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TECNOLOGIAS DE MICRO E NANO-PROCESSAMENTO

2010

Materiais

nanoestruturados Estruturas de Carbono, Nanopartículas,

Nanocápsulas e Quantum Dots.

Casos de estudo em Nanobiotecnologia.

Ismael Filipe Correia de Castro

P R O G R A M A D O U T O R A L E M E N G E N H A R I A F Í S I C A – U N I V E R S I D A D E D E A V E I R O

1

Índice

1. Sumário ............................................................................................................................................... 2

2. Estruturas de Carbono ......................................................................................................................... 3

2.1 Fulerenos ..................................................................................................................................... 4

2.1.1 Aplicações dos fulerenos ....................................................................................................... 5

2.2 Nanotubos de Carbono ................................................................................................................. 7

2.2.1 Síntese de nanotubos de carbono ........................................................................................10

2.2.2 Propriedades dos nanotubos de carbono .............................................................................13

2.2.3 Aplicações dos nanotubos de carbono .................................................................................14

3 Nanopartículas ....................................................................................................................................16

4.0.1 Tipos de nanopartículas .......................................................................................................18

4.0.2 Síntese de nanopartículas ....................................................................................................19

4.0.3 Aplicações das nanopartículas .............................................................................................20

4.1 Nanocápsulas ..............................................................................................................................21

4.2 Quantum Dots .............................................................................................................................24

4.2.1 Síntese de quantum dots .....................................................................................................28

4.2.2 Aplicações dos quantum dots ...............................................................................................29

4 Casos de Estudo em Nanobiotecnologia ..............................................................................................29

4.1 Aneeve Nanotechnologies ...........................................................................................................29

4.2 CENIMAT-i3N...............................................................................................................................31

5 Biosensor de DNA desenvolvido no CENIMAT-i3N ...............................................................................32

5.1 Nanopartículas de ouro ...............................................................................................................32

5.1.2 Síntese e funcionalização de AuNPs .....................................................................................34

5.2 Deteção colorimétrica de DNA com AuNPs ..................................................................................34

5.3 Biosensor de DNA ........................................................................................................................36

5.3.1 Fabrico do fotodetector de TiO2 ...........................................................................................39

5.3.2 Performance de fotodetector e biosensor de DNA ...............................................................41

5.3.3 Conclusões...........................................................................................................................43

Referências Bibliográficas ...........................................................................................................................44

Índice de Figuras .........................................................................................................................................45

Índice de Tabelas ........................................................................................................................................46

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1. Sumário

Pretende-se com este trabalho abordar alguns tipos de materiais nanoestruturados, assim

como dar a conhecer aquilo que actualmente se faz de melhor a nível de nanotecnologia, e

particularmente em nanobiotecnologia, recorrendo a este tipo de materiais.

Um material nanoestruturado pode ser considerado qualquer material com um

constituinte de interesse com pelo menos uma dimensão à nanoescala (inferior a 100 nm), o que

inclui uma variedade muito extensa de materiais. Neste trabalho abordam-se em particular os

nanomateriais constituídos unicamente por átomos de carbono (fulerenos e nanotubos) e faz-se

uma visão geral sobre as nanopartículas, com referência mais específica às nanocápsulas e aos

quantum dots (nanopartículas semicondutoras), tendo sempre em conta as suas aplicações.

Inclusivamente, são apresentados dois casos de estudo de instituições com investigação de

sucesso na área da nanotecnologia, dando ênfase às aplicações desenvolvidas na área da

nanobiotecnologia, nomeadamente em biosensores, sobre os quais é apresentado um trabalho

específico desenvolvido em Portugal, no âmbito de um biosensor de DNA com base em

nanopartículas de ouro.

Este foi um trabalho de pesquisa, tendo sido utilizada uma metodologia baseada na

pesquisa bibliográfica (livros, artigos científicos e páginas na internet), assim como contacto com

investigadores cujo trabalho é mencionado.

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2. Estruturas de Carbono

O Carbono é considerado o elemento da vida, pois é a base de todas as moléculas

orgânicas. Existem milhões de compostos de Carbono, pois este tem uma capacidade

extraordinária de se combinar das formas mais variadas com outros átomos, formando diferentes

cadeias e anéis. No entanto, em termos de estruturas compostas unicamente por átomos de

carbono (estruturas cristalinas), até 1985 conheciam-se apenas dois tipos, o diamante e a grafite

(Fig. 1), que estão presentes na natureza, para além das estruturas amorfas (desordenadas), como

o carvão. Curiosamente, a grafite é frágil, opaca, semimetálica e barata, enquanto que o diamante

é duro, transparente, isolante e caro! A única diferença entre eles tem no entanto a ver com o tipo

de ligações que se estabelecem entre os átomos de carbono e a estrutura resultante dessas

ligações [1].

