiores em pedaços minúsculos ou juntando pedaços realmente pequenos, como átomos, para formar nanopartículas (moléculas minúsculas que são blocos de construção para nanomateriais). (Figura 1B). Essas duas maneiras de fazer nanomateriais podem ocorrer naturalmente, como durante erupções vulcânicas ou incêndios florestais, ou por causa de atividades humanas, como dirigir carros ou usar combustível [2].

Os nanomateriais são como pequenos blocos de construção utilizados na nanotecnologia, uma ciência que utiliza nanopartículas para criar muitas coisas novas que podem nos ajudar, quase como os nanorrobôs do filme Operação Big Hero! Eles são encontrados em coisas usadas diariamente, como fertilizantes para agricultura, equipamentos médicos, medicamentos e até mesmo eletrônicos como celulares [3]. Os nanomateriais utilizados na agricultura ajudam a garantir que os fertilizantes não se decomponham muito rapidamente. Os utilizados em medicamentos são extremamente sensíveis às condições do corpo humano, ajudando os medicamentos a chegarem exatamente onde precisam em nossos corpos.

Você sabia que os nanomateriais são super minúsculos, 10.000 vezes menores que o diâmetro de um único fio de cabelo? Eles são tão pequenos que talvez não consigamos vê-los apenas com os olhos, então precisaríamos de ferramentas especiais para vê-los. As duas ferramentas exclusivas que os cientistas usam para ver esses minúsculos nanomateriais de perto: microscopia eletrônica de transmissão (MET) e espalhamento dinâmico de luz (DLS). A MET nos ajuda a ver o tamanho de nanopartículas individuais, enquanto a DLS nos mostra o quão grandes ou pequenas são as nanopartículas quando se unem para formar aglomerados [4]. A DLS também pode nos dizer se os nanomateriais têm carga positiva ou negativa em sua camada externa. Essa carga é importante porque pode afetar seu agrupamento e pode nos dizer se os nanomateriais gostam ou não de se ligar a células ou organismos [5].

Os nanomateriais têm tamanhos e formas diferentes, o que pode ser observado com o TEM. Podemos observar que as nanopartículas de óxido de cobre (Figura 2A) são maiores que os nanodiamantes (Figura 2B). A maior partícula de óxido de cobre tem 31 nm, enquanto os maiores nanodiamantes têm 7 nm. Isso significa que o óxido de cobre é quase quatro vezes maior que os nanodiamantes!

Os nanomateriais também estão disponíveis em diversos formatos e dimensões. Existem quatro tipos diferentes de dimensões: 0-D, 1-D, 2-D e 3-D (onde D significa dimensões) [3]. Um exemplo de 0-D seria um pequeno ponto, como nanomateriais de pontos quânticos (eles podem ser fluorescentes, quase como se pudessem brilhar!); 1-D seria uma linha reta, como nanobastões; 2-D seria um quadrado/retângulo, como nanofolhas; e 3-D seriam duas ou mais estruturas unidas (Figura 3).

Outros formatos de nanomateriais incluem estrelas, cubos e cilindros [2]. Nanofolhas são encontradas em tinturas capilares; nanotubos e nanoesferas são encontrados em maquiagens e loções [6]; e nanodiamantes são usados ​​em equipamentos médicos.

De quais tipos de materiais são feitos os nanomateriais?

As formas e os tamanhos dos nanomateriais conferem propriedades únicas, que incluem a capacidade de conduzir eletricidade, reter luz, se ela é forte ou fraca, e sua força magnética [2]. Agora você sabe que os nanomateriais podem vir em todos os formatos e tamanhos, mas do que eles são feitos?

Os nanomateriais podem ser feitos de quatro tipos diferentes de materiais: carbono, substâncias orgânicas, substâncias inorgânicas ou compósitos [3].

Carbono

O carbono é um elemento químico encontrado em todos os organismos vivos. Dois tipos diferentes de nanomateriais de carbono são o grafeno [3] e os nanodiamantes. O grafeno é encontrado no grafite dos lápis, que é o que usamos para escrever/desenhar todos os dias! Os nanodiamantes têm um formato especial chamado tetraédrico, o que significa que se parecem com pequenas pirâmides. Eles são muito resistentes, e é por isso que os nanodiamantes são frequentemente usados ​​em equipamentos hospitalares que ajudam os médicos a enxergar o interior do nosso corpo.

Substâncias Orgânicas

Substâncias orgânicas: Materiais de seres vivos, como plantas ou animais, são substâncias que possuem átomos de carbono, normalmente ligados a átomos de hidrogênio, e também podem conter outros elementos, como oxigênio, nitrogênio, enxofre e outros. Esta é uma ampla categoria de substâncias que inclui desde moléculas simples, como o gás metano (CH4), até estruturas complexas, como proteínas e DNA. Os nanomateriais orgânicos incluem lipídios e micelas [3, 7], que podem ser encontrados em guloseimas deliciosas como cremes, chocolates e bolos.

