QGT-Aula7

Prévia do material em texto

O FUTURO DA QUÍMICA 
aula 7 
INTRODUÇÃO 
Novos elementos continuam sendo descobertos, atualmente à taxa de um a cada dois ou três 
anos, o que significa que a Tabela Periódica está ficando maior. Algum sujeito mais apressado 
poderia achar que, em princípio, mais elementos significam mais material para os químicos 
explorarem. Infelizmente, todos esses novos elementos são multiplamente inúteis: são 
radioativos e tão instáveis que desaparecem em frações de segundo. Além disso, não mais do 
que alguns átomos deles são feitos, e imediatamente desaparecem em uma nuvem de 
partículas fundamentais. 
A FRONTEIRA DO DESCONHECIDO 
Há razões teóricas para suspeitar que, apenas um pouco mais adiante na Tabela Periódica, os 
elementos na região do número atômico 126 formarão o que é conhecido como uma “ilha de 
estabilidade” e sobreviverão por muito mais tempo do que aqueles ao seu redor. Além de 
estarmos distantes de alcançar essa ilha, por ainda estarmos no elemento 118, é improvável 
que qualquer um deles tenha qualquer aplicação útil, exceto como plataforma de testes para 
teorias da estrutura nuclear. Os químicos não têm motivos para pensar que darão um impulso 
à Química. 
Químicos já temos muitos elementos para seguir em frente. Novas técnicas estão sendo 
desenvolvidas prometendo ampliar a sensibilidade, a precisão e o escopo das observações. A 
capacidade de detectar quantidades extraordinariamente pequenas de materiais é uma 
bênção e uma maldição. Conhecer a composição de uma amostra em detalhes requintados 
aproxima-nos da compreensão. Identificar que explosivos passaram pelas mãos de um 
terrorista nos ajuda a sobreviver. Porém, encontrar contaminantes em todos os lugares, pois 
neste mundo sempre agitado sempre será assim, pode apenas confundir e, talvez, alarmar 
desnecessariamente. 
NOVOS MUNDOS 
Técnicas importantes que vêm sendo desenvolvidas incluem aquelas em que uns poucos 
átomos e moléculas são estudados em vez de observá-los em amostras em massa. Os 
químicos querem conhecer as intimidades da interação e da transformação molecular. A 
capacidade de examinar as propriedades das moléculas isoladamente ou à medida que elas 
se juntam e reagem, com ligações se quebrando, átomos se realocando e formando novos 
arranjos, é o sonho dos químicos ou, pelo menos, dos físico-químicos. Há alguns anos, tem 
sido possível observar moléculas evoluindo em escalas de tempo da ordem de 
femtossegundos (10–15 s) e houve progresso para estender essa escala para attosegundos 
(10–18 s), um intervalo mil vezes mais curto, quando até os elétrons estão congelados em 
movimento e a Química finalmente se tornou Física. 
Quando encontramos pequenos grupos de átomos, questões interessantes e regras especiais 
entram em jogo. A água, por exemplo: qual é o menor cubo de gelo possível? Descobriu-se 
que você precisa de pelo menos 275 moléculas de água em um aglomerado antes que ele 
possa mostrar propriedades semelhantes ao gelo, e cerca de 475 moléculas antes de se tornar 
verdadeiramente gelo. Esse é um cubo com cerca de oito moléculas de H2O ao longo de cada 
borda. A importância desse tipo de conhecimento é que ele nos ajuda a modelar o processo 
de formação de nuvens na atmosfera e a entender como os líquidos congelam. 
Ao lidar com pequenas porções de átomos em baixas temperaturas, temos de aceitar que seu 
comportamento é governado pela Mecânica Quântica e que devemos esperar propriedades 
inesperadas. Toda a matéria, incluindo a matéria cotidiana, também é governada pela 
Mecânica Quântica, mas lidamos com um número tão grande de átomos, mesmo em uma 
pitada de sal, que a estranheza quântica é eliminada por compensação de extremos e 
percebemos apenas médias, médias que representam o familiar comportamento da matéria 
comum. Esses novos estados da matéria que começam a ser identificados podem ter 
consequências de pouca importância para a Química, mas, talvez, não: alguns estados podem 
ser perfeitos para o armazenamento de dados e para o desenvolvimento da computação 
quântica. 
