No entanto, do mesmo jeito que propriedades úteis completamente novas vêm sendo encontradas, novos efeitos nocivos ao ambiente e ao corpo humano também podem surgir. Para investigar esses efeitos emergiu, há poucos anos, uma nova área de conhecimento e de pesquisa, a nanotoxicologia.

Nesta entrevista, Christy Haynes, professora da Universidade de Minnesota (EUA), apresenta o seu trabalho na área, trazendo uma boa notícia: nascido do receio em relação às nanopartículas, o campo da nanotoxicologia tem mostrado que é possível compreender e controlar bem impactos dessas partículas com aquilo que já se sabe sobre a natureza, e que o vasto número de novas aplicações possíveis ao que tudo indica não vem junto com novos problemas.

Christy Haynes é uma referência mundial na área de química analítica, na interface entre bioquímica analítica e biomateriais e em nanotecnologia sustentável. Ela esteve no Brasil participando da 40ª edição da Escola de Verão em Química da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), quando concedeu a entrevista ao Laboratório Aberto de Interatividade para a Disseminação do Conhecimento (LAbI).

Luiz Felipe Cavalcanti Pereira é físico, também mestre e doutor na mesma área,  iniciando sua trajetória como professor da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) depois de um período na Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN).

Em comum, os dois têm a condição de finalistas em premiação internacional na área de ciência computacional de materiais, junto com 24 outros jovens pesquisadores da China, França, Alemanha, Itália, Suíça, Reino Unido e Estados Unidos.

O Rising Stars in Computational Materials Science Prize (Prêmio Estrelas em Ascensão em Ciência Computacional de Materiais) reconhece o potencial de pesquisadores em início de carreira, até 10 anos depois de receberem o título de doutor. “Eles representam o futuro do campo, e buscamos atrair atenção internacional para seu trabalho para que possam, eventualmente, receber novos incentivos à carreira”, afirma Susan Sinnot, editora chefe do periódico Computational Materials Science, que promove a premiação.

Além da inclusão entre os finalistas, os dois pesquisadores brasileiros têm em comum a busca por novos materiais para a produção ou armazenamento de energia, ainda que por caminhos diferentes.

Amanda Gouveia utiliza a química teórica no estudo e modelagem de materiais chamados de fotocatalisadores, semicondutores com propriedades fotocatalíticas. Fotocatalisadores aceleram fotorreações, ou seja, reações químicas provocadas pela luz. “Eles são considerados uma tecnologia promissora para novos sistemas de armazenamento de energia, essenciais para processos que vão da purificação de água à esterilização de instrumentos cirúrgicos”, explica Gouveia.

Já as pesquisas de Pereira buscam descrever a condução de calor e eletricidade em materiais nanoestruturados, ou seja, com estrutura em dimensões nanométricas. Dentre esses materiais estão grafeno e similares, que em alguns casos têm espessura de um único átomo. Uma das potenciais aplicações é no controle da condutividade térmica de nanofitas formadas por grafeno e nitreto de boro, que podem ser utilizadas, por exemplo, na produção de energia elétrica a partir do calor dissipado em indústrias e automóveis.

Em ambos os casos, as simulações computacionais são ferramentas indispensáveis, que estabelecem pontes entre o conhecimento teórico e resultados experimentais.

Para entender essa relação, é importante primeiro lembrar que, na escala nanoscópica, o comportamento dos objetos não é descrito pela física clássica (newtoniana) que aprendemos na escola, mas sim pela mecânica quântica. Assim, em objetos com tamanho comparável ao dos átomos, são observados comportamentos –por exemplo, de condução de eletricidade– muito diferentes dos que vemos na escala do nosso cotidiano.

Para investigar e compreender esses comportamentos, a combinação entre estudos teóricos, analíticos, e experimentos, é imprescindível. “É possível descrever o comportamento de um átomo analiticamente –com papel e caneta– utilizando as leis da mecânica quântica de forma razoavelmente precisa, usando apenas pequenas aproximações. Para um pequeno conjunto de átomos, uma molécula, por exemplo, as equações se tornam muito complicadas e é necessário recorrer a aproximações maiores. Descrever analiticamente o comportamento quântico de um objeto, como um fio nanoscópico, por exemplo, é praticamente impossível”, explica Pereira. “Por outro lado, do ponto de vista experimental, é muito difícil construir de maneira controlada objetos que contenham apenas alguns átomos. E, mesmo quando eles podem ser construídos, não costumam ter muita utilidade no mundo real”, complementa.

