O que são nanoestruturas ocas?
Nanoestruturas ocas são nanopartículas desmioladas, ou seja, contêm cavidades no seu interior com limites uniformes e bem definidos (Figura 1). A existência de tais cavidades confere uma elevada área de superfície específica enquanto a densidade do material é inferior à dos materiais sólidos análogos com a mesma composição química ou dimensão, mas não ocos. A possibilidade de criar cavidades no interior de nanopartículas fornece uma grande diversidade de propriedades que são únicas a este tipo materiais. Para além da elevada área de superfície por volume de material, existe a possibilidade de incorporar diversos tipos de substâncias no seu interior, tornando estes materiais muito atrativos para diversas aplicações.
Dependendo da complexidade da sua estrutura, as nanoestruturas ocas são geralmente classificadas em duas classes: simples ou complexas. O nível de complexidade é geralmente definido pelo número de camadas ou pela forma da nanoestrutura. Geralmente, as nanoestruturas ocas simples são materiais que apresentam apenas uma camada e possuem baixa complexidade em termos de forma ou composição química (por exemplo: esferas compostas apenas por um sólido cristalino). Por outro lado, as nanoestruturas mais complexas são caracterizadas por possuirem diversas camadas, eventualmente de composição química distinta, num só material particulado (Figura 1).
Figura 1 – Exemplos ilustrativos de nanoestruturas ocas de complexidade diversa, variando da menos complexa (a) para a mais complexa (e) (Permissão para utilização concedida a partir da referência Chem. Rev. 116, 14056-14119. Copyright 2016, American Chemical Society).
Síntese química de nanoestruturas ocas
A preparação de nanoestruturas ocas com dimensões e forma diversas pode ser explorada utilizando diversas estratégias químicas de síntese. Para além de esferas, encontra-se descrita a preparação de estruturas morfologicamente mais complexas, tais como tubos, fibras, caixas ou estrelas. Embora existam vários métodos de síntese, os mais comuns baseiam-se em processos químicos que geralmente requerem um material distinto que funciona como molde (template). Este molde nanoscópico é utilizado como base para o fabrico da nanoestrutura oca. Após obtenção da estrutura densa pretendida, o molde é removido por tratamento químico e/ou físico, resultando assim na nanoestrutura desmiolada. Os moldes podem ser classificados de acordo com a sua natureza química tal como resumido no Esquema 1.
Esquema 1 – Descrição simplificada de estratégias que poderão ser utilizadas para a preparação de nanoestruturas ocas.
Nanopartículas desmioladas mas úteis
Existem nanoestruturas ocas que têm por base materiais orgânicos, isto é, são essencialmente à base de compostos de carbono. Por outro lado, existem nanoestruturas ocas à base de materiais inorgânicos que são as que nos interessam especialmente descrever. Os constituintes inorgânicos mais comuns são a sílica amorfa (SiO2), o dióxido de titânio (TiO2) ou óxidos de ferro (Fe2O3 ou Fe3O4). A possibilidade de preparar estruturas ocas com diferentes composições, permite obter materiais com propriedades únicas. Por exemplo, as nanoestruturas ocas de óxido de ferro apresentam propriedades magnéticas que respondem à aplicação de um campo magnético externo. Esta característica é muito interessante no tratamento de águas por técnicas de adsorção e separação magnética, em que a presença de cavidades nas nanoestruturas promove a captura de poluentes alvo. Os cientistas têm explorado a possibilidade de utilizar as nanoestruturas ocas numa grande variedade de aplicações, tais como em medicina e no sector energético, como por exemplo na libertação controlada de agentes anticancerígenos (Figura 2).
Figura 2 – Utilização de uma nanoestrutura oca funcionalizada com marcadores moleculares à superfície e como veículo para a libertação de fármacos (Adaptação concedida a partir da referência de ACS Nano 13, 305–312. Copyright 2019, American Chemical Society).
Para saber mais:
Sofia F. Soares, Tiago Fernandes, Ana L. Daniel-da-Silva Ana and Tito Trindade. “The controlled synthesis of complex hollow nanostructures and prospective applications”, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2019, 20180677 (Link).