Nanodiamantes: o material microscópico e brilhante que vai moldar o futuro
Nanodiamantes podem abrir portas em diversas áreas, da engenharia elétrica à oncologia. Vejamos como eles podem melhorar um pouquinho a vida de todo mundo.
Sem dúvida você já está familiarizado com os muitos usos incríveis para o grafeno, mas há outro material “milagroso” competindo pela nossa atenção — e ele é brilhante. Diga olá para um novo e incrível material que está levando a ciência para o futuro: o nanodiamante.
Não é possível ver essas pedrinhas brilhantes a olho nu, porque são diamantes de mais ou menos cinco nanômetros (ou cinco vezes a bilionésima parte do metro) de comprimento. Mas não se deixe enganar pelo seu tamanho: nanodiamantes podem abrir portas em diversas áreas, da engenharia elétrica à oncologia. Vejamos como eles podem melhorar um pouquinho a vida de todo mundo.
O que são nanodiamantes?
Embora sejam absurdamente úteis, nanodiamantes só existem graças a uma das forças mais destrutivas já forjadas pela humanidade: o armamento nuclear.
Em 1963, três cientistas soviéticos trabalhavam duro pesquisando bombas nucleares. Como você pode ver na animação abaixo, para a bomba explodir, o núcleo (seja de plutônio, urânio etc) precisa ser esmagado de forma rápida e forte. A forma mais fácil de fazer isso? Explosivos, é claro.
O que aconteceu foi que, nesse caso, os cientistas soviéticos usaram explosivos baseados em carbono e, você sabe, é disso que diamantes são feitos. No entanto, eles encontraram algo inesperado: a fuligem que sobrou dos explosivos estava cheia de nanopartículas de diamante (com tamanhos variando entre 4 e 10 nanômetros). Não serviriam para um anel de noivado, mas essas joias microscópicas abriram um mundo de possibilidades mais incríveis do que qualquer outra rocha poderia sonhar em oferecer.
Na verdade, uma pilha de nanopartículas de diamante puras parece ser só um monte de pó meio marrom, meio cinza. Imagem via Sustainable Nano
Nanodiamantes são, em sua forma mais básica, partículas baseadas em carbono com mais ou menos 4 ou 5 nanômetros de diâmetro e coberta de facetas, como uma bola de futebol. Por terem esse formato, os nanodiamantes criam ligações intensas com uma grande variedade de moléculas diferentes. Mas talvez você se surpreenda com o que faz deles tão crucial para o avanço da mecânica quântica, da biotecnologia e de tantos outros campos: são os seus defeitos.
Em um diamante comum, qualquer tipo de cor normalmente faz seu valor cair drasticamente. Mas ninguém está tentando comprar ou vender uma versão microscópica com base em sua cor, quilate, lapidação ou pureza. De fato, uma imperfeição única e cuidadosamente controlada pode dar aos nanodiamantes um núcleo colorido, permitindo-os agir como átomos.
Levando em conta seu tamanho, eles têm uma grande superfície que permitem se formar ligações fortes com diversos outros materiais. Além disso, por não serem tóxicos, os nanodiamantes podem ser perfeitos para muitos usos biomédicos e mecânicos, apenas esperando serem colocados em prática.
Um futuro brilhante
Um aditivo microabrasivo
O diamante, por ser extremamente duro e quimicamente estável, é um dos melhores abrasivos do mundo natural. O pó de nanodiamante tem as qualidades abrasivas do diamante e as qualidades funcionais do pó, e serve para criar polidores altamente eficientes, na forma de pasta, gel etc. O resultado: é possível deixar diversas superfícies mais lisas e suaves do que nunca, abrindo um mundo em potencial.
A cada dia, surgem mais usos comerciais para essas pedrinhas. Por exemplo, o mundo da mecânica de automóveis está começando a ver nos nanodiamantes um aditivo perfeito para o combustível. Nos motores de combustão interna, as partículas agem como rolamentos microscópicos, reduzindo o atrito entre os pistões e o motor. O resultado? Uma vida útil maior para o motor, menos desgaste e menor consumo de combustível. Mas a utilidade não para nos motores: esta poderia ser a próxima geração do tradicional lubrificante WD-40.
Cosméticos mais eficazes
Nanodiamantes possuem um poder de absorção excepcionalmente alto, então adicioná-los a produtos para a pele levaria seus princípios ativos a seu potencial máximo. O material absorve mais o princípio ativo, e penetra até níveis mais profundos da pele, carregando o princípio ativo com ele.