Figura 1 – Grafite e diamante [2].

Os átomos de carbono nestas estruturas cristalinas estão ligados por fortes ligações

covalentes. Um átomo livre de carbono tem a estrutura electrónica 1s22s22p2. De maneira a

formar ligações covalentes, um dos electrões 2s é promovido a 2p e as orbitais são depois

hibridizadas em uma de 3 maneiras possíveis. Na grafite, um dos electrões 2s hibridiza com dois

dos 2p para dar 3 orbitais sp2 cada uma a 120º da outra, com a orbital restante a ter uma

configuração pz, a 90º deste plano. As orbitais sp2 formam as fortes ligações covalentes entre os

átomos de C nos planos da grafite (nestes planos cada átomo de C une-se a 3 vizinhos, formando

uma estrutura de padrão hexagonal), enquanto que as orbitais pz ou π fornecem as fracas ligações

de Van der Walls entre os planos (Fig. 2). No diamante, cada átomo de C une-se a 4 vizinhos numa

estrutura tetraédrica e a ligação é sp3, resulta da mistura de uma orbital 2s com três orbitais 2p.

Como os planos da grafite podem deslizar uns sobre os outros, a grafite é mais frágil ainda que as

ligações sp2 dos planos da grafite sejam mais fortes do que as sp3 do diamante [3].

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Figura 2 – Ligações e estruturas atómicas de grafite e diamante (adaptada de [4]).

2.1 Fulerenos

Em 1985, dois cientistas ingleses, Harry Kroto e Richard Smalley (Nobel da Química em

1996), descobriram uma nova estrutura ordenada constituída apenas por átomos de carbono,

quando realizavam uma série de experiências de vaporização da grafite com laser, numa

atmosfera de hélio a alta temperatura. Esta descoberta não foi intencional, uma vez que estas

experiências visavam recriar processos nas estrelas. No entanto, esta vaporização da grafite veio a

revelar produtos extraordinários. A primeira estrutura observada foi o C60, uma estrutura com 60

átomos de carbono e a forma de uma bola de futebol, com 1 nm de diâmetro (Fig. 3). A sua

estrutura particular fez com que fosse apelidada originalmente de buckminsterfulereno, em

homenagem ao arquitecto Richard Buckminster Fuller, cujas cúpulas geodésicas faz lembrar.

Outro nome dado ao C60 é futeboleno (buckyball). A estrutura do C60 pode-se comprender se

imaginarmos um icosaedro com cada um dos 12 vértices substituido por um pentágono. Neste

processo, as 20 faces triangulares são transformadas em 20 hexágonos.

Figura 3 – A molécula de C60 [1].

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Pouco tempo depois descobriram-se outras estruturas semelhantes, outros membros desta

família de compostos a que se deu o nome de fulerenos. Os fulerenos têm uma estrutura

semelhante à grafite, que é composta por camadas de anéis hexagonais empilhadas (camadas de

grafeno), mas têm também anéis pentagonais e às vezes heptagonais. Os fulerenos definem-se

então como estruturas fechadas, obtidas a partir da grafite, compostas não só por anéis

hexagonais mas também pentagonais e às vezes heptagonais.

Figura 4 – Exemplos de outros fulerenos: C70 (esquerda) e C540 (direita) [1].

O C60 é o fulereno mais importante, sendo a molécula mais simétrica que existe (permite

cerca de 120 operações de simetria, tais como rotações em torno de um eixo). Na molécula de

C60, cada átomo de C está ligado a 3 vizinhos, por isso a ligação é essencialmente sp2, havendo

também uma pequena quantidade de ligações sp3 devido à curvatura. O mesmo se verifica nos

outros fulerenos. Os 12 pentágonos e 12 hexágonos que constituem a molécula de C60 não são

números ao acaso, mas um requisito do teorema de Euler, que diz que são necessários 12

pentágonos para construir uma estrutura fechada a partir de uma matriz hexagonal planar. Os

fulerenos maiores (e.g. C70, C82, C540) têm estruturas semelhantes com exactamente 12

pentágonos, mas com número diferente de hexágonos. O fulereno mais pequeno é o C20, que

contém apenas 12 pentágonos e nenhum hexágono [3,5].