No trabalho de Amanda Gouveia, examinar a atividade fotocatalítica em profundidade e aprimorar materiais para uma próxima geração de fotocatalisadores exige, justamente, resolução quase atômica (ou seja, em que é possível observar cada átomo individualmente). “Associo os resultados experimentais aos teóricos, uma vez que, nas últimas décadas, a modelagem molecular foi estabelecida como técnica valiosa para revelar conhecimentos fundamentais sobre os problemas no nível atomístico. Os estudos teóricos não só captam os efeitos geométricos e eletrônicos sobre a atividade fotocatalítica, mas também são capazes de explicar e racionalizar os dados experimentais”, conta a pesquisadora.

“Nosso objetivo é justamente construir uma ponte entre os modelos teóricos baseados nas leis fundamentais da mecânica quântica e os experimentos realizados em sistemas com milhões de átomos”, situa Pereira. “Em muitos casos, conseguimos utilizar simulações muito sofisticadas para fazer essa ponte entre modelos teóricos muito simplificados e medidas experimentais muito complexas. Isto ajuda a entender as propriedades e os fenômenos observados nos materiais estudados, o que não seria possível apenas com modelos teóricos ou experimentos”, reitera.

Os finalistas do Rising Stars, que está em sua segunda edição, são convidados a preparar artigo sobre sua pesquisa para publicação em edição especial da revista Computational Materials Science, prevista para o início de 2021. Neste momento, também serão anunciados os vencedores que, além de quantia em dinheiro, passam a integrar o conselho editorial da publicação.

Uma das convidadas, química, me convidou depois da degustação a ajudá-la nos processos de síntese com os quais está envolvida no laboratório. Imagino que tenha sido um elogio (obrigada, Sara!): o reconhecimento da capacidade de escolha dos ingredientes –ovos caipiras, flor de sal e pimenta do reino moída na hora– e de controle de variáveis no seu preparo.

Isto porque também a síntese exige conhecimento e habilidade na escolha de elementos ou substâncias químicas, os precursores. A partir de algum processo de transformação –físico ou, na maior parte das vezes, químico–, esses precursores resultam em novos compostos, os produtos, com composição, estrutura e propriedades distintas das originais. Aqui, há um limite na analogia com o ovo, já que não escolhi os elementos presentes na clara ou na gema, apenas aproveitei o que a natureza fez.

A natureza, aliás, pode ser considerada o maior laboratório de síntese. “Na minha sala, vemos móveis de madeira, material feito pela natureza. Durante muito tempo, nossas roupas eram todas de tecidos naturais, linho, algodão, seda. Tudo isso é resultado de sínteses”, registra, para começo de uma conversa sobre o assunto, Elson Longo da Silva, professor emérito do Departamento de Química da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).

“Em geral, a natureza ganha de 10 a 0 de nós. Até hoje não conseguimos, por exemplo, imitar as rolhas de cortiça, com todas as suas características. Podemos pensar também nas propriedades mecânicas incríveis das carapaças das tartarugas, nas estruturas dos corais, no mecanismo de camuflagem dos camaleões…”, acrescenta.

Voltando a laboratórios mais modestos, os processos de síntese podem aprimorar propriedades daquilo que já existe, ou resultar em materiais antes inexistentes. Outras vezes, o que se busca é produzir em larga escala compostos que, naturalmente, só existem em pequenas quantidades.

“Eu costumo chamar de novo material não só aquele que não existia, mas também o velho conhecido que foi descoberto para uma nova função. Em qualquer das duas situações, a síntese tem um papel central. É só a partir do material existente, que foi preparado por alguma rota sintética, que suas propriedades poderão ser testadas, e sua aplicação viabilizada. A síntese, portanto, é a gênese de tudo”, define Aldo Zarbin, professor titular do Departamento de Química da Universidade Federal do Paraná (UFPR).

A síntese de novos materiais diz respeito, portanto, ao estabelecimento de uma relação entre função, propriedade, composição e estrutura. Zarbin pontua que toda matéria é um material em potencial. No material, uma ou mais propriedades têm funções.

Assim, para uma determinada aplicação –material para próteses ósseas, por exemplo–, é preciso estabelecer as propriedades desejadas, como leveza, resistência mecânica, biocompatibilidade. Depois, são identificados quais precursores, combinados em um determinado processo de síntese (rota), podem resultar na composição e, também, na microestrutura desejada, que diz respeito às ligações estabelecidas entre os átomos e ao seu arranjo espacial.

Estabelecer a melhor rota de síntese significa definir etapas a serem seguidas: aquecimento na água seguido de resfriamento rápido em banho de gelo, no caso do meu ovo. Exige, também, controlar as variáveis envolvidas: temperatura –65ºC– e tempo –60 minutos– no meu processo, certamente muitíssimo mais simples que aqueles enfrentados pela Sara no laboratório!

