Existe uma tão grande diversidade de nanomateriais, com propriedades tão diversas, que a imaginação parece ser o único limite em conceber possíveis aplicações para estes materiais. A abordagem interdisciplinar típica em Nanotecnologia permite desde logo antecipar aplicações em diversos campos da atividade humana, como por exemplo na Medicina, Ambiente e Energia.
Descrevem-se algumas aplicações potenciais de nanopartículas coloidais preparadas por métodos desenvolvidos no nanoLAB e com investigação realizada sobretudo ao nível da síntese química e caracterização. Torna-se evidente nesta exposição sumariada a relevância que adquirem determinadas características das nanopartículas, como por exemplo propriedades intrinsecamente dependentes do tamanho e a área de superfície específica.
Biomarcadores luminescentes para testes de diagnóstico in vitro
A ideia é utilizar como marcadores luminescentes os nanocristais (NC’s) de semicondutores, com a superfície quimicamente modificada, no sentido de os ancorar a sistemas biológicos. A emissão por luminescência dos NC’s permite identificar o material biológico, cuja seletividade pode ser conseguida com base no tamanho de partícula e natureza da superfície. Estes sistemas apresentam diversas vantagens em relação a biomarcadores convencionais, como por exemplo os corantes orgânicos, nomeadamente a fotoestabilidade e emissões em janela espetral estreita. Os nanocristais de CdSe têm sido muito investigados para esse efeito, nomeadamente por ser possível obter amostras caracterizadas por emissões no visível dependentes do tamanho médio de partícula. Contudo os nanocristais contendo cádmio são muito tóxicos, pelo que deve estar afastada desde logo qualquer aplicação in vivo. As aplicações in vitro também requerem cuidados especiais, desde logo por quem vai manusear as amostras, pelo que existe toda a conveniência em investigar alternativas. Entre as várias alternativas existentes, o nanoLAB tem investigado nanopartículas de sílica amorfa dopada com catiões de lantanídeos (elementos do bloco f da Tabela Periódica dos Elementos Químicos). Os compostos de lantanídeos, como por exemplo de európio (Eu) e de térbio (Tb), apresentam bandas de emissão no visível características. As suas propriedades de luminescência podem ser exploradas no contexto da produção de biomarcadores in vitro.
Tecnologias de separação magnética em meio líquido
Tal como no exemplo anterior, procura-se sintetizar nanopartículas com a superfície quimicamente modificada, mas neste caso à base de materiais com propriedades magnéticas, como por exemplo determinados óxidos de ferro. A magnetite é um mineral conhecido e utilizado desde a antiguidade, por exemplo no fabrico de bússolas. A magnetite na forma de nanopartículas coloidais apresenta propriedades distintas, podendo estas serem ajustadas consoante o tamanho médio de partícula. Assim, pode-se ancorar a nanopartículas magnéticas funcionalizadas à superfície, células ou proteínas dispersas em meio aquoso e que se pretendam separar, que podem posteriormente ser isoladas mediante a aplicação de um campo magnético externo. Facilmente se depreende da importância da Química de Superfícies nestes nanomateriais, pois a sua seletividade e eficiência para determinadas espécies vai depender do tipo de funcionalização química da superfície. Por exemplo, é possível adaptar esta mesma estratégia para a aplicação de nanopartículas magnéticas como adsorventes de espécies poluentes de águas naturais ou veículos para libertação controlada de fármacos.
Esquema ilustrativo da utilização de uma nanopartícula magnética modificada à superfície com um anticorpo para a captura do respetivo antigénio. Coloides contendo este tipo de nanopartículas, podem ser utilizadas em tecnologias de separação magnética tal como mostra a figura.
Fotocatalisadores para purificação de água
Alguns semicondutores nanocristalinos apresentam um efeito fotocatalítico pronunciado. Isto é, na presença de luz, aceleram a velocidade de determinadas reacções químicas que ocorrem na superfície das partículas. Esta propriedade tem chamado a atenção de muitos investigadores no sentido de se desenvolverem fotocatalisadores nanocristalinos que permitam degradar moléculaspoluentes e nocivas que existem no meio ambiente. Um dos materiais mais investigados neste contexto é o semicondutor dióxido de titânio (TiO2), cujo hiato ótico (Eg) se situa na região do ultravioleta do espectro eletromagnético. O TiO2 é muito utilizado como pigmento branco, entre outras razões, por ter elevada refletividade no visível. O desenvolvimento de fotocatalisadores à base de TiO2 que absorvam também no visível é um desafio interessante. Uma possibilidade envolve a preparação de nanocompósitos constituídos por TiO2 dopados com metais de transição. Outra possibilidade em investigação no nanoLAB envolve a síntese de nanoestruturas compósitas contendo sulfuretos metálicos, com forte absorção na região do visível, que possam atuar como coletores eficientes de fotões nessa região espectral. Idealmente, pretende-se obter um catalisador com elevada área de superfície específica, quimicamente robusto e fotoestável, com elevada eficiência na degradação de poluentes dissolvidos em água, por exemplo, quando irradiados com luz solar.
Suspensões aquosas de TiO2 (fotocatalisador) contendo o corante orgânico alaranjado de metilo. À esquerda encontra-se uma amostra mantida no escuro e à direita uma amostra análoga mas após 3 horas sob exposição solar.