Substâncias Inorgânicas

Substâncias inorgânicas são materiais feitos de coisas não vivas, como metal ou ar, que não possuem átomos de carbono. Metais, óxidos metálicos e semicondutores podem ser usados ​​para diversos fins [3]. Os metais são compostos apenas de um tipo de material/elemento, como cobre ou zinco. Óxidos metálicos, que são metais ligados a moléculas de oxigênio, incluem óxido de cobre e óxido de zinco. Esses nanomateriais podem ter diferentes dimensões: 0-D, 1-D, 2-D ou 3-D. Por fim, os semicondutores são interessantes, pois podem ter uma força magnética super forte, nenhuma força magnética ou uma força magnética mínima. Semicondutores são frequentemente usados ​​em dispositivos eletrônicos [3].

Compósitos

Compósitos: Materiais feitos de duas ou mais partículas. São combinações de diferentes tipos de nanopartículas [3]. Alguns nanomateriais compósitos são feitos de metal, alguns são feitos de cerâmica e outros podem ser feitos de um tipo especial de plástico chamado polímero. Eles podem ser encontrados em aspiradores de pó e capas de celular, por exemplo.

Super-heroi ou supervilão?

Nanomateriais são usados ​​em coisas que usamos todos os dias e, muitas vezes, ajudam essas coisas a funcionar ainda melhor. Mas, embora às vezes nos ajudem, em outros casos as nanopartículas podem causar problemas para outros organismos.

Os camarões são animais aquáticos com uma cobertura rígida em seus corpos, conhecida como exoesqueleto, que podem remover quando este fica pequeno demais para eles. Eles podem viver em água doce ou salgada e são importantes nas cadeias alimentares do meio ambiente. Queríamos descobrir como nanomateriais, como o nano óxido de cobre e nanodiamantes, afetam os camarões que vivem em rios de água doce. Nosso estudo descobriu que esses nanomateriais faziam os camarões respirarem mais rapidamente e agirem de forma diferente do que normalmente fazem. Isso significa que os camarões estavam estressados. Portanto, quando esses nanomateriais são liberados na água por humanos, eles podem prejudicar outros organismos vivos, como camarões e peixes, que vivem nas águas.

Glossário

Nanomateriais: Partículas muito pequenas, minúsculas demais para serem vistas, usadas na fabricação de itens do dia a dia.

Nanopartículas: Moléculas minúsculas que são blocos de construção para nanomateriais.

Nanotecnologia: Uma ciência que usa nanopartículas para criar muitas coisas novas que podem nos ajudar.

Microscopia Eletrônica de Transmissão: Um tipo especial de microscópio superpotente usado para visualizar estruturas minúsculas.

Espalhamento Dinâmico de Luz: Uma ferramenta que usa a luz para ajudar os cientistas a entender o tamanho das moléculas.

Substâncias Orgânicas: Materiais de seres vivos, como plantas ou animais.

Substâncias Inorgânicas: Materiais feitos de seres não vivos, como metal ou ar.

Compósitos: Materiais feitos de duas ou mais partículas.

Referências

[1] Heiligtag, F. J., and Niederberger, M. 2013. The fascinating world of nanoparticle research. Mater. Today 16:262–71. doi: 10.1016/j.mattod.2013.07.004

[2] Dolez, P. I. 2015. “Nanomaterials definitions, classifications, and applications”, in Nanoengineering Global Approaches to Health and Safety Issues, ed. P. I. Dolez (Amsterdam: Elsevier). p. 1–33.

[3] Mekuye, B., and Abera, B. 2023. Nanomaterials: an overview of synthesis, classification, characterization, and applications. Nano Select. 4:486–501. doi: 10.1002/nano.202300038

[4] Joshi, R., Khandelwal, A., Shrivastava, M., and Singh, S. D. 2020. “Characterization of nanomaterials using different techniques”, in Soil Analysis: Recent Trends and Applications, eds. A. Rakshit, S. Ghosh, S. Chakraborty, V. Philip, and A. Datta (Singapore: Springer). p. 187–98.

[5] Botha, T. L., Elemike, E. E., Horn, S., Onwudiwe, D. C., Giesy, J. P., and Wepener, V. 2019. Cytotoxicity of Ag, Au and Ag-Au bimetallic nanoparticles prepared using golden rod (Solidago canadensis) plant extract. Sci. Rep. 9:4169. doi: 10.1038/s41598-019-40816-y

[6] Cardoza, C., Nagtode, V., Pratap, A., and Mali, S. N. 2022. Emerging applications of nanotechnology in cosmeceutical health science: latest updates. Health Sci. Rev. 4:100051. doi: 10.1016/j.hsr.2022.100051

[7] Romero, G., and Moya, S. E. 2012. “Synthesis of organic nanoparticles”, in Frontiers of Nanoscience: Nanobiotechnology Inorganic Nanoparticles vs Organic Nanoparticles, eds. J. M de la Fuente, and V. Grazu (Oxford: Elsevier). p. 115–41.

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