Aplicações dependem da compreensão de diferentes propriedades das nanopartículas
A nanotecnologia, a produção e manipulação de estruturas em escala nanométrica (um milhão de vezes menor que um milímetro) é uma das atuais fronteiras no desenvolvimento de novos materiais. A utilização de nanopartículas, formadas por dezenas a centenas de átomos, é diversa e vai desde o encapsulamento e direcionamento de medicamentos à promoção de reações mais eficientes, como catalizadores, para produção de energia.
A descoberta e o aprimoramento de aplicações científicas e industriais das nanopartículas passa necessariamente pelo entendimento das propriedades físicas de seus diferentes formatos, sob as mais variadas condições de temperatura, de exposição a radiação e a outras substâncias.
Neste contexto, pesquisadores da Universidade de Santiago de Compostela (Espanha) e do Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas Y Aplicadas, em La Plata (Argentina), utilizaram as instalações experimentais do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) para estudar a estabilidade de diversas formas de nanopartículas de ouro – esferas, bastões, prismas – quando expostas à radiação ultravioleta de baixa potência. Observaram que, enquanto nanopartículas esféricas são muito estáveis a essa irradiação, os bastões e prismas rapidamente sofrem corrosão e se dissolvem em íons de ouro.
Investigaram ainda o papel de aglomerados de poucos átomos de prata na formação dessas partículas e em sua fotoestabilidade, que é uma propriedade importante para a aplicação das nanopartículas. Uma possível aplicação é utilizá-las como catalizadoras para a degradação de contaminantes orgânicos em água e consequente produção de gás hidrogênio, que pode ser usado como combustível.
Diferentes Formas e Propriedades
Nanopartículas podem ser obtidas por vários processos físicos, químicos ou mesmo biológicos e atualmente podem ser sintetizadas nos mais variados formatos como esferas, cubos, tubos, prismas, octaedros, e muitos outros. Cada forma apresenta diferentes propriedades físicas – elétricas, magnéticas, catalíticas e ópticas – que podem ser ajustadas pela modificação, por exemplo, da razão entre comprimento e diâmetro da nanopartícula.
Diferentes propriedades físicas, por sua vez, possibilitam diferentes aplicações. Por exemplo, nanofibras – nanobastões longos e finos – podem ser usados para a produção de filmes condutores finos e transparentes para aplicações em telas sensíveis ao toque. Outras nanoestruturas, com propriedades magnéticas, têm potencial no combate a cânceres através da chamada hipertermia magnética, que é a destruição de células cancerosas devido ao aumento da temperatura das nanopartículas quando sujeitas a campos magnéticos. Ainda, medicamentos encapsulados por nanopartículas podem ser melhor direcionados, agindo apenas onde necessário, e ter sua toxicidade para o restante do organismo diminuída.
Fotoestabilidade
Átomos de ouro formam tipicamente nanopartículas esféricas e cúbicas. No entanto, a adição de prata em diferentes concentrações leva à formação de nanopartículas de outros formatos. Na hipótese dos pesquisadores, isso se daria pela formação de pequenos aglomerados de prata metálica, menores que um nanômetro, nas extremidades das partículas, o que causaria a formação de nanoestruturas não-isotrópicas, por exemplo, nanobastões e nanoprismas.
Degradação de nanobastões (acima) e nanoprismas (abaixo) em função do tempo devido à exposição à radiação UV de baixa potência.
Segundo o pesquisador correspondente, M. Arturo López-Quintela, as estações experimentais da linha de luz SXS, do LNLS, foram essenciais para provar a hipótese de que a instabilidade dos nanobastões e nanoprismas é causada pelos mesmos aglomerados de prata que proporcionam sua formação. Com propriedades semelhantes às de semicondutores, os aglomerados agiriam como catalisadores da degradação das nanopartículas.Essas diferentes nanopartículas foram expostas à radiação ultravioleta de baixa potência a fim de se investigar sua fotoestabilidade. Verificou-se que, enquanto nanopartículas esféricas são muito estáveis a essa irradiação, os bastões e prismas rapidamente sofrem corrosão e se dissolvem, produzindo íons de ouro.
A técnica XANES (estrutura próxima à borda por absorção de raios x, da sigla em inglês) foi utilizada para analisar a estrutura eletrônica dos aglomerados de prata e sua interação com os nanobastões de ouro. Os resultados indicaram a transferência de elétrons dos átomos de ouro para os de prata durante a irradiação por ultravioleta.
Quando irradiados, os aglomerados de prata liberam elétrons que são rapidamente absorvidos pelo oxigênio dissolvido na solução. A perda de elétrons faz com que os aglomerados de prata roubem elétrons das nanopartículas de ouro, levando a sua oxidação e degradação em íons de ouro.
Espectro de XANES comparativo entre para aglomerados de prata isolados (em vermelho) e conjugados aos nanobastões de ouro (em azul). A diferença tanto em intensidade e forma do espectro mostra a modificação da estrutura eletrônica dos aglomerados de prata devido à interação com os átomos de ouro.
Essas propriedades fotocatalíticas dos aglomerados de prata podem ser aproveitadas na degradação de substâncias que se oxidem mais facilmente do que as nanopartículas de ouro. Por exemplo, a adição de um composto orgânico à solução de nanopartículas de ouro, seguida da retirada do oxigênio da solução e irradiação do conjunto com radiação ultravioleta, faz com que o composto se oxide no lugar das nanopartículas. Os elétrons que sobram reagem com o hidrogênio da água (já que a solução não contém mais oxigênio livre para absorvê-los) e produzem o gás hidrogênio.
Dessa forma, os nanobastões e nanoprismas podem agir como catalizadores da produção de hidrogênio que pode ser usado como combustível a partir, por exemplo, de contaminantes orgânicos dissolvidos em água.
Fontes:
Photostability of gold nanoparticles with different shapes: role of Ag clusters – Y.A. Attia, D. Buceta, F. Requejo, L.J. Giovanetti e M.A. Lopez-Quintela, Nanoscale, 2015, 7, 11273-11279. doi: 10.1039/C5NR01887K
Structure-Directing and High-Efficiency Photocatalytic Hydrogen Production by Ag Clusters – Y.A. Attia, D. Buceta, C. Blanco-Varela, M.B. Mohamed, G. Barone e M.A. López-Quintela, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 1182–1185. doi: 10.1021/ja410451m