Os nanodiamantes têm um futuro brilhante nos cosméticos, e não é apenas por absorverem compostos sintéticos. Suas moléculas também formam ligações especialmente fortes com a água. Por isso, qualquer creme ou loção baseada em nanodiamantes será absorvida completa e rapidamente pela pele, como também deixa a pele hidratada por mais tempo – já que os nanodiamantes mantêm a água com eles.
Por enquanto, não existe no mercado nenhum produto de beleza baseado em nanodiamantes, mas há bastante potencial nessa área, seja em loções, cremes antiacne ou até mesmo pomadas medicinais.
Lutando contra o câncer
Nenhuma quimioterapia é totalmente efetiva, e é ainda mais difícil tratar tumores cerebrais, particularmente o glioblastoma. Os remédios quimioterápicos que existem hoje têm dificuldade para penetrar a barreira hematoencefálica, isto é, a legião de vasos sanguíneos que envolvem o cérebro. Mesmo os medicamentos que às vezes atravessam essa camada raramente permanecem no tumor por tempo suficiente para causar um efeito relevante.
Porém, ao combinar esse remédio aos nanodiamantes, as incríveis propriedades absorventes dessas pequenas moléculas podem fazer maravilhas pela luta contra o câncer. A maior vantagem deles é levar remédios quimioterápicos através da barreira hematoencefálica, diretamente até o cérebro.
Mas isso fica ainda melhor. Em setembro do ano passado, pesquisadores do UCLA’s Jonsson Comprehensive Cancer Center usaram ratos para desenvolver uma estratégia que permite criar laços mais fortes entre moléculas de doxorrubicina (um remédio popular contra o câncer) e as superfícies dos nanodiamantes. O resultado é um super-remédio chamado ND-DOX.
As proteínas do tumor podem expulsar remédios anticâncer para fora dos tecidos saudáveis antes que eles tenham tempo de fazer efeito. No entanto, o tumor não consegue desviar os nanodiamantes da mesma forma. Então, não apenas os remédios anticâncer ficam mais tempo no tumor, como elas também protegem os tecidos saudáveis, limitando quaisquer efeitos colaterais.
Durante o experimento da UCLA, a taxa de sobrevivência dos ratos tratados com ND-DOX foi significantemente maior comparada com os ratos tratados com o remédio não-modificado. Dean Ho, do UCLA School of Dentistry, um dos cientistas que participaram do estudo, disse:
Nanomateriais são veículos promissores para tratar diferentes tipos de câncer. Nós estamos procurando pelas drogas e situações em que a nanotecnologia realmente ajude a quimioterapia a funcionar melhor, tornando tudo mais fácil para o paciente e mais difícil para o câncer.
Diamantes na boca
Mas a quimioterapia não é o único tratamento em que Ho e sua equipe planejam usar os nanodiamantes. No futuro, eles pretendem usá-los em nossas bocas.
Durante operações de reparo nos dentes e mandíbula, os médicos normalmente são forçados a fazer uma cirurgia invasiva. Eles colocam uma esponja cheia de proteína estimulante para o crescimento dos ossos na área atingida. Essas cirurgias, ainda que efetivas, tendem a ser caras, demoradas e, assim como a maioria das cirurgias invasivas, muito dolorosas. Mas tudo isso pode mudar graças a outro estudo liderado por Ho.
A equipe descobriu que os nanodiamantes “se ligam rapidamente tanto à proteína morfogenética óssea quanto ao fator de crescimento de fibroblastos”. Basicamente, ambos estimulam a reconstrução do osso e da cartilagem. E mais, a ampla superfície dos pequeninos diamantes faz com que as proteínas permaneçam lá por um longo período de tempo. E para aplicar esses nanodiamantes, basta uma injeção ou um bochecho – nada de cirurgias invasivas.
Processamento óptico mais rápido…
Também existem muitas utilidades fora da área médica. Transistores ópticos são reguladores de fluxo, que agem da mesma forma em raios de luz como os transistores eletrônicos agem em elétrons. Hoje em dia, eles são criados usando moléculas tingidas com corante.
Mas esse tipo de equipamento óptico só pode operar em temperaturas extremamente baixas: por isso, qualquer uso fora do laboratório costuma ser impensável. Isso é um azar e tanto, porque o processamento de sinal óptico tem o potencial para ser significativamente mais rápido que os transistores tradicionais, se pudesse funcionar em temperatura ambiente.
Uma equipe de pesquisa no Instituto de Ciências Fotônicas, em Barcelona, pode ter finalmente encontrado um caminho para tornar o processamento óptico mais viável. Os transistores consistem, em sua maior parte, de um único laser verde poderoso focado em um nanodiamante, que por sua vez contém uma única vacância de nitrogênio. Trata-se de uma imperfeição em um só átomo; se não fosse por ele, o diamante seria um cristal perfeito de carbono.