2.1.1 Aplicações dos fulerenos

O facto importante para a nanotecnologia é que, dentro destas moléculas, podem ser

colocados átomos. Além disso, podem também ligar-se átomos por fora, formando sais nesse caso

[3]. Os fulerenos são solúveis em solventes orgânicos e têm várias propriedades químicas e

biológicas interessantes que permitem utilizá-los em diversas aplicações, tais como:

6

Células fotovoltaicas orgânicas – os fulerenos comportam-se como semicondutores do tipo

n (aceitadores de electrões), podendo ser usados em conjunto com um polímero do tipo p

para formar a camada activa (heterojunção) de uma célula fotovoltaica orgânica (Fig. 5). As

eficiências actuais destas células rondam actualmente os 7% [6], e Dennler et al. sugeriram

em 2009 que poderão ser alcançadas eficiências de cerca de 20% usando um dispositivo de

heterojunção polímero/fulereno [7].

Figura 5 – Representação esquemática de uma célula fotovoltaica orgânica de heterojunção polímero/fulereno [6].

Antioxidantes e biofarmacêuticos – reagem rapidamente e a altas taxas com radicais livres,

que são muitas vezes a causa de processos oxidativos que resultam em danos ou morte

celular. Os fulerenos comportam-se como esponjas de radicais livres, podendo absorver e

neutralizar 20 ou mais radicais livres por molécula de fulereno, demonstrando uma

performance cerca de cem vezes superior aos melhores antioxidantes usados actualmente,

como a vitamina E. Existem já cremes para a pele baseados em C60. Uma aplicação

promissora do potencial antioxidante dos fulerenos é na área da saúde, em farmacêuticos

para prevenção de doenças neurodegenerativas relacionadas com stress oxidativo, como a

doença de Alzheimer. Outras aplicações importantes são na prevenção de processos de

deterioração de plásticos ou corrosão metálica.

Catalisadores – têm uma capacidade marcada de aceitar e transferir átomos de hidrogénio,

sendo altamente eficientes a promover a conversão de metano em hidrocarbonetos

maiores;

Supercondutores – quando formam sais, a condutividade eléctrica dos fulerenos aumenta

bastante, e.g. K3C60 é supercondutor a 18K e Rb3C60 a 30K (temperaturas de transição ainda

baixas);

7

2.2 Nanotubos de Carbono

Os nanotubos são uma estrutura particular de fulereno, em forma de tubo, possivelmente

com uma importância superior devido às suas propriedades únicas. Apesar de terem sido

observados e reportados anteriormente, a sua descoberta atribui-se ao japonês Sumio Iijima, em

1991. Os nanotubos podem ser descritos como tubos de grafite (anéis hexagonais), com um

diâmetro de alguns nm e comprimentos que podem chegar a alguns cm (consideram-se estruturas

1D), fechados em cada ponta por uma metade de uma molécula de C60, cada uma com 6 anéis

pentagonais [5]. Dependendo da forma como se divide a molécula de C60, existem duas formas

simétricas de nanotubo possíveis: zig-zag e armchair (Fig. 6).

Figura 6 – As duas estruturas simétricas de nanotubo possíveis, a) zig-zag (9,0); b) armchair (5,5) [5].

Na verdade, os nanotubos obtidos na prática experimental não têm geralmente estas formas tão

simétricas, mas sim estruturas em que os hexágonos estão enrolados helicoidalmente em torno do

eixo do tubo, denominadas estruturas quirais (Fig. 7). As pontas dos nanotubos também só

raramente são hemisférios, mas podem ter uma variedade de formas, como exemplifica a Fig. 8.

Nas pontas dos nanotubos verifica-se sempre a presença de anéis de carbono pentagonais e, em

formas mais complexas, para além destes observam-se também anéis heptagonais [5].

Figura 7 – Nanotubo com estrutura quiral, em que a camada de grafeno é enrolada helicoidalmente [5].

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Figura 8 – Ponta típica de um nanotubo de parede múltipla (MWNT), escala 5 nm [5].

