Nobel da Química vai para as menores máquinas do mundo

O Estado de S. Paulo, 05/08/2016

Três cientistas da França, da Escócia e da Holanda, foram laureados por produzir máquinas moleculares como minúsculos elevadores e motores em escala nanométrica, mil vezes menores que a espessura de um fio de cabelo

O Prêmio Nobel da Química de 2016 foi concedido nesta quarta-feira, 5, aos pesquisadores Jean-Pierre Sauvage, da França, Sir James Fraser Stoddart, da Escócia e Bernard Feringa, da Holanda, por seus trabalhos no design e síntese de máquinas moleculares.

Os cientistas desenvolveram moléculas com movimentos controláveis, que podem realizar tarefas quando recebem energia. As máquinas moleculares, que incluem minúsculos elevadores e motores, têm escala nanométrica, ou seja, são mais de mil vezes menores que a espessura de um fio de cabelo.

O anúncio foi feito nesta quarta-feira, 4, pela organização que concede o prêmio, o Instituto Karolinska, na Suécia. “O desenvolvimento da computação demonstra como a miniaturização da tecnologia pode levar a uma revolução. Os laureados com o Nobel de Química de 2016 miniaturizaram máquinas e levaram a química a uma nova dimensão”, declarou o comitê do Nobel, em um comunicado.

“As máquinas moleculares provavelmente serão usadas no desenvolvimento de coisas como novos materiais, sensores e sistemas de armazenamento de energia”, disse a academia sueca.

Foto: Instituto Karolinska

Nobel

O Prêmio Nobel da Química de 2016 foi concedido nesta quarta-feira aos pesquisadores Jean-Pierre Sauvage, da França, Sir James Fraser Stoddart, da Escócia e Bernard Feringa, da Holanda, por seus trabalhos no design e síntese de máquinas moleculares.

Sauvage, nascido em 1944, atua na Universidade de Estrasburgo, na França, e é diretor emérito de pesquisa do Centro Nacional de Pesquisa Científica (CNRS, na sigla em francês) no mesmo país. Stoddart, nascido em 1942, leciona química na Universidade Northwestern, em Illinois (Estados Unidos). Feringa, nascido em 1951, é professor de química orgânica na Universidade de Groningen, na Holanda.

O primeiro passo para as máquinas moleculares foi dado em 1983, por Sauvage, que conseguiu ligar moléculas em forma de anéis para formar uma corrente. O segundo passo foi dado em 1991, por Stoddart, que conseguiu fazer com que uma molécula se movimentasse controladamente ao longo de um eixo. Em 1999, Feringa foi a primeira pessoa a desenvolver um motor molecular.

Primeira “peça”. A corrente formada por moléculas em forma de anéis, criada por Sauvage, foi batizada de catenano. Normalmente, as moléculas são unidas por fortes ligações covalentes nas quais os átomos de cada uma delas compartilham elétrons entre si. Mas, na corrente de Sauvage, as moléculas ficam livres, ligadas apenas mecanicamente.

Para realizar o feito, o francês usou o conhecimento de sua área de pesquisa, a fotoquímica, que permite aos cientistas desenvolver complexos moleculares capazes de capturar energia do sol para ativar reações químicas.

Em um desses complexos fotoquímicos, ele percebeu que duas moléculas ficavam entrelaçadas em torno de um íon de cobre. O cientista usou o íon de cobre para manter juntas uma molécula em forma de anel e outra semicircular.

Em uma segunda etapa, ligou uma terceira molécula semicircular ao conjunto e conseguiu produzir dois anéis entrelaçados, sem ligação química entre si, permitindo a construção da catenano. Era o primeiro passo para a criação das máquinas moleculares.

Para que uma máquina seja capaz de realizar uma tarefa, ela deve ser composta de partes que possam se mover em relação às outras. Os dois anéis entrelaçados preenchiam exatamente essa exigência.

Controle dos movimentos. Com base nos estudos de Sauvage, Stoddart desenvolveu a primeira máquina molecular de fato. Ele conseguiu enfiar uma molécula em forma de anel em um eixo molecular ao longo do qual ela se move controladamente.

O eixo do minúsculo dispositivo tem dois trechos com maior concentração de elétrons. Quando se adiciona calor ao sistema, o anel salta alternadamente entre as áreas do eixo mais ricas em elétrons, permitindo o controle do movimento. O mecanismo foi batizado de rotaxano.

O grupo de pesquisa de Stoddart combinou várias rotaxanas, produzindo mecanismos cada vez mais complexos. Em 2004, eles criaram um nano-elevador que sobe 0,7 nanômetros. Em 2005, a equipe de Sauvage usou o rotaxano de Stoddart para criar um “músculo” artificial: os rotaxanos dobram uma finíssima lâmina de ouro, fazendo o sistema esticar e contrair.

Fraser e Stoddart também desenvolveram um chip de computador com memória de 20 kB, baseado em rotaxanos. Um chip convencional de computador, embora muito pequeno, é gigantesco em comparação ao chip molecular. Os cientistas acreditam que esse tipo de chip poderá revolucionar a tecnologia computacional.

Depois da criação desses pequenos mecanismos em escala nanométrica, Feringa conseguiu produzir um motor molecular que transforma energia ultravioleta em energia mecânica, girando sempre na mesma direção.

