2.4.1 Materiais nanoporosos
Os materiais nanoporosos, conforme a tipologia empregada pelo 6th Framework Programme Europeu [1], possuem características que não são possíveis de obter por processos tradicionais, tais como elevada superfície
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específica, tamanho e distribuição dos poros controlados, peso reduzido, isolação térmica e propriedades fotônicas.
As rotas de síntese são basicamente químicas, compreendendo a precipitação de solução ou de automontagem (self-assembling), além de rotas semelhantes a de fabricação de cristal líquido. Tratamentos posteriores são necessários para remoção de solventes e precursores empregados no processo e a funcionalização dos nanoporos (principalmente os superficiais). Neste último, a propriedade funcional é dada por agentes modificantes e síntese direta (pela co-condensação de grupos funcionais aplicados em processos sol-gel) [1].
As aplicações de materiais nanoporosos estão fortemente relacionadas à catálise, por exemplo, no craqueamento de combustíveis fosseis e não fósseis (obtenção de hidrogênio da água, por exemplo). Outra aplicação são janelas com isolação térmica, estocagem de gás, cristais fotônicos, eletrodos, engenharia de pele, bioimplante e sensores. No desenvolvimento dos materiais nanoporosos, os desafios técnicos apontados incluem [1]:
• Pesquisa básica para o entendimento do comportamento dos materiais em escala atômica/molecular;
• Falta de ferramentas de modelamento e simulação para auxiliar no entendimento da relação propriedade-estrutura;
• Indisponibilidade de materiais adequados com qualidade e preço acessíveis;
• Falta de equipamentos para caracterização em nanoescala;
• Impacto ambiental dos materiais obtidos;
• Dificuldades com o controle de estrutura, características e funcionalidade dos poros e da estabilidade térmica em função do tempo.
2.4.2 Materiais nanoparticulados
Os materiais nanoparticulados apresentam características como elevada área de superfície específica, propriedades magnéticas, elétricas, óticas e
químicas diferenciadas [1]. As aplicações das nanopartículas/nanoestruturas são potencialmente amplas e incluem os campos de engenharia, eletrônica, medicina e saúde, meio ambiente, bens de consumo e energia.
Há uma grande diversidade de rotas e técnicas de obtenção de nanopartículas/nanoestruturas, principalmente métodos mecânicos (moagem de alta energia ou tratamento mecânico de ligas), métodos a vapor (Physical Vapour Deposition - PVD e Chemical Vapour Deposition - CVD), métodos químicos (sol-gel ou química coloidal) e métodos de gás-fase (pirólise de chama, eletroexplosão, remoção a laser e síntese por plasma) [1].
Após a obtenção das nanopartículas, é necessário um tratamento para melhorar ou modificar suas propriedades, dependendo da aplicação final. Por exemplo, nanopartículas metálicas são altamente oxidáveis, e tratamentos com agentes estabilizantes permitem a passivação da superfície com adição de grupos hidrofílicos ou hidrofóbicos ou grupos que favoreçam a interação com a matriz polimérica. Esse tratamento pode aumentar os custos das nanopartículas em até 50%. Adicionalmente, a incorporação em nanocompósitos pode ser feita via mistura com o polímero em estado viscoso (dentro de extrusoras, por exemplo) ou durante o processo de polimerização [1]. As aplicações mais promissoras são em materiais estruturais bulk, por exemplo, compósitos de polímero e nanoargilas. Entretanto, os altos custos de produção das nanopartículas permite apenas a introdução desses compósitos em produtos que o preço pode ser absorvido (por exemplo, componentes de revestimentos de carros). Outras aplicações são cosméticos, pesticidas, catálise, lubrificantes, selante, adesivos e revestimentos. Todas as aplicações necessitam de uma distribuição de tamanho de partícula controlada, estrutura fina e funcionalidade específica, o que representa um desafio para o contexto das nanopartículas [1].
Outros desafios, gargalos e barreiras para as nanopartículas compreendem:
• A capacidade de tornar possível, com qualidade controlada, a produção industrial;
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• Prevenir aglomerações e reações químicas durante o processo de produção;
• Entender qual a distribuição de tamanho de partícula e a morfologia ideal para determinada aplicação e viabilizar a instrumentação para o controle de qualidade industrial;
• Estabelecer procedimento de manuseio para utilização das nanopartículas;
• Marco regulatório e segurança de trabalho, principalmente para aplicações relacionadas à área de saúde;
• Avaliação dos impactos sobre a saúde e meio ambiente.
