“Língua artificial” para identificar whisky falso

Cientistas escoceses desenvolveram um sensor bimetálico capaz de identificar whisky falso. O sensor foi feito com ouro e alumínio em uma configuração de arranjo semelhante a um tabuleiro de xadrez (Figura 1).

No artigo publicado na revista Nanoscale, eles explicam como o dispositivo foi fabricado e o seu funcionamento. O sensor óptico identifica o índice de refração da bebida, que por qualidades específicas da bebida proporcionam propriedades ópticas que a distingue de maneira única como uma espécie de “impressão digital”.

Figura 1 – Representação esquemática do sensor bimetálico.

A bebida contém diversas moléculas orgânica que estabelece qualidades gustativas e olfativas e o conjunto dessas moléculas orgânica promovem uma interação única com o sensor, modificando sua configuração de ressonância plasmônica, que pode ser medido com precisão. A escolha de um sensor bimetálico se dá pela capacidade que o ouro tem de interagir com moléculas orgânicas que contém grupo tiól (-SH) e do alumínio com grupos hidroxilas (-OH), possibilitando uma funcionalização seletiva.

Nanomateriais antimicrobianos

Você sabia que existem mais microrganismos em você do que pessoas no planeta, neh? Sim! Eles dominam a Terra e não os Gatos Illuminati como se supõe por ai… Embora sabemos que esses microrganismos sejam naturais e importante para nosso funcionamento biológico, alguns deles causam problemas de saúde, como infecções, micoses, candidíase, pneumocistose, tuberculose, etc… Antibióticos e outros fármacos que combatem esses microrganismos é muito comum de serem usados, porém os nanomateriais antimicrobianos vem sendo cada vez mais aplicados contra microrganismos de forma isolada ou em conjunto com esses fármacos no combate às doenças infecciosas. Embora a aplicação contra microrganismo seja comumente citada, ainda não se tem a exatidão dos mecanismos em que esses nanomateriais agem contra bactérias e fungos.

A nanotecnologia entra nessa jogada devido à resistência que microrganismo adquirem aos antibióticos. O nanomaterial antimicrobiano mais conhecido é de longe a nanoprata. Embora sua atividade antimicrobiana seja poderosa, ela contém alguns inconvenientes em algumas aplicações, fazendo cientistas buscar novas alternativas.

Entre os materiais mais estudados se encontram os nanometálicos  como a Ag e o Cu; e para os nano óxidos estão a Ag2O, ZnO, CuO, MgO, Cao e o TiO2.

Nanopartículas de prata

A prata possui um enorme potencial antimicrobiano podendo ser atribuído aos muitos mecanismos de ação contra os microrganismo (Figura 1). Entre  esses mecanismos estão a habilidade de se anexar na parede da membrana celular do microrganismo – interrompendo a captação de nutrientes necessários – e a penetração da mesma, causando buracos na membrana celular ocasionando o vazamento do material celular contido no seu interior.

A nanopartícula de prata pode interagir com grupos tióis (-SH) e aminas (-NH), se ligando a estruturas enzimáticas e em bases nitrogenadas do DNA, perturbando o funcionamento biológico da célula bacteriana.

Figura 1. Os diferentes mecanismos de ação da nanoprata no controle de microrganismo

 

Nanopartículas de ZnO

A segurança de ZnO e a compatibilidade com a pele humana torna-a adequada como aditivo para tecido e superfície que vem entrar em contato com o corpo humano. nanopartículas de ZnO apresentam atividade antimicrobiana para bactérias Gram-positiva e Gram-negativa. A propriedade antimicrobiana de ZnO aumenta com a diminuição do tamanho de partícula, podendo em uma concentração ideal ser até mais potente que a própria nanoprata.

Nanopartículas de ZnO também são fotocatalíticas, o que contribui fortemente na sua atividade antimicrobiana. Nanomateriais fotocatalíticos geram espécies de oxigênio reativos, como os peróxidos e os radicais livres, que exterminam microrganismos. Assim como as nano ZnO, TiO2 também possui atividade fotocatalítica, agindo da mesma forma.

O mecanismo exato de ação de ZnO é ainda desconhecido, entretanto atribui-se duas possíveis propostas:

1)Geração de peróxido de hidrogênio

2)Acumulo de partícula na superfície celular da bactéria devido ás forças eletrostática.

Nanopartíulas de TiO2

Propriedade antimicrobiana do TiO2 está relacionada com a sua estrutura cristalina , forma e tamanho. O estresse oxidativo via geração de radicais livres pode ser uma particularidade importante no mecanismo para nanopartículas de TiO2 (fase anatase).

Propriedade fotocatalítica das nanopartículas TiO2 auxiliam na eficiência de erradicação bacteriana

Nanopartículas de Au

Nanopartículas de Au são não-tóxicas, possuem alta habilidade de funcionalização e efeito polivalentes.

Embora a geração de espécies de oxigênio reativas seja a principal causa de morte celular da maioria dos antibióticos e nanomateriais antimicrobianas, o Au não possui indução alguma dessas espécies.