A estrutura de um nanotubo pode ser entendida imaginando uma camada de grafeno a ser

enrolada num cilindro. A forma como se dá esse enrolamento é que vai definir a estrutura do

nanotubo, particularmente as suas propriedades electrónicas, e representa-se por um vector de

coordenadas (m,n), 𝑅 =𝑚𝑎1 + 𝑛𝑎2 , que junta os pontos que ao enrolar se sobrepõem (𝑎1 e 𝑎2

são os vectores unitários da camada de grafeno) [3]. Quando n=0, a estrutura é zigzag; se m=n, a

estrutura é armchair e todos as outras estruturas possíveis são quirais. Uma propriedade

interessante, e intrigante, é que, dependendo do diâmetro e da quiralidade, os nanotubos podem

ter propriedades de metal ou de semicondutor (Fig. 9). As estruturas armchair são metálicas,

assim como estruturas quirais em que m-n é múltiplo de 3. As estruturas zig-zag e quirais em que

m-n não seja múltiplo de 3, têm propriedades semicondutoras.

Figura 9 – Propriedades electrónicas de nanotubos variam consoante o seu diâmetro e quiralidade [3].

Quanto ao número de camadas de grafeno que constituem as paredes cilíndricas dos

nanotubos, estes podem classificar-se em nanotubos de parede simples (SWNT: single-walled

nanotubes) ou de parede múltipla (MWNT: multi-walled nanotubes). A maior parte dos nanotubos

9

de parede simples tem cerca de 1 nm de diâmetro (podem ter até cerca de 20 nm), e um

comprimento que pode ser muitos milhões de vezes maior. Os SWNT têm propriedades eléctricas

únicas, que não são partilhadas pelos MWNT (e.g. podem ser excelentes condutores ou

semicondutores equiparáveis ao silício). São por isso os mais prováveis candidatos para a futura

miniaturização da electrónica, da micro para a nanoelectrónica. Os SWNT tendem a aglomerar-se

em “cordas” (ropes), devido a atrações de Van der Walls (e.g. Fig. 10) [9].

Figura 10 – Imagem HRTEM de corda de nanotubos [10].

Os MWNT são nanotubos com uma parede de várias camadas, resultando num diâmetro

entre 10 a 200 nm, com um espaço entre camadas de cerca de 0,35 nm (Fig. 11). A maior parte

dos estudos defende uma estrutura tipo boneca russa, ou seja, de vários nanotubos concêntricos,

com os de menor diâmetro dentro dos maiores. Desta forma podemos ter uma variedade muito

grande de estruturas, dependendo do tipo de nanotubo em cada camada, o que resulta em

propriedades não uniformes. Uma minoria defende uma estrutura que resulta do enrolamento de

uma só camada de grafite (como um jornal enrolado) [10].

Figura 11 – Estrutura e imagens HRTEM de SWNT (a,b) e MWNT (c,d) [5].

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Dentro dos MWNT, os nanotubos de parede dupla (DWNT: double-walled nanotubes) são

importantes pois têm morfologia e propriedades semelhantes aos SWNT, mas maior resistência a

químicos. A ligação de químicos à superfície dos nanotubos é importante para que estes adquiram

funções químicas que não possuíam anteriormente (funcionalização). Nos SWNT, a ligação de

outras moléculas vai quebrar as ligações C-C, deixando falhas na estrutura do nanotubo que

modificam as propriedades mecânicas e eléctricas. No caso dos DWNT, só a camada externa é que

é modificada.

Figura 12 – Imagens TEM de MWNT (esquerda), DWNT (centro) e MWNT (direita).

2.2.1 Síntese de nanotubos de carbono

Existem essencialmente três técnicas principais para produzir nanotubos de carbono (de

parede simples e múltipla): arco eléctrico, ablação a laser e CVD (Chemical Vapor Deposition).

Arco eléctrico

O arco eléctrico foi o primeiro método utilizado e é talvez o mais simples. Consiste em

colocar dois eléctrodos de carbono (normalmente grafite) numa atmosfera de He ou Ar a baixa

pressão, colocados muito próximos um do outro, a cerca de 1 mm (Fig. 13). Ao aplicar uma

corrente entre 50 a 100 A, conduzida por uma tensão de cerca de 20 V, produz-se uma descarga

de alta temperatura que leva à evaporação do ânodo e formação de nanotubos de carbono que se

depositam no cátodo [11, 12].

Figura 13 – Representação esquemática básica do método do arco eléctrico [11].