2.4.3 Dendrímeros
Os dendrímeros são blocos com composição e estruturas sintéticas em escala nanométrica com grande versatilidade de aplicações, dentre as quais se destacam diagnóstico médico e entrega de medicamento (drug delivery), recobrimentos de fibras de carbono e filmes ultrafinos, aditivos em plásticos, tintas, agentes de descontaminação, OLEDs e catálises [1]. As características e propriedades mais marcantes dos dendrímeros são [1]:
• Polivalência, que facilita a funcionalização de superfície dependendo da aplicação;
• Arquitetura definida e controle do tamanho e forma;
• Monodispersão;
• Biocompatibilidade e baixa toxicidade de alguns dendrímeros;
• Propriedades de transporte de material.
A preparação de dendrímeros ocorre basicamente de duas formas: síntese convergente e síntese divergente. A diferença entre elas é o tamanho do dendrímero final, sendo que a convergente resulta em nanomateriais menores. Durante a produção, os desafios encontram-se no controle do processo e da pureza (que deve ser alta), produtos finais bem definidos, especificações e métodos analíticos dos produtos [1].
Os métodos mais comuns para tornar úteis esses nanomateriais após sua síntese são o preenchimento das cavidades, e a modificação do núcleo e da superfície. As modificações superficiais são as mais empregadas e possibilitam ao dendrímero funções como polivalência, cargas flexíveis e propriedades de solubilidade, propriedade de ligação flexível e de transfecção [1].
Os maiores desafios para o desenvolvimento dos dendrímeros são o alto custo e a baixa reprodutibilidade de suas propriedades em grandes escalas de produção. Embora para fins medicinais a quantidade de material seja pequena, os dendrímeros necessitam ganhar competitividade em relação a outros nanomateriais para estabelecer seu espaço no mercado [1].
Outro desafio é o estabelecimento de novos métodos de síntese ou a redução de etapas dos procedimentos conhecidos. Adicionalmente, poucas empresas possuem pedidos de patentes para produção e/ou aplicação de dendrímeros, o que pode representar um gargalo para futuros desenvolvimentos [1].
2.4.4 Filmes finos e revestimentos
A vantagem dos filmes finos (e revestimentos/recobrimentos) é fornecer novas funcionalidade a uma superfície. Os três parâmetros relevantes no processamento de filmes fino são: composição química, espessura e topografia. A nanotecnologia fornece ferramentas que auxiliam no controle dessas variáveis. As propriedades dos filmes finos e recobrimentos podem ser[1]:
• Química: reatividade ou barreira química;
• Otica: interceptação de luz, transmissão, opacidade;
• Mecânica: resistência a abrasão, lubrificação seca;
• Elétrica: condutividade, isolação elétrica;
• Magnética: armazenamento de dados;
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CVD, PVD, sol-gel, eletrodeposição, recobrimento por rotação (spin
coating), revestimento por spray, automontagem (self assembly) e montagem
posicional (positional assembly) são os principais processos de produção de filmes finos e revestimentos. Dependendo da técnica de fabricação adotada, é necessária a realização de tratamentos para retirada de solventes e materiais de template (por exemplo, no processos sol-gel e recobrimento por rotação). Os principais processos de tratamento são: recozimento, oxidação térmica e cura por raios UV [1].
Em aplicações como semicondutores, é necessário a padronização da superfície do filme para desempenhar sua funcionalidade. Neste caso, os métodos de padronização são a litografia ótica, corrosão por plasma, nanolitografia por feixe de elétrons, entre outros. As principais aplicações neste caso são trasistor de filmes finos, LCDs, OLEDs, NEMS/MEMS, entre outros [1].
Os maiores obstáculos para o desenvolvimento de produtos incorporando filmes fino ou revestimentos é o alto custo e o baixo volume de produção a partir das técnicas existentes. Há ainda desafios que dependem de pesquisas básicas e aplicadas[1]:
• Controle dos parâmetros de processo para produção de filmes uniformes e homogêneos;
• Entendimento sobre a adesão mecânica filme/subistrato ou entre camadas depositadas;
• Falta de equipamentos para caracterização rápida;
• Entendimento das necessidades industriais;
• Modelamento computacional.