Cui et al. provou que a atividade antimicrobiana de nanopartículas de Au são ocasionadas por:
1) a fixação destas nanopartículas à membrana bacteriana, seguida da modificação do potencial da membrana e do decréscimo do nível de ATP e
2) inibição da ligação de ARNt ao ribossomo

Estudos reportam que nanoAu funcionalizadas com 5-fluorouracil possuem maior efeito em bactérias Gram-negativas do que em Gram-positivas devido á facilidade de internalização.

Interação de cargas negativas com membrana celular que possui carga positiva.

Lima et al. reportam efeito antimicrobiano de até 95% contra E. coli e S. Typhi. Os autores relatam que a propriedade biocida foi ocasionada pela rugosidade e dispersão das nanopartículas de Au.

Nanopartículas de SiO2

Nanocompósito Ag/SiO2 possuem propriedades antimicrobianas mais potentes contra E.Coli e S. Aureus e C. Albicans enquanto que Au/SiO2 não apresentam atividade.

SiO2 atua como matriz para incorporação de nanometálicos com atividade antimicrobiana.

Figura 2 : Core-Shell de nanopartículas de sílica antimicrobianas.

 

MgO e CaO

CaO e MgO indicam forte atividade antimicrobiana relacionado à alcalinidade e espécies ativas de oxigênio.

O mecanismo é provocada pela geração de superóxido na superfície dessas partículas, e também um aumento no valor do pH pela hidratação de CaO e MgO com água.

Nanopartículas de MgO causam danos na membrana celular  que consequentemente ocasionam vazamento dos conteúdos intracelular, causando a morte da célula.

Nanopartículas de MgO sozinhas ou combinadas com Nisina, um peptídio antimicrobiano, apresenta efetividade contra E. coli e Salmonela Stanley, podendo ser usadas como agente antimicrobiano em alimentos para melhorar a segurança alimentar.

Nanopartículas MgO e Cao isoladas ou em combinação são alternativas para desinfetantes com baixo custo. Isso as torna promissoras como agente antimicrobianas.

Nanopartículas de Cu e CuO

Nanopartículas de cobre possuem grande interesse para cientistas devido às suas propriedades biológicas, fisico-química e atividade biológicas a um baixo custo. Entretanto o cobre possui uma rápida oxidação quando exposta ao ar, limitando sua aplicação.

Testes com nanopartículas de CuO indicam que possuem atividade antimicrobiana.  Acredita-se que as nanopartículas atravessam a membrana celular da bactéria e os danos nas enzimas vitais são gatilhos para o fator crítico nas morte celular.

Tamanho, estabilidade e concentração são fatores que contribuem para o efeito antimicrobiano. De um modo geral podem atuar de forma isolada ou incorporadas em nano ou micromateriais, como é o caso de zeólitas, que impregnadas com CuO adquiri propriedade antimicrobiana se tornando multifuncional.

 

Referências

Antimicrobial activity of the metals and metal oxide nanoparticles DOI: 10.1016/j.msec.2014.08.031

Antimicrobial Activity of CaO Nanoparticles DOI: 10.1166/jbn.2013.1681

Silver nanoparticles: the powerful nanoweapon against multidrug-resistant bacteria DOI: 10.1111/j.1365-2672.2012.05253.x

 

Uso da nanotecnologia em recursos energéticos

Recentemente há uma preocupação na questão dos recursos energéticos, fazendo com que há uma busca constante de novas fontes e alternativas para produção de energia. Uma tecnologia que está atualmente em debate é o uso de células a combustível, que são conversores de energia química em energia elétrica com aplicação em eletrônicos portáteis, como laptops, celulares,etc. Para que haja uma alta eficiência desses conversores é empregado a nanotecnologia.

Nanomateriais possuem propriedades que vai desde aplicações biológicas até aplicação como catalisadores. O grande potencial no uso de catalisadores nanométricos se dá pela sua alta área superficial que materiais nessa escala apresentam.

Figura  1- Representação esquemática de uma célula a combustível do tipo DMFC (fonte: adaptado de VASQUEZ. 2007)

Atualmente o material usado como catalisador são nanopartículas de platina, porém esse material possui um efeito chamado de “envenenamento” (KAMARUDIN, 2009), que consiste em moléculas de CO serem adsorvidos na superfície do nanomaterial, diminuindo a eficiência do catalisador. Para contornar esse problemas, algumas ligas bimetálicas, em geral com Rutênio, é usado para oxidar o CO em CO2 (NILSSON et al, 2008).

Uma alternativa é uso de outros nanomateriais. O ouro em escala macro exibe certa inercia química, porém na escala nanométrica, o ouro é capaz de oxidar várias substâncias.

Em células a combustível do tipo DMFC (Direct Methanol Fuel Cell – Célula a Combustível Diretamente do Metanol-figura 1) o material catalítico deve eletro-oxidar a molécula do metanol. Nesse processo eletroquímico, há a liberação de elétrons que direcionado a um circuito da qual no final do processo é usado pelo catodo para reduzir o oxigênio (oriundo do ar) em água. Na figura 2, há um esquema das possíveis etapas durante a eletro-oxidação do metanol.

Figura 2 – Esquema representativo das etapas e possíveis intermediários na eletro-oxidação do metanol (fonte: KAMARUDIN, 2009)

 

O tipo de suporte para o catalisador tem influencia na eficiência. Os suportes com maiores

Figura 3 – Diferentes tipos de materiais a base de carbono: A) Esfera de Carbono. B) Carbono mesoporoso. C) Carbono Vulcan (fonte: ANTOLINI, 2009)

áreas superficiais e com condutividade elétrica possuem os melhores desempenho (ANTOLINI, 2009). Em geral é usado o carbono Vulcan XC 72 como suporte por ser um material de custo relativamente baixo e com boas qualidades elétricas e térmicas quando comparado com outros materiais. A figura ao lado mostra porque o carbono Vulcan XC 72 possui melhores propriedades quando comparado com esferas de carbono. É possível perceber que o carbono Vulcan possui tamanho menor, o que lhe concebe uma área superficial maior.

O uso não se restringe apenas a um material, estudos são realizadas com nanotubos de carbono, nanopartículas de sílica entre outros materiais que exibem estabilidade térmica e alta área superficial.

Um estudo de YAN e colaboradores, avaliou o desempenho de nanopartículas de ouro na eletro-oxidação de álcoois. O catalisador foi sintetizado via redução direta do ouro no carbono Vulcan. A preparação do eletrodo foi realizada com uma mistura do catalisador com uma solução de Náfion (polímero condutor usado em célula a combustível). A figura 4 mostra voltamogramas cíclicos da eletro-oxidação dos álcoois (metanol, etanol e etileno glicol). No metanol pode-se chegar a uma corrente de até 70mA por mg de ouro, no etanol quase 450 mA por mg de ouro e em etileno glicol 700mA por mg de ouro.  Na cronoamperometria, os resultados demonstraram que o catalisador possui alta resistência ao envenenamento.

Yan et al; 2011 sugere um mecanismo para a eletro-oxidação (figura 5), em que ocorre inicialmente uma pré-oxidação em potenciais mais baixos, adsorção de -OH na superfície do ouro que contribui significantemente para a eletro-oxidação da espécie alcoólica.

Voltametriia Cíclica de Au/C em A)Metanol; B) Etanol; C)Etileno Glicol. Em D) uma cronoamperometria.

Figura 5 – Mecanismo idealizado para a eletro-oxidação do metanol (fonte: YAN, 2011)

 Essa capacidade do ouro em adsorver e oxidar espécies químicas é inerente ao seu tamanho, que por conter muitos átomos na superfície, diminui o número de coordenação aumentando a energia no orbital d tendo mais compatibilidade com o orbital 2p do oxigênio. A figura 6-A mostra a relação do número de coordenação com a energia de ligação das espécies  CO, O2 e O, que chega  a um nível energético exotérmico com um número de coordenação muito baixo. Isso resulta em habilidades catalíticas em temperaturas ambiantes, ao contrário da platina e do paládio (SCHAEFER, 2010).

Figura 6 – Relação do tamanho de partícula do ouro e sua propriedade catalítica (fonte: adaptado de SCHAEFER, 2010).

Referências

ANTOLINI, Ermete. Carbon supports for low-temperature fuel cell catalysts. Applied Catalysis B: Environmental. Vol. 88. pag. 1–24. 2009

KAMARUDIN, S.K. ACHMADA, F. DAUD, W.R.W. Overview on the application of direct methanol fuel cell (DMFC) for portable electronic devices. International journal of hydrogen energy. Vol 34. p. 6902 – 6916. 2009.

NILSSON, Anders; PETTERSSON, Lars GM; NØRSKOV, Jens K. Chemical Bonding at Surfaces and Interfaces. Capítulo 6 In___:, Chemical Bonding at Surfaces and Interfaces. Londres. Springer. 2008.

SCHAEFER, Hans-Eckhardt. Nanoscience: the Science of the Small in Physics, Engineering, Chemistry, Biology and Medicine. Springer. Londres. 2010.

YAN, Shaohui. GAO, Lizhen. ZHANG, Shichao. ZANG, Weike. LI, Yuzhen. GAO, Lili. Synthesis of Au/C catalyst with high electrooxidation activity. Electrochimica Acta. Vol 94. p. 159-164. 2013.

YAN, Shaouhui. ZHANG, Shichao. LIN, Ye. LIU, Guanrao. Electrocatalytic Performance of Gold Nanoparticles Supported on Activated Carbon for Methanol Oxidation in Alkaline Sorylution. The Journal of Physical Chemistry. Vol 115. Pag. 6986 – 6993. 2011

VASQUEZ, L.O. Fuel cell research trends. Nova Science Publishers, Inc. Nova Yourk. 2007.