Quando está “ligado”, o laser verde seria transmitido através do diamante. Mas, ao desligar o transistor, ele transmitiria um laser extra, quase infravermelho, mudando a forma como a luz verde seria afetada pela vacância de nitrogênio. Se você juntar uma porção de nanodiamantes e guiar a luz dos lasers, seria possível criar circuitos lógicos e, no fim, circuitos integrados completos que funcionam à base da luz, não da eletricidade. E tudo isso pode chegar em menos de uma década.
… e computação quântica mais rápida ainda
Um tipo específico de “defeito” em nanodiamantes pode ser ainda mais interessante. Trata-se do “centro de nitrogênio-vacância negativamente carregado”. Eita. De acordo com o MRS Bulletin:
Na última década, os centros de nitrogênio-vacância (NV, em inglês) em diamantes vêm sendo explorados por seu potencial como uma alternativa em estado sólido para os íons aprisionados na computação quântica. Nessa área, os centros de nitrogênio-vacância superaram as expectativas e mostraram uma capacidade sem precedentes de realizar certos processamentos quânticos e operações de armazenamento em temperatura ambiente.
Basicamente, os computadores quânticos atuais são capazes de funcionar a velocidades incríveis, mas uma das desvantagens é que os íons que processam a informação são muito frágeis. Nós podemos contornar esse problema ao esfriar esses íons até quase o zero absoluto (para minimizar o ruído térmico, que pode destruí-los). Mas não é fácil manter um computador a quase 273°C negativos. Centros de nitrogênio-vacância, no entanto, são muito menos temperamentais, e podem ser usados em computadores quânticos que funcionam em temperatura ambiente.
Além disso, por incrível que todo esse potencial pareça ser, isso não custa tão caro assim. Para observar o fenômeno, cientistas usaram um laser, um microscópio, uma fonte de energia de radiofrequência e um fotodiodo de avalanche – um semicondutor altamente sensível que converte luz em eletricidade.
Há muitas formas diferentes de se produzir centros de nitrogênio-vacância, cada um com suas vantagens e desvantagens. Qual escolher? Isso depende apenas do que você pretende fazer com seus pedacinhos de pó de diamante. Acredite: não faltam opções.
Testes sanguíneos comuns não capturam com precisão – como seria esperado – os íons de ferro livres no sangue. O ferro livre é tóxico e, para todos os fins, é dificilmente detectável no sangue.
Os métodos atuais para análise do sangue não medem o nível de íons de ferro. Em vez disso, eles medem as proteínas responsáveis pelo armazenamento e transporte do ferro, contadas através de estimativas e técnicas imunológicas. Mas, como os médicos dependem de métodos tão indiretos, os resultados podem ser bem inconsistentes. E isso pode ser um problema!
Do jeito que as coisas são hoje, não temos métodos precisos para detectar a deficiência de ferro – como a anemia – ou altos níveis do metal no sangue, que podem indicar algum tipo de resposta inflamatória aguda. Os cientistas da Universidade de Ulm desenvolveram um método que vai direto à fonte e mede diretamente os níveis de ferritina -uma proteína do sangue que leva íons de ferro – permitindo que doenças sejam detectadas antes e de forma muito mais exata.
O professor Fedor Jelezko, diretor do Instituto de Ótica Quântica na Universidade de Ulm, usou nanodiamantes com pequenos defeitos, que não os deixam perfeitamente incolores e transparentes. Ele explica como sua tecnologia foi desenvolvida com sucesso, e é sensível o suficiente para ser usada:
Esses centros de cor nos permitem medir a orientação dos spins dos eléctrons nos campos externos e, assim, medir sua força. Nós [absorvemos ferritina na superfície do diamante] com a ajuda de interações eletrostáticas entre as pequenas partículas de diamante e a ferritina. Modelos teóricos foram essenciais para dar certeza que o sinal medido é de fato consistente com a presença de ferritina e para, com isso, validar o método.
De agora em diante, a equipe de Ulm poderá medir a quantidade de ferritina, assim como a média de ferro encontrada em cada proteína individualmente. E as possibilidades abertas para outras técnicas de diagnóstico médico parecem infinitas.
Isso é só o começo; dificilmente passa um dia sem que alguém descubra uma técnica totalmente nova para essas joias milagrosas e relativamente desconhecidas (pelo menos até agora). Mas não se preocupe, elas não serão desconhecidas para sempre. Com tanto potencial, não vai demorar até que os nanodiamantes estejam na ponta da língua de todo mundo, literalmente ou não.
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