Os químicos estão contribuindo enormemente para um campo emergente, onde um pequeno 
número de moléculas está presente: o mundo da nanociência e nanotecnologia. Nanos, aliás, 
significa “anão” em grego. Nanossistemas são compostos por entidades com diâmetro de 
cerca de 100 nanometros, um décimo milésimo do milímetro. São, evidentemente, maiores 
que as moléculas individuais, umas mil vezes maiores, mas são menores que a matéria visível 
a olho nu, esta umas mil vezes maior que os nanossistemas. 
As fronteiras são sempre lugares fascinantes, e essa fronteira entre a noção de grande e a 
noção de pequeno não é exceção. As nanopartículas são pequenas o suficiente para que os 
efeitos quânticos sejam relevantes e para que a Termodinâmica, que foi considerada no fim 
do século XIX uma teoria acabada, fique desorientada e precise ser reconsiderada. 
Aqui está um terreno fértil para os físico-químicos explorarem e refinarem suas teorias 
convencionais para poder aplicá-las a esses materiais ainda considerados não convencionais. 
Os químicos orgânicos e inorgânicos também têm muito a contribuir aqui, particularmente 
na fabricação de nanomateriais, pois substâncias orgânicas e inorgânicas podem ser 
formuladas para habitar o nanomundo. A fabricação pode ser “de cima para baixo”, quando 
as nanoestruturas são esculpidas em materiais macroscópicos, como um escultor 
trabalhando em mármore, ou pode ser “de baixo para cima”, quando as nanoestruturas são 
construídas tijolo por tijolo. Este último caminho é particularmente interessante, pois a 
construção geralmente ocorre por automontagem. Nesse procedimento a dispensar 
intervenções, são construídas moléculas que, quando agitadas juntas, agregam-se na 
nanoestrutura desejada, mais ou menos como se, ao sacudir um quebra-cabeça, a imagem se 
montasse à medida que as peças se entrelaçassem espontaneamente ao se deparar com o 
encaixe certo, em vez de passar pela cansativa tarefa de unir peça a peça à mão. 
A nanotecnologia, que é o desenvolvimento e a aplicação de nanomateriais, e a nanociência, 
que é seu estudo em geral, estão atualmente na moda na Química, e com razão, pois os 
nanomateriais são uma grande promessa. Institutos inteiros estão sendo dedicados ao seu 
estudo. As aplicações potenciais dos nanomateriais variam entre as disciplinas e já são 
centrais para muitas aplicações práticas. Por exemplo, certos nanomateriais mostram 
qualidades superiores de captação de luz em comparação com as células solares tradicionais 
de silício. Também foram incorporados em sensores de glicose no sangue com sucesso. 
Nanobastões, nanofios, nanofibras, nanomisturadores, nanofitas e nanotubos também foram 
criados, com potenciais aplicações em nanomáquinas e nanocomputadores. 
A Química está se preparando para desempenhar um papel importante na miniaturização da 
computação. Vimos o impacto brutal da redução de tamanho e de consumo de energia dos 
computadores de 1950 para hoje: antes raros, a ocupar completamente salas gigantescas, 
passamos a tê-los minúsculos, onipresentes e poderosos. Esse impacto na sociedade e na vida 
cotidiana é inegável. Em comprimento, passou-se da escala de metros para centímetros ou 
milímetros. Em volume e peso, a redução tem escala de milhões de vezes. E o mais 
surpreendente é que essa redução, inclusive do preço, foi acompanhada por um enorme 
aumento no poder computacional. Essa diminuição de tamanho, aliada ao aumento da 
capacidade e consequente aumento do impacto social pode se repetir se o progresso atual 
com o desenvolvimento da computação molecular der frutos. 
Os procedimentos computacionais dependem de duas características: memória e sua 
manipulação. A memória é bastante fácil de alcançar em nível molecular, fazendo com que 
uma molécula sofra uma mudança de forma que seja preservada e acessível a algum tipo de 
observação. Por exemplo, uma molécula pode dobrarem uma certa forma para representar 
“um” e dobrar em uma forma diferente para representar “zero”. Mais do que isto: em nível 
molecular, não é preciso limitar-se aos zeros e uns da computação tradicional, porque, agora, 
estão disponíveis muitas conformações, como uma molécula em forma de anel deslizando e 
se fixando em qualquer posição de uma outra molécula em forma de haste. O mais difícil é 
manipular essa informação, que significa obter uma determinada saída a partir de uma 
determinada entrada. A Química, no entanto, tem tudo a ver com entradas, transformações 
e saídas, porque é isso o que acontece nas reações químicas, incluindo o envolvimento da luz, 
seja absorvida ou emitida, quando dois reagentes se encontram. 
A natureza já resolveu o problema de armazenamento de dados ao desenvolver o DNA e, 
também, já progrediu na criação dos respectivos métodos para extrair essa informação e 
transformá-la dentro dos organismos vivos. Nossas memórias são codificadas quimicamente 
de maneiras ainda desconhecidas no cérebro e fornecem um banco de dados imenso, ainda 
que frágil e armazenado de forma imperfeita. As moléculas de DNA têm sido usadas para 
realizar operações aritméticas simples e para determinar a operação necessária a ser feita se 
for encontrada uma molécula de proteína danificada. Criar computadores biológicos em vez 
de fabricá-los como máquinas ainda é ficção científica, mas há indícios disso no horizonte. 
NOVAS DIMENSÕES 
Um desenvolvimento recente notável foi a migração da Química de três para duas dimensões. 
O grafite, material comum presente nos lápis, é uma forma do elemento carbono em que os 
átomos de carbono formam folhas planas, como arame de galinheiro, que deslizam umas 
sobre as outras, podendo marcar uma página ou agir como lubrificante. As folhas individuais 
são chamadas de grafeno, e o fato de que elas podem ser retiradas do grafite sólido por um 
procedimento muito simples ajudou Andre Geim e Konstantin Novoselov a ganhar o Prêmio 
Nobel de 2010, na área de Física. 
O próprio grafeno é atualmente visto como um grande prêmio para físicos e potencialmente 
para engenheiros. É um dos materiais mais fortes conhecidos, com uma tensão de ruptura 
200 vezes maior que o do aço, mas é muito leve, pesando menos de um grama por metro 
quadrado. Na citação do Nobel, observa-se que uma rede de grafeno de um metro quadrado 
suportaria um gato de 4 kg, mas pesaria apenas tanto quanto um dos bigodes do gato. As 
suas extraordinárias propriedades eletrônicas, térmicas e ópticas são também de grande 
interesse. Entre as aplicações potenciais estão a criação de alto-falantes sem partes móveis e 
moldáveis em diversas superfícies, e a destilação da vodka à temperatura ambiente, 
essencialmente filtrando a água. 
Mas onde entram os químicos nessa festa bidimensional? Atualmente estão sendo 
desenvolvidas técnicas de laboratório com grafeno, como seu uso como peneira para separar 
moléculas de diferentes tipos e para dessalinização da água. As aplicações facilitariam a 
produção de biocombustíveis e garantiriam abastecimento de água potável a qualquer cidade 
litorânea. Embora o próprio grafeno não absorva facilmente moléculas de gás, sua superfície 
pode ser quimicamente modificada para responder a gases de diferentes tipos. A fixação dos 
gases, aliás, modifica as propriedades elétricas das folhas de grafeno subjacentes, de modo 
que sua presença pode ser detectada. 
Os químicos, naturalmente, se perguntam se esse país das maravilhas bidimensional pode ser 
habitado por outros materiais e se esses materiais podem contornar algumas das deficiências 
do grafeno quase milagroso. Novos materiais de forma semelhante à do grafeno foram feitos 
eletroquimicamente, com compostos como sulfeto de molibdênio, sulfeto de tungstênio e 
materiais mais exóticos baseados em carbeto de titânio. Alguns desses materiais 
bidimensionais apresentam propriedades semicondutoras, que o grafeno não possui, e já 
foram fabricados em minúsculos circuitos integrados. O próprio grafeno está aberto à 
modificação química, sendo um procedimento já conhecido oxidá-lo para formar óxido de 
grafeno. Flocos desse material se agregam em folhas de “papel grafeno” que, é o que os 
cientistas de materiais esperam, podem vir a formar a base de toda uma nova classe de 
materiais com propriedades elétricas, térmicas, ópticas e mecânicas ajustáveis. 
NOVAS APLICAÇÕES 
São tão vastas as aplicações dos novos materiais desenvolvidos por químicos em colaboração 
com cientistas de materiais, físicos, biólogos e engenheiros que parece certo que deixaremos 
de tratar de algum desenvolvimento ou de algum exemplo importantíssimo dessa área. O que 
merece ficar é a percepção de que a vida está sendo transformada por esta colaboração entre 
as ciências. 
O vidro autolimpante é um exemplo que não foi esquecido. Este novo dispositivo a poupar 
trabalho e água é baseado na Fotoquímica e na compreensão das forças de atração ou 
repulsão entre as moléculas; em particular, a propriedade que torna uma superfície 
hidrofóbica, ou seja, repelente à água. Um vidro autolimpante típico é revestido com uma 
fina camada transparente de dióxido de titânio, que responde à luz solar decompondo 
quimicamente qualquer sujeira que se deposite nele. A superfície repelente de água significa 
que qualquer água, em particular a água da chuva, lava os produtos desta decomposição 
fotocatalisada sem deixar rastros de sujeira. 
Outro exemplo não esquecido são os tecidos inteligentes. Tecidos inteligentes podem brilhar 
com cores diferentes, talvez representando a distribuição de temperaturas do usuário e, de 
forma grosseira, seu estado emocional. Ou podem responder às condições ambientais ou ao 
capricho do usuário alterando sua aparência eletricamente. Esses tecidos não devem apenas 
ser divertidos, mas também devem suportar os rigores da passagem pela lavanderia e o 
estresse de serem usados, amarrotados, amassados. 
Já falamos em aulas anteriores sobre como a catálise é tão importante para a indústria, mas 
para a eliminação da poluição dos motores de combustão interna, a catálise é vital. O 
catalisador agora embutido em todos os nossos carros a combustão utiliza um saber químico 
muito sofisticado, porque precisa entrar em operação rapidamente assim que o motor é 
ligado quando está frio – até porque uma proporção mais alta de poluição é emitida nesse 
momento –, mas precisa continuar a agir com eficiência quando o motor já está 
intocavelmente quente. Além disso, não só os catalisadores devem conseguir a redução de 
óxidos de nitrogênio para o inofensivo gás nitrogênio, como também devem conseguir a 
oxidação do monóxido de carbono a dióxido de carbono e completar a oxidação do 
combustível de hidrocarboneto que não foi devidamente queimado. Além disso, os 
catalisadores precisam responder às diferentes condições à medida que o motor funciona, 
como as deficiências ou os excessos da mistura ar/combustível e os picos repentinos de 
variação de composição na exaustão durante a aceleração. Tudo isso precisa ser desenvolvido 
por químicos. 
Talvez em nenhuma outra área a Química moderna seja mais importante do que no 
desenvolvimento de novas drogas para combater doenças, reduzir a dor e melhorar a 
experiência de vida. A Genômica, área que trabalha com a identificação de genes e sua 
complexa interação no controle da produção de proteínas, é central para os avanços atuais e 
futuros da Farmacogenômica, o estudo de como a informação genética modifica a resposta 
de um indivíduo às drogas, o que oferece a perspectiva de uma medicina verdadeiramente 
personalizada, onde coquetéis de drogas são adaptados à composição genética de cada 
indivíduo. 
Ainda mais elaborada que a Genômica é a Proteômica, o estudo de todo o conjunto de 
proteínas de um organismo. As proteínas, afinal, são as entidades que lideram a frente de 
trabalho da vida, sendo com elas que a maioriadas drogas interage para atuar. Aqui, a 
Química Computacional está em aliança essencial com a Química Médica, porque, se uma 
proteína implicada em uma doença pode ser identificada e deseja-se encerrar sua ação, 
então, a modelagem computacional de possíveis moléculas que podem invadir e bloquear 
seu sítio ativo é o primeiro passo para a descoberta racional de medicamentos. Este também 
é outro caminho para a eficiência e para a eficácia da medicina personalizada. 
NOVAS DESCOBERTAS 
Não quero dar a impressão de que os avanços da Química estão inteiramente confinados às 
suas aplicações. Estas, certamente, são as manchetes que capturam nossa atenção e afetam 
a todos nós imediatamente. No entanto, os químicos também estão envolvidos na tarefa 
fundamental de descobrir mais sobre a matéria e como ela pode ser modificada. Cada vez 
mais, eles estão se familiarizando com o funcionamento da natureza em nível molecular, 
aprendendo seus caminhos. Fazendo isso, os químicos acabam tropeçando em características 
e fenômenos que podem ser surpreendentes e não ter qualquer aplicação imediata, exceto 
para a mais preciosa das razões: o conhecimento. A pesquisa básica ou fundamental é 
absolutamente vital para esse esforço, pois leva a descobertas imprevistas, compreensões 
imprevistas e aplicações imprevistas, muitas de valor extraordinário. 
Tal é a alegria, o prazer intelectual que a Química moderna inspira. Espero que este curso 
tenha apagado em algum grau aquelas memórias que podem ter contaminado sua visão 
sobre esse assunto extraordinário, e que você tenha compartilhado um pouco desse prazer.