“O que nós gostaríamos de fazer? Pegar a matéria e transformar exatamente no produto em que temos interesse, como um alfaiate, sob medida. Mas, geralmente, este é um processo que acontece por tentativa e erro”, conta Longo.

A manifestação do pesquisador destaca como, apesar da relevância do conhecimento teórico e, mais recentemente, do apoio de ferramentas computacionais, a pesquisa experimental é o momento de revelação do sucesso ou fracasso da rota de síntese escolhida.

Produzir um novo material, no entanto, não obrigatoriamente se dá através de rotas sintéticas. “Sintetizar significa sair de moléculas simples e ir juntando as peças, como um Lego. A síntese é criar a partir de precursores diferentes. Isolar algo que já está em algum lugar é preparação, não síntese, por exemplo”, explica Zarbin.

Além disso, há uma outra etapa fundamental, o processamento. “De nada adianta ter um material com propriedades fantásticas que não pode ser processado ou incorporado em determinados produtos ou sistemas, para que essas propriedades sejam de fato úteis”, completa o pesquisador da UFPR.

Para o ovo, sugiro servir sobre um bom pão torrado –a versão oferecida a Sara– ou como ponto alto de uma tigela com molho de tomates e espinafre refogado.

Um exemplo é a questão energética. O desenvolvimento de materiais é o limite –e, também, a grande esperança– para o uso em larga escala de fontes mais sustentáveis e ambientalmente adequadas de energia.

Sobre materiais se debruça a pesquisa de dispositivos que possam converter energia solar em elétrica com maior eficiência. Novos modos de armazenamento e transporte da energia limpa também dependem de novos materiais, assim como alguns processos de redução do CO₂ na atmosfera.

Outros exemplos não faltam, nas áreas da saúde, de ciência e tecnologia de informação, ambiental, de produção de alimentos… Mesmo assim, a maioria de nós conhece muito pouco sobre materiais.

Imagino que boa parte das pessoas ainda não tenha gasto algum tempo para pensar em materiais além daquilo que eles significam em nossa vida e na linguagem cotidiana. Pensamos em materiais como os itens que precisamos para iniciar o ano escolar ou um novo projeto de artesanato ou bricolagem. Na comparação entre dois objetos – duas peças de roupa, por exemplo –, pensamos naquilo de que são feitos ao analisamos as diferentes características que apresentam.

No meu caso, hoje percebo, havia um pensamento mágico. Os materiais simplesmente estavam lá, desempenhando suas funções. Alguns sustentando uma casa em pé, outros ajudando um avião a voar, transportando informações, participando do conserto de um osso quebrado, protegendo do fogo ou do frio, dentre tantas outras necessidades do passado, atuais ou que ainda nem sonhamos que um dia teremos.

Essa relação começou a mudar depois de alguns anos atuando na área da divulgação do conhecimento científico, junto a importantes centros de pesquisa e ensino na área de materiais. Não foi rápido nem fácil, mas um dia compreendi que a maior parte dos materiais não estão prontinhos por aí dando sopa.

Materiais nascem de uma necessidade – por exemplo, de produção de carros cada vez mais econômicos e seguros. Diferentes necessidades estão relacionadas à demanda por diferentes propriedades desses materiais (mecânicas, ópticas, magnéticas, biológicas, dentre várias outras). Tais propriedades, por sua vez, são alcançadas pelo conhecimento profundo de um material, até o menor nível da matéria, atômico, nanométrico. E, a partir desse conhecimento, vem a possibilidade de alterações na direção que se deseja.

A descoberta dessas associações também foi mágica. É prazeroso aprender um pouco mais a cada dia sobre a relação entre estrutura, propriedades e aplicações. Saber, por exemplo, que muitas vezes é da natureza que vem a inspiração para uma nova solução. Entender que várias descobertas acontecem quase por acaso, na busca por algo diferente, ou que há propriedades descobertas antes de existir aplicação para elas.

O blog Sínteses surge da vontade de compartilhar o conhecimento e o prazer das pequenas e grandes descobertas. Os textos abordarão aspectos fundamentais dos materiais, associando conceitos de física, química e outras áreas aos objetos do nosso dia a dia. Também teremos histórias das pesquisas mais recentes realizadas em todo o mundo e, sobretudo, no Brasil, cuja produção científica na área alcança relevância internacional.

Não sou cientista, mas, sim, jornalista de ciência, curiosa e com o conhecimento exigido para a formulação das perguntas necessárias e a organização das respostas de forma a tornar mais interessante e inteligível o que às vezes parece distante ou complicado demais.

Que seja uma boa jornada, para a qual conto com a participação do público na proposição de temas e questões. Conto, também, com a comunidade brasileira de ciência e de engenharia de materiais na sugestão de pesquisas e outros assuntos a serem abordados.

Ao trabalho!