Pesquisadores do Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da USP desenvolveram uma nova metodologia para produzir nanofios de ouro. Produzidos em laboratório a partir da combinação de diferentes agentes e reações químicas, esses nanofios são estruturas de ligação com diâmetro de 10-9 metros. Isso equivale a dividir um milímetro (mm) da régua em 1 milhão de partes. Um outro achado inesperado foi descoberto durante a caracterização do material. Ao investigarem os nanofios de ouro, os estudiosos perceberam que eles tinham a estrutura de um bastão.

Os resultados da pesquisa abrem vários caminhos para aplicações dos nanofios de ouro. Também conhecidos como fios quânticos, esses conectores já são utilizados para ligar componentes a circuitos muito pequenos. No caso dos nanofios de ouro, especificamente, eles estão sendo estudados para futuras utilizações na área de diagnósticos e terapias, por exemplo.

A rota de síntese, como os estudiosos chamam as estratégias estabelecidas para realizar um experimento, deu aos cientistas a oportunidade de controlar com mais eficiência o tamanho e a forma da partícula, garantindo maior homogeneidade ao material. Esse e outros resultados foram publicados em junho na revista científica Nanoscale, um dos principais periódicos internacionais em nanociência e nanotecnologia.

“O fiozinho crescia a partir de uma partícula esférica e seguia por uma direção preferencial”, relata o coordenador do Grupo de Materiais Coloidais do IQSC, Laudemir Varanda, sobre  estrutura de bastão dos nanofios. “Conseguimos demonstrar, por meio da nossa rota de síntese,  quais eram os parâmetros que controlavam esse crescimento e por que ele ocorria dessa forma.”

Segundo o pesquisador, o ouro é biocompatível, por isso, os testes de citoxicidade devem mostrar que ele pode ser bem tolerado pelo organismo. “Estamos no começo das pesquisas e muitos testes ainda precisam ser realizados”, pondera.

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São várias as técnicas disponíveis para criar um nanofio. As mais utilizadas são a top-down e a bottom-up. Na primeira abordagem, os pesquisadores pegam um bloco do material sólido que será usado para fabricar o nanofio e o entalham até chegarem ao tamanho desejado. Já a bottom-up refere-se a um processo de montagem, onde o nanofio é construído por meio da adição de materiais do núcleo para o fio. “Primeiro, nós temos a quebra das ligações químicas da mistura. Então, o átomo fica solto no meio e  começam a se juntar para formar o novo material”, elucida Varanda.

Laudemir Carlos Varanda – Foto: IQSC-USP

O artigo publicado na Nanoscale é parte do trabalho de doutorado de Daniel A. Morais. No início, utilizando a técnica bottom-up, o químico queria desenvolver uma rota de síntese que conseguisse um controle mais eficiente do tamanho e da forma dos nanofios de ouro. Além disso, trabalhar com mais material em um só experimento era um outro objetivo do pesquisador.

A surpresa veio  quando eles começaram a caracterizar os nanofios. Por meio de uma técnica conhecida como difração de raio-x, os resultados mostraram que alguns sinais não correspondiam ao metal ouro. “Enxergamos a formação de uma estrutura cúbica hexagonal compacta, com seis átomos em cada vértice, outro hexágono mais abaixo, só que deslocado um pouco do centro, e um outro hexágono mais abaixo”, relata Varanda.

Intrigados, Varanda e Morais decidiram aprofundar as investigações. Na natureza, todos os metais se apresentam com uma estrutura cristalina (que mostram como os átomos estão arranjados no espaço) e são simétricos. “O ouro, especificamente, se consolida como uma estrutura cúbica de face centrada. “Se pegarmos uma célula unitária, onde os poucos átomos estão arrumados, enxergaríamos um cubo”, diz Varanda.

A estrutura dos modelos cristalográficos: FCC corresponde à estrutura cúbica de face centrada e HCP à hexagonal compacta. Na figura, elas são mostradas junto com suas células unitárias e as sequências de empilhamento correspondentes para ilustrar sua similaridade com a imagem.

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Os cientistas partiram para uma observação mais aprofundada, por meio da microscopia eletrônica de transmissão (técnica que permite ver exatamente onde os átomos estão adicionados). “A partícula tinha uma estrutura de fio”, observa Daniel. “Só que, no nosso caso, esse fio tinha um diâmetro muito parecido com um bastão”. Além disso, Varanda conta que o bastão formado se parecia com uma zebra. “Era todo listrado.”

Imagens microscópicas a síntese de nanopartículas de ouro por oleilamina: nanofios esféricos e do tipo “girino” em diferentes resoluções; imagem ampliada de um nanofio de ouro, mostrando a partícula esférica cristalina e simétrica, e a região da cauda com contraste intercalado mais escuro e mais claro, atribuído a defeitos de falha de empilhamento.

Mais surpresos, os cientistas recorreram ao Laboratório Nacional de Nanotecnologia do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (LNNano-CNPEM) pois precisariam de um microscópio com maior resolução.  Após a análise, foram observados, naquele fio, um conjunto de átomos coordenados de maneira cúbica, mas com certa aleatoriedade. “O fiozinho crescia a partir de uma partícula esférica; é como, se na nossa síntese, em vez de os átomos seguirem em direção a essa partícula, eles seguissem em outra direção e crescessem como uma estrutura tortinha”, relata Varanda.

Mas o que teria acontecido nesse sistema? Daniel diz que houve um defeito e alguns átomos ficaram fora da esfera. “Por causa disso, essa região “defeituosa” acumula mais energia e, para compensar, outro átomo vem e ocupa o local, dando origem a um crescimento de imperfeições.”

“É a chamada ‘falha de empilhamento atômico’ já conhecida na literatura”, detalha o professor.  “Conseguimos, portanto, demonstrar quais eram os parâmetros que controlavam esse crescimento e por que ele ocorria dessa forma.”

Os pesquisadores conseguiram explicar como um fio de ouro, da espessura de 20 nanômetros (nm) pode crescer com estrutura cristalina diferente da esperada na natureza – Foto: Grupo de Materiais Coloidais do IQSC/USP

Aplicações

A pesquisa abre vários caminhos para aplicações dos nanofios de ouro. Como o material tem formato de bastão, o comprimento de onda na ponta fica em torno de 500 nanômetros e no comprimento, pode chegar a 800 nanômetros, dependendo do tamanho. “Nessa região, temos a chamada ‘janela terapêutica’, onde não só a penetração do laser é maior, como aumenta a dimensão do que conseguimos enxergar”, relata Varanda. “Podemos usá-lo como um sensor para localizar tumores, por exemplo.”

“Seria como fazer uma ressonância magnética com um agente e contraste”, explica Morais. “Além disso, o laser incide diretamente sobre essa partícula, a aquece e consegue matar o tumor sem agredir outras regiões do corpo”, detalha.

O químico dará continuidade ao estudo, investigando mais a fundo as propriedades do bastão.

Fonte e Foto: Jornal da USP