Nanociência e nanotecnologia para o ensino médio

A nanociência e nanotecnologia baseiam-se na manipulação da matéria em escala nanométrica, estão emergindo como áreas de grande destaque para o desenvolvimento científico e tecnológico em um futuro próximo. Estas áreas são definidas como multi ou transdisciplinares por natureza. O que explica a grande aplicabilidade da nanotecnologia. Portanto, a nanociência pode ser um ótimo exercício de inter- e multidisciplinaridade no ensino. Várias áreas seguem como básicas para as nanociências, dentre elas podemos citar a física, principalmente a física quântica, a química de estruturas moléculas, cristalinas ou amorfas. Várias áreas do conhecimento convergem quando manipulamos a nanoescala, tendo como consequência novos produtos e novas implicações na vida humana. Esta multidisciplinaridade enriquece o conhecimento nas áreas, mas também coloca um grande paradigma para a área de educação: Como trabalhar temas com esta complexidade em diferentes ramos da sociedade, desde o ensino fundamental até a sociedade em geral?

Uma alternativa de resposta para essa questão é ilustrar, por meio de atividades, as potencialidades da escala nanométrica, através de uma transição da escala macroscópica e microscópica para escala nanométrica. Essas atividades simples podem ser utilizadas com alunos ensino fundamental, médio ou iniciantes nesta fascinante área. Uma das principais vantagens do uso tecnológico de materiais na escala nano, deve se ao grande aumento de área superficial quando convergimos de uma escala macro para a nano. Esta é uma propriedade de grande interesse já que boa parte das aplicações depende do aumento da área de contato das partículas consideradas. Este fato é demonstrado, muitas vezes, a partir de uma abordagem simplificada de macroestruturas cúbicas e esféricas atingindo suas respectivas nanoestruturas, com um aumento substancial na área superficial das estruturas.

Portanto, é essencial que alunos e professores do ensino básico conheçam o que é, a potencialidade e os efeitos da nanociência e da nanotecnologia, visto que estas áreas prometem fazer uma nova revolução tecnológica. Diversos países já possuem disciplinas que abordam temas específicos de nanociência e nanotecnologia, desde o ensino infantil até o ensino médio (COLLEGE, 2008; INITIATIVE, 2008) desta forma, retratando a importância de levar essas informações na formação do cidadão conhecedor e crítico.

Efeito de área superficial em nanoestruturas

Uma das grandes potencialidades dos nanomateriais está associada ao aumento, de forma acentuada, da área superficial da estrutura quando reduzimos o tamanho desta, ou seja, quando passamos de uma escala macro - ou micro- para a nanoescala. Este fato faz com que estas nanoestruturas tenham uma grande expectativa de aplicação em termos de sensores de moléculas de interesse químico (remoção de gases tóxicos, transporte de medicamentos no organismo, etc) ou biológicos (interação com proteínas, detectores de vírus, aminoácidos, etc.) (SOUZA FILHO, 2007). Ou seja, com uma quantidade reduzida de material base (nanoestruturas) podemos aumentar gradativamente a interação com as estruturas de interesse.

TECNOLOGIA DE CONVERGÊNCIA: ISTO É NANOTECNOLOGIA!

Você já deve ter ouvido que a nanociência e nanotecnologia são tecnologia e ciência de convergência, mas você sabe o que isto significa? Descubra neste post do COLUNANO.

A N&N apresenta um aspecto interessante sobre a natureza do conhecimento, ela é multidisciplinar. Inúmeros campos das ciências exatas e naturais encontram respaldo na nanotecnologia e na nanociência, sendo, é claro, altamente especializada em sua aplicação. Para alguns, a Nanotecnologia se tornou uma supraciência.

Na N&N a linha que separa os ramos de conhecimento e torna as disciplinas distintas se tornou demasiadamente tênue, e é por isto que a nomeamos como uma tecnologia de convergência.

O poder da ciência do invisível está realmente na convergência de disciplinas tradicionais como a Biologia, Matemática, Química e Física e das novas tecnologias emergentes no cenário mundial. Cria-se então, um novo paradigma cientifico.

Mas porque será que a nanotecnologia tem este poder de convergência? Explicamos: A nanotecnologia torna essa convergência possível, já que as unidades de construção de toda a matéria (átomos/moléculas) tem sua escala nano. Nessa escala, é possível a convergência entre o orgânico e o inorgânico. Para a nanotecnologia o DNA é uma molécula qualquer como se igualando a molécula mais simples de gás hidrogênio.Essa convergência impar que só ocorre na nanotecnologia tem como conseqüência novos produtos e novas implicações na vida humana.

De várias formas é nomeado este novo paradigma, pelo GRUPO ETC ele é chamado de BANG (de Bits, Átomos, Neurônios, Genes), na América achamos referência de NBICs (de Nanotecnologia, Biotecnologia, Informática e Ciências cognitivas), e na comunidade européia é conhecido como CTEK ( Convergentes para a sociedade Européia do Conhecimento).

Pensar na convergência tecnológica é ir muito além de questões como a toxidade dos processos e dos produtos nanotecnológicos, por exemplo. Ela engloba aspectos imprevisíveis de ordem ética, social e ambiental, pois traz mudanças desconhecidas para toda a humanidade. As mudanças podem ser simples melhoria de vida ou impactos de grandeza incalculável na sociedade, tanto para nossa geração como para as outras que virão.

O que sabemos é que assumir a nanotecnologia e suas implicações como tecnologia de convergência é uma faca de dois gumes que pode trazer benefícios, mas também riscos, assim como qualquer nova tecnologia.

QUAL A IMPORTÂNCIA DA NANOTECNOLOGIA?

Depois de definirmos nanotecnologia já temos uma certa noção da importância dela para nós, mas sempre é bom lembrar que tudo nesse mundo funciona na escala nano. E nesta escala, qualquer diferença na combinação dos átomos, mesmo que mínima, gera propriedades ou características completamente distintas.

Um exemplo bem comum disso é o carbono, elemento que existe em todos os seres vivos, e em grande parte do mundo. O carbono encontrado na natureza pode, por exemplo, ser encontrado como carvão vegetal, grafite, ou diamante. Bem diferente uns dos outros quando levávamos em conta a dureza, a cor, e outros aspectos visíveis, esta diferença se dá devido às distintas formas com que os átomos estão ligados entre si.

Então, não podemos considerar a nanotecnologia como apenas a busca de se conseguir usar partículas ou materiais em um tamanho infinitamente menor do que o convencional, mas também como a busca de novos materiais com propriedades únicas e que se comportam diferentemente da matéria conhecida, essa diferença de propriedades se dá naturalmente, já que as leis que governam este mundo invisível são distintas das leis do mundo micro e macroscópico, teremos que levar em conta, neste caso, os “efeitos quânticos”.

O que são efeitos quânticos?

As drásticas e surpreendentes mudanças nas propriedades dos materiais em nanoescala são a chave para entender o poder e o potencial únicos da nanotecnologia. Essas mudanças são chamadas de “efeitos quânticos”. Sem alterar a substância, só reduzindo o tamanho dos materiais, eles podem ter novas propriedades, como condutividade elétrica, elasticidade, maior resistência, cor diferente e maior reatividade - características diferentes das que essas mesmas substâncias têm em escala micro ou macro.

Por exemplo:

O carbono na forma de grafite é macio e maleável. Diminuído à nanoescala, pode ser mais resistente e seis vezes mais leve do que o aço.

O óxido de zinco é branco e opaco. Em nanoescala torna-se transparente.

O alumínio – o mesmo das latas de refrigerante – em nanoescala

pode pegar fogo espontaneamente e poderia ser utilizado como combustível para foguetes.

A platina é inerte – em escala nano torna-se um potente catalisador que acelera a velocidade das reações químicas.

NANOCIÊNCIA X NANOTECNOLOGIA - HÁ DIFERENÇAS?

Quando optamos pela a definição de nanotecnologia com a qual o blog segue é necessário observar que ainda na definição é colocado um distanciamento entre nanotecnologia e nanociência. O que é extremamente pertinente, tecnologia no caso seria a ciência aplicada, tecnologia deriva do grego techné- que significa arte, ofício, pratica mais o sufixo –logos que na sua acepção representa o conhecimento. Quando se une o radical com o sufixo temos algo que pode ser descrito como a aplicação do método cientifico, com objetivos práticos e comerciais, justificando a questão da manipulação dos átomos.

Já a nanociência é o conjunto de conhecimentos adquiridos ou produzidos que visam compreender e orientar a natureza e as atividades humanas, enquanto a tecnologia é o conjunto de conhecimentos, especialmente, princípios científicos com aplicabilidade em determinado ramo de atividade, com fins industriais, isto é, a aplicação do conhecimento cientifico adquirido de forma prática, técnica e economicamente viável.

Porém, em muitos casos as pessoas falam de nanotecnologia como pesquisa cientifica, ou seja, o termo utilizado como sinônimo de nanociência, isto porque nanotecnologia é um termo mais comum, mais usual, apesar de sabermos que a distinção entre os termos nanociência e nanotecnologia é igualmente comparáveis à diferenciação entre ciência e tecnologia na acepção moderna de ambas as palavras. Leitor, apesar de muitas vezes nanotecnologia é usada como sinônimo de nanociência, ou o contrário, é bom que fique claro na sua cabeça a diferença que enventualmente as duas podem ter! Até a próxima!

AFINAL, O QUE É ESSA TAL DE NANOTECNOLOGIA?

Se há uma pergunta difícil e capciosa de responder, é esta. Na mídia, na escola, no consultório médico ou na academia se houve falar de nanotecnologia, mas uma definição concreta e concisa deste termo não há.

No próprio meio cientifico ainda não se tem uma definição padronizada, ou amplamente aceita pelos cientistas sobre o que seria a famigerada nanotecnologia. Mas para efeito pedagógico resolvemos compilar as inúmeras definições que encontramos em somente uma, para ajudar e orientar, você, digno leitor!

O prefixo grego “nano-” é referente a anão/diminuto e tem a mesma etimologia da palavra que muito de nós usamos para deboche, “nanico” . Então, de certo, esta palavra se refere a coisas pequenas. Mas que tipo de coisas pequenas? Poderíamos responder que são aquelas que não se enxerga a olho nu, mas isto seria falar de infinitas coisas, como por exemplo bactérias, a nanotecnologia vai além disso, busca algo menor do que as próprias bactérias ou vírus, ela se dirige especialmente aos átomos e moléculas.

Desta forma apresentaremos diversas formas de definir nanotecnologia:

NANOTECNOLOGIA é a manipulação de estruturas atômicas e moleculares, em escala industrial, que estão presentes em uma escala que corresponde a um bilionésimo de metro ou um milionésimo de milímetro (10^-9m),esta escala é denominada “nano”. A escala nanométrica está entre 0,1nm e 100nm. Paralelamente, a ciência que envolve o conhecimento das propriedades e potencialidades nessa escala é denominada de NANOCIÊNCIA. (TOMA,2004).

NANOTECNOLOGIA também pode designar a ciência relacionada à manipulação da matéria ao nível molecular, visando à criação de novos materiais, substâncias e produtos, com uma precisão de átomo a átomo.(WAITE GROUP PRESS, 2005).

NANTOTECNOLOGIA é o ramo da ciência que estuda novos materiais ou o comportamento desses (PEREIRA,HONÓRIO & SANNOMIYA, 2009).

NANOTECNOLOGIA é a capacidade de sintetizar, manipular e caracterizar matéria em escala nanométrica (inferior à 100nm ) (RUBIO, 2006).

O grupo que criou o COLUNANO acredita que devido os propósitos do blog e das especificidades sobre o tema que é preferível adotarmos a primeira definição. Isto porque ela é mais ampla, dificultando um pouco mais em cair em armadilhas de definições, ao passo que as demais, se voltam totalmente para aquilo que chamamos de nanotecnologia aplicada. Outro motivo da escolha é nosso público alvo que se concentra em alunos do ensino médio, e simpatizantes com o tema, sendo que a definição escolhida é mais coerente com o conhecimento relacionado ao Segundo Grau e os parâmetros de orientação pedagógica contidas no texto “Afinal, o que é nanociência e nanotecnologia? Uma abordagem para o Ensino Médio”.

O fato de escolhermos uma definição para trabalharmos, não quer dizer que descartamos as demais, muito menos a possibilidade de maior objetividade nas três não escolhidas.

TAMANHO É DOCUMENTO!

Para sermos mais didáticos, presentes leitores, iremos primeiro definir, de forma geral, é claro, as escalas macro e micro, para somente depois entrarmos no mérito de discutir tão diminuta escala.

O termo macroscópico é geralmente utilizado na descrição de objetos físicos que podem ser mensurados e observados a olho nu. De forma geral, podemos avaliar como macroscópicas as escalas de comprimento que variam de 1 mm até 1 km

Por outro lado, a percepção microscópica pode demonstrar características mais gerais da composição do material em uma escala de comprimento que varia de 1 mm a alguns mm (1 mícron corresponde a 10-6 m). Um dos exemplos típicos são as células sanguíneas, como as hemácias que constituem o sangue e que estão em uma escala de alguns mícrons.

E a escala nanométrica? O que é? A escala nanométrica é aquela que se preocupa com o tamanho dos átomos e da composição molecular de qualquer material presente na natureza. Mas que unidade é essa? Então mais uma vez visando fins didáticos, e como também já apresentamos o conceito formal desta unidade de ponderação, utilizaremos a comparação para elucidar a esta questão:

Para se ter uma idéia do que é 1nm, ou uma bilionésima parte de 1 metro ou 1 milionésima parte de 1 milímetro:

• A espessura (diâmetro) de um fio de cabelo é de cerca de 80.000 a 100.000 nanômetros;
• Bactérias têm tamanho de alguns mil nanômetros;
• Um glóbulo vermelho do sangue tem cerca de 5.000 a 7.000 nm;
• Os vírus tem diâmetros de varias dezesnas até 200 nm;
• Uma molécula de DNA tem cerca de 2 nm de largura;
• 10 átomos de hidrogênio, um do lado do outro, tem tamanho de 1 nm.

Uma nanoparticula é para uma bola de futebol assim como a bola é para a terra.

A nanopartícula é para uma cabeça de alfinete assim como a cabeça de alfinete é para 10 campos de futebol.

Nescala tudo pode parecer pequeno ou frágil, mas não se engane, será nessas dimensões que as mudanças significativas na materia se dará.