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Para produzir MWNTs, usam-se dois eléctrodos de grafite pura, enquanto que para

produzir SWNTs, são inseridos catalisadores metálicos no ânodo (Fig. 14). Foram experimentados

vários metais e combinações metálicas, para obter bom rendimento e qualidade de nanotubos, e a

melhor combinação encontrada foi uma mistura de Ni e Y [12].

Figura 14 – Produção de SWNTs e MWNTs pelo método do arco eléctrico [12].

A técnica do arco eléctrico permite produzir facilmente SWNTs e MWNTs, com poucos

defeitos estruturais. No entanto, os nanotubos tendem a ser curtos, com direções e tamanhos

aleatórios e normalmente requerem muita purificação pós-síntese.

Ablação a laser

Na ablação a laser, um alvo de grafite é colocado num forno a 1200˚C e vaporizado por um

laser pulsado ou contínuo. Dentro do forno, a atmosfera é de He ou Ar a uma pressão de 500 Torr

(1 atm = 760 Torr) e em regime de fluxo. O gás recolhe os produtos da vaporização e deposita-os

como fuligem (processo de condensação) num substrato de cobre arrefecido com água (Fig. 15 ).

Figura 15 – Representação esquemática da técnica de ablação a laser [12].

12

O depósito é composto por nanotubos com paredes de 4 a 24 camadas e comprimentos

até 300 nm, além de outras estruturas incluindo possivelmente fulerenos. Para produzir SWNTs,

os alvos são misturados com pequenas percentagens de metal catalisador (e.g Co-Ni ou Ni/Y). A

ablação a laser é semelhante ao arco eléctrico, no sentido em que o gás e a mistura catalisadora

óptimos são os mesmos, o que sugere mecanismos de reação química idênticos. Os nanotubos

produzidos por ablação a laser são mais puros do que os produzidos por arco eléctrico, no entanto

esta técnica é mais cara [10-12].

CVD

A técnica de CVD basicamente consiste no aquecimento de um material, normalmente sob

vácuo, para formar um gás de material nanoparticulado que depois se deposita como sólido numa

superfície. Para produzir nanotubos por CVD, utilizam-se hidrocarbonetos como fontes de carbono

(e.g. metano, acetileno). A alta temperatura (650 a 1000˚C) quebra estas moléculas em átomos de

carbono, que depois se depositam sobre um substrato revestido com partículas metálicas

catalisadoras (Fe, Co ou Ni). O substrato de metais catalisadores é normalmente produzido por

sputtering (pulverização catódica) do metal num substrato e usando etching químico (e.g. com

amónia) ou annealing térmico para induzir a nucleação das partículas catalisadoras. O annealing

térmico resulta na formação de um cluster (aglomerado) no substrato, a partir do qual os

nanotubos vão crescer. As vantagens das técnicas de CVD são que permitem um excelente

alinhamento e controlo posicional à escala nanométrica, assim como controlo do diâmetro e taxa

de crescimento, dependendo das condições de síntese. É mais fácil produzir nanotubos em larga

escala por CVD do que pelas outras técnicas, já que é um processo e que permite obter nanotubos

longos e de alta pureza [11,12].

Existem muitas técnicas de CVD (e.g. plasma-enhanced, térmica, a baixa pressão, com

precursores metalorgânicos, etc.), mas há uma que merece menção especial na síntese de

nanotubos de carbono, que é a CVD de conversão de monóxido a alta pressão (HiPCO). Em vez de

utilizar um hidrocarboneto como precursor, este método alimenta CO a alta pressão (30 a 50 atm)

como fonte de carbono. É possível obter uma produção em relativa larga escala (10 g/dia) de

SWNTs de alta pureza por fluxo de CO a alta pressão em clusters catalíticos de ferro, que se

formam in situ da decomposição de Fe(CO)5 e condensação de átomos de ferro.

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2.2.2 Propriedades dos nanotubos de carbono

Os nanotubos de carbono são o material mais forte e rígido conhecido, o que se deve à

ligação sp2 do carbono, que é a ligação química mais forte que existe. Ao longo do eixo, os

nanotubos exibem excelentes propriedades mecânicas devido à natureza destas ligações. Há

muitos valores experimentais diferentes reportados para o módulo de Young e resistência à

tracção dos nanotubos, dependendo do protocolo e do volume do tubo assumido. No entanto, o

módulo de Young é normalmente entre 1 a 1.5 TPa e a resistência à tração tem valores nas

dezenas de GPa (muito superior aos 1.2 Gpa de uma liga de aço-carbono) [10, 11, 13].

Inicialmente, o método para medir o módulo de Young de um nanotubo era por microscopia

electrónica de transmissão (TEM), a partir das vibrações geradas termicamente. Mais tarde, foram

possíveis medições directas utilizando microscopia de força atómica (AFM). Tanto o módulo como

a resistência à tração são altamente dependentes do método de síntese dos nanotubos e

subsequente processamento.

Os nanotubos são altamente flexíveis, podendo dobrar-se repetidamente até 90˚ sem

partir ou danificar [13]. Na Tabela 1 podem-se comparar estas propriedades mecânicas dos

nanotubos com as de outros materiais conhecidos. Como se pode verificar, para além de

possuirem excelentes valores de módulo de Young e resistência á tração, os nanotubos têm baixa

densidade relativamente a metais. Os valores são referentes à direção axial do tubo, sendo que os

nanotubos não são tão rígidos na direção radial.

Tabela 1 – Propriedades mecânicas dos nanotubos de carbono e outros materiais conhecidos [9].

Propriedades mecânicas

Módulo de Young (GPa) Resistência à tração Densidade

SWNT 500 – 1500 20-100 ~ 1

MWNT 200 – 1000 10-60 2.16

Aço 200 0.400 7.86 Alumínio 70 0.11 2.71

Em termos de propriedades eléctricas, os nanotubos exibem igualmente propriedades

extraordinárias. A resistividade medida em cordas de SWNTs é da ordem dos 10-4 Ω.cm, o que

significa que as cordas são as fibras de carbono mais condutivas que existem. Os nanotubos

exibem a chamada condução balística, que consiste na condução eléctrica em que os electrões

seguem um percurso directo, ao contrário da normal difusão térmica, em que chocam com os

14

fonões. Assim, os nanotubos são capazes de conduzir correntes ao longo de distâncias muito

grandes, muito rapidamente e com muito poucas perdas.

A maior parte dos condutores eléctricos tem uma resistência finita positiva, o que faz com

que dissipem potência na forma de calor. A densidade de corrente não pode ser demasiado alta

senão o condutor derrete ou arde, ou o material isolador falha. A altas densidades de corrente, o

material que constitui a ligação eléctrica (interconnect), tipicamente Al ou Cu, começa mesmo a

mover-se, num fenómeno conhecido como electromigração. A densidade de corrente típica à qual

ocorre electromigração em interconnects de Cu ou Al é entre 106 e 107 A/cm2. Medições da

densidade de corrente em nanotubos deram valores superiores a 107 A/cm2 e, em teoria, os

nanotubos metálicos podem conduzir uma densidade de corrente eléctrica tão alta como 1013

A/cm2 [11]. Logo, os nanotubos poderão ser uma alternativa aos actuais interconnects de Al ou Cu

para resolver o problema da electromigração a altas densidades de corrente. Uma outra

propriedade eléctrica exibida pelos nanotubos é a emissão de campo (field emission), que permite

a um dispositivo emitir electrões em consequência da aplicação de um campo eléctrico. Os

nanotubos exibem emissão de campo para uma tensão de apenas algumas centenas de V,

emitindo correntes na ordem dos 0,1 mA.

Todos os nanotubos deverão ser muito bons condutores térmicos ao longo do tubo, mas

bons isoladores lateralmente ao eixo. Prevê-se que os nanotubos possam transmitir até 6000

W.m-1.K-1 à temperatura ambiente (a condutividade térmica do Cu é 385 W.m-1.K-1). A estabilidade

térmica dos nanotubos estima-se em 2800˚C em vácuo e 750˚C no ar *9, 10+.

2.2.3 Aplicações dos nanotubos de carbono

As propriedades superiores dos nanotubos fazem com que tenham aplicações em muitas

áreas da nanotecnologia, em electrónica, óptica, ciência de materiais, entre outras. Devido às suas

propriedades mecânicas, são usados para reforçar a rigidez de materiais compósitos de alta

performance, substituíndo as fibras de carbono tradicionais, o kevlar ou as fibras de vidro (os mais

resistentes até à data), em aplicações como equipamento aeroespacial sujeito a condições

extremas (existe mesmo um projecto para construir um elevador espacial com base nos

nanotubos de carbono [11, 14]), ou noutras mais “terra à terra”, como por exemplo a bicicleta

vencedora da Tour de France de 2006, constituída por fibra de carbono reforçada com nanotubos

[15]. Uma outra aplicação importante da rigidez e flexibilidade dos nanotubos é como sondas para

microscópios de força atómica e de efeito de túnel (STM) [13].

15

Devido às suas extraordinárias propriedades electrónicas, os nanotubos têm um grande

potencial para construção de partes electrónicas à nanoescala. Os nanotubos metálicos conduzem

melhor do que o Cu podendo ser utilizados em nanofios eléctricos e os nanotubos semicondutores

comportam-se como o Si. Logo, são grandes candidatos para substituir o Si e permitir passar da

micro para a nanoelectrónica. É possível obter nanodíodos numa única molécula, por fusão de

dois nanotubos com quiralidades diferentes, um condutor e outro semicondutor (Fig. 16) [13].

Figura 16 – Díodo rectificador com nanotubos [16].

Figura 17 – FET com nanotubos (IBM) [17].

Em transístores de nanotubos como o esquematizado na Fig. 17, os nanotubos individuais

(SW ou MW) funcionam como o canal do transístor de efeito de campo (FET). Foi também possível

desenvolver a primeira porta lógica intramolecular, usando FETs de SWNTs. Uma vez que os

SWNTs são p-FETs quando expostos a oxigénio e n-FETs quando não expostos, protegendo metade

de um SWNT da exposição ao O2 produz-se um SWNT que funciona como porta lógica NOT [15].

Estes são os primeiros passos para o desenvolvimento de circuitos mais complexos. Alguns

problemas nesta passagem da micro para a nanoelectrónica com os nanotubos estão relacionados

com pequenas variações na condutividade dos nanotubos, assim como com a necessidade de dar

formas específicas aos componentes, ou crescer nanotubos em direções específicas.

O processo de emissão de campo nos nanotubos poderá ser vantajoso em várias

aplicações, tais como iluminação e ecrãs planos de alta definição. A forte capilaridade dos

nanotubos de carbono, associada à grande rácio superfície/peso, torna-os ideais para absorção de

gás, o que tem aplicação no armazenamento de gás em células de combustível. Devido à sua

fluorescência no infravermelho próximo (NIR), os nanotubos são bons candidatos para serem

usados como biosensores ópticos, para detectar alvos específicos no corpo humano, ligando-os

por exemplo a proteínas com ligação específica às células alvo [13].

16

3 Nanopartículas

Uma nanopartícula pode ser definida como a unidade mais pequena que se comporta

como um todo em termos de propriedades e transporte, com pelo menos uma das dimensões

inferior a 100 nm [18]. No entanto, esta limitação na definição de tamanho não é rígida, até

porque existem várias aplicações interessantes com partículas de algumas centenas de nm. As

nanopartículas com tamanhos entre 1 e 100 nm são também classificadas como ultrafinas [18, 19].

Embora a maioria das moléculas esteja dentro destas dimensões, normalmente as moléculas

individuais não são referidas como nanopartículas. As nanopartículas são maiores do que os

átomos ou moléculas individuais, mas menores do que o sólido maciço. Logo, não obedecem nem

à química quântica nem às leis da física clássica, tendo propriedades que diferem bastante do

esperado [19].

A transição das micro para as nanopartículas leva a grandes mudanças nas propriedades

físicas, provocadas por dois principais fenómenos que se observam nesta transição: o aumento da

rácio área superficial / volume e o aumento da predominância dos efeitos quânticos. O aumento

da rácio área superficial / volume leva a um aumento da dominância do comportamento dos

átomos à superfície da partícula sobre os átomos interiores (por exemplo, uma nanopartícula de

CdS com 4 nm tem cerca de 1500 átomos, 500 dos quais estão na superfície). Esta dominância dos

átomos superficiais sobre os átomos interiores traduz-se em propriedades interessantes e por

vezes inesperadas das nanopartículas (e.g. nas células fotovoltaicas, a absorção de luz é muito

maior em materiais compostos por nanopartículas do que em filmes finos de folhas contínuas de

material). Além disso, o facto de as nanopartículas terem dimensões inferiores ao comprimento de

onda da luz torna-as transparentes, uma propriedade que as torna úteis para aplicações como

revestimentos, cosmética ou electrónica transparente. No entanto, nem sempre as propriedades

físicas adquiridas pelas nanopartículas são desejáveis, por exemplo os materiais ferroeléctricos

inferiores a 10 nm podem inverter a sua direção de magnetização usando a energia térmica da

temperatura ambiente, logo tornