O Laboratório de Nanoestruturas e Interfaces utiliza a observação e a caracterização de nanoestruturas para a investigação de diversos fenômenos físico-químicos envolvendo materiais orgânicos, inorgânicos e seres vivos microscópicos, notadamente em bactérias e nas interfaces ar-líquido e líquido-sólido. A abordagem é multidisciplinar, sendo feitas diversas colaborações com químicos, biólogos e matemáticos. Realiza-se tanto a pesquisa básica como aquela voltada para alguma aplicação potencial, estas últimas feitas muitas vezes em colaboração com empresas.

Biologia bacteriana

A parte biológica inclui estudos sobre bactérias e fungos, seu comportamento sob determinadas condições, materiais que produzem e substâncias capazes de destruí-los. Um exemplo são as pesquisas com a bactéria Acidithiobacillus ferrooxidans. Ela é usada em indústrias de processamento de minério de ferro, pois é capaz de lixiviar o cobre, um resíduo dessa atividade que precisa ser eliminado para não contaminar o solo. Após a ação da bactéria, o cobre entra em suspensão e fica fácil retirá-lo. Esses micróbios produzem sobre si uma “capa” protetora de polímero, que foi estudada pelos membros do grupo no nível da sua nanoestrutura.

Em outro trabalho a equipe observou como essas mesmas bactérias se associam em grupos, com forma de anel, quando submetidas a certas condições adversas – trata-se de um mecanismo de defesa, que as permite formar menos material para sua cobertura polimérica protetora. Outra investigação interessante foi sobre a ação de um bactericida e fungicida formado por lipopeptídeos produzidos por outra bactéria, a Bacillus subtilis. O que foi investigado nesse caso foram nanoestruturas formadas na superfície externa da parede celular sob a ação dessa substância, que forneceram indicações sobre como a mesma age sobre a célula.

A bactéria Acidithiobacillus ferrooxidans. Imagem feita com microscópio de força atômica

Nanoestruturas em surfactantes e em interfaces água-ar e água-sólido

Os métodos usados para observar nanoestruturas biológicas são também utilizados para os estudos da interface líquido-ar e líquido-sólido. A fronteira entre a água e o ar em bolhas possui várias características interessantes – por exemplo, há evidências de nanoestruturas dinâmicas formadas por pequenos grupos de moléculas de água que se fazem e se desfazem continuamente. As estruturas tornam-se particularmente interessantes quando na água estão presentes surfactantes – substâncias cujas moléculas são capazes de se associar espontaneamente formando micelas com diâmetro de até algumas dezenas de nanômetros de diâmetro.

Os surfactantes constituem um ativo campo de estudos, não só por serem o material de que são feitos sabões, detergentes e xampus, mas também por seu potencial para a nanociência. As micelas formadas dentro do meio aquoso por essas substâncias possuem propriedades e comportamentos diversos. Pode-se, por exemplo, aproveitá-las para carregar medicamentos no seu interior através da corrente sanguínea. Muitas possibilidades aparecem quando elas se associam espontaneamente em estruturas periódicas. Nesse caso, elas podem servir de “molde” para se produzir nanoestruturas periódicas (como os filmes mesoporosos – finíssimas películas porosas com diversas aplicações promissoras que estão sendo investigados no mundo todo).

Outra idéia é utilizar as associações entre as micelas para produzir dispositivos eletrônicos com potencial para substituir os de semicondutor no futuro, contribuindo para a nanotecnologia. O grupo tem investigado essas possibilidades de se manufaturar nanoestruturas e dispositivos com os sistemas água-surfactante. Como muitas vezes o sistema está sobre um substrato sólido (como a mica ou o PTFE), a interface sólido-líquido também é alvo das pesquisas – e, às vezes, as próprias superfícies sólidas também apresentam interessantes nanoestruturas.

Métodos experimentais – Técnicas de formação de imagens como a microscopia de força atômica (AFM), microscopia de varredura de tunelamento (STM) e a microscopia Raman confocal são utilizadas. Além dessas, são usadas difração de raios X e microbalança de quartzo, esta útil para investigar a forma da fronteira líquido-ar. O microscópio de força atômica, normalmente é usado para fazer imagens de materiais mais duros, mas o grupo tem adaptado sua utilização para a investigação de matéria “mole”, como líquidos, materiais biológicos dentro de líquidos e sistemas líquido-surfactante.

Espectro Raman de vários pontos do material depositado pela bactéria Acidithiobacillus ferrooxidans. Os picos dos gráficos dão indicações sobre a composição química do material

História do grupo

O grupo surgiu a partir de desenvolvimentos de pesquisas realizadas inicialmente no antigo Grupo de Energia, chefiado por João Alberto Meyer, formado por um número relativamente grande de professores e alunos de vários Institutos e Faculdades da Unicamp na esteira da crise energética causada pelo Primeiro Choque do Petróleo, em 1973. Um dos vetores de energia alternativa abordados por aquele grupo era o hidrogênio, em particular a sua produção a partir da catálise da água – um processo capaz de separar o oxigênio e o hidrogênio presentes na sua molécula. Uma das linhas de pesquisa nessa sub-área investigava detalhes da interface entre as bolhas de hidrogênio produzidas e a água ao seu redor, para compreender melhor os fenômenos envolvidos no processo e assim poder projetar métodos energética e economicamente mais eficientes de se extrair aquele gás.

As pesquisas nessa linha adquiriram autonomia e mais tarde configurou-se um grupo separado que estudava a interface ar-líquido sob diversos aspectos, não só para produção de hidrogênio. Após quase dez anos, outras linhas de estudos apareceram, em particular envolvendo interação com empresas – houve, inclusive, participação do grupo no Programa Proálcool (que mais tarde produziu os carros a álcool brasileiros) e diversas cooperações com indústrias.

Quando um microscópio de força atômica foi comprado pela Unicamp, o grupo voltou com energia para os estudos da interface ar-água, agora com o auxílio do novo equipamento. Além disso, passou-se também a explorar o potencial do aparelho para estudar nanoestruturas de diversos tipos, em materiais orgânicos, inorgânicos e biológicos. O estudo das interfaces ar-líquido, associado com a pesquisa em nanoestruturas levou à diversificação das pesquisas na direção da biologia e da físico-química dos surfactantes. Ampliaram-se assim as interações com biólogos, químicos e matemáticos na realização de pesquisas multidisciplinares.