Mais tarde, ele demonstrou as possibilidades da descoberta usando o motor molecular para girar um cilindro de vidro 10 mil vezes maior que o motor. Feringa também criou, em 2011, um “nanocarro”: um chassi molecular unia quatro motores que funcionam como quatro rodas, fazendo o “veículo” se mover.

Caixa de ferramentas. De acordo com o comitê do Nobel, os trabalhos de Sauvage, Stoddart e Feringa no desenvolvimento de máquinas moleculares “resultou em uma caixa de ferramentas de estruturas químicas que tem sido usada por cientistas de todo o mundo para construir mecanismos cada vez mais avançados.”

Um exemplo desses mecanismos é um robô molecular que consegue agarrar e conectar aminoácidos, criado em 2013 com base em rotaxanos.

Outros pesquisadores conectaram motores moleculares a longas cadeias de polímeros, resultando em uma teia intrincada. Quando os motores moleculares são expostos à luz, eles “enrolam” os polímeros em um confuso amontoado, fazendo com que a energia da luz fique armazenada nas moléculas. Se os cientistas descobrirem uma técnica para recuperar essa energia, um novo tipo de bateria poderia ser desenvolvido.

Em termos de desenvolvimento, o motor molecular está agora no mesmo estágio do motor elétrico em 1830, quando os cientistas exibiam orgulhosamente em seus laboratórios manivelas e rodas que giravam. Eles ainda não tinham, no entanto, nenhuma ideia de que sua descoberta levaria aos trens elétricos, máquinas de lavar roupa, ventiladores, processadores de alimentos e outros eletrodomésticos.

Infinitas perspectivas. De acordo com o diretor do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), em Campinas, Marcelo Knobel, o Prêmio Nobel de Química ficou em boas mãos. “Foi muito merecido. Os estudos desses pesquisadores abrem infinitas perspectivas para a ciência e a tecnologia. Às vezes temos até dificuldade para imaginar quantas aplicações poderão surgir”, disse Knobel ao Estado.

Segundo ele, as perspectivas abertas pelo trabalho dos três pesquisadores estão ainda em estágio preliminar, mas sua grande contribuição é aquilo que os cientistas chamam de “prova de conceito”.

“Esses pesquisadores mostraram que é possível criar nano-máquinas e nano-motores. E que é possível reproduzir coisas que existem no mundo macroscópico em escala nanométrica, por meio da manipulação de moléculas e átomos de maneira que era impensável tempos atrás. Ainda vamos desenvolver aplicações específicas, mas agora já sabemos que podemos controlar dispositivos nessa escala”, afirmou.

Computação molecular. Especialista em nanociência, o químico Henrique Toma, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP) afirma que o ponto mais importante do trabalho dos três cientistas laureados pelo Nobel é o fato de abrir portas para a eletrônica molecular.

“Hoje, toda nossa eletrônica é feita com chips de silício. Cada vez que o chip memoriza o ‘um’ ou o ‘zero’, ele movimenta um bilhão de átomos. A eletrônica molecular fará isso com uma dúzia de átomos. Essa nova eletrônica será sucessora da atual e deverá ser mais parecida com a eletrônica neuronal, isto é, com o funcionamento dos nossos cérebros”, explicou Toma.

Toma explica que a nanociência procura fazer com que o caótico universo das interações químicas e atômicas seja organizado, dispondo as moléculas alinhadas de uma maneira estratégica para que possam atuar como uma propriedade específica, criando moléculas inteligentes capazes de realizar tarefas específicas como fazem as moléculas dos organismos vivos – que são “nano-máquinas” biológicas.

“No nosso organismo e de todos os seres vivos, é isso que acontece: os neurônios, por exemplo, são nano-máquinas. Não há uma interação aleatória entre as moléculas no organismo. As biomoléculas são inteligentes e têm a capacidade de reconhecer substratos e agir sobre eles. O objetivo dos nanocientistas é fazer uma química inteligente, com moléculas inteligentes”, explicou.

Toma afirma que o aspecto mais interessante do trabalho dos três cientistas laureados é que abriu novas perspectivas nesse caminho – com suas nano-engrenagens, nano-motores, catenanos e rotaxanos. “O mais interessante é que eles mostraram uma capacidade absolutamente fantástica de produzir objetos nessa escala, abrindo portas para uma química mais evoluída”, disse.

Outros prêmios. O prêmio de Química é o terceiro da temporada do Nobel 2016 e o último dos prêmios dedicados à ciência. Nesta terça, foram divulgados os vencedores do prêmio de Física, concedido aos britânicos David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz por suas descobertas teóricas sobre estados exóticos da matéria, que abrem caminho para o desenvolvimento de novos materiais com propriedades incomuns.

Na segunda-feira, o prêmio de Fisiologia ou Medicina foi concedido ao biólogo japonês Yoshinori Ohsumi, por suas descobertas sobre os mecanismos de autofagia, que é o processo de reciclagem de componentes das células. O prêmio Nobel da Paz será anunciado na sexta-feira, 7 e o das Ciências Econômicas na segunda-feira, 10. A data para o Prêmio Nobel da Literatura ainda não foi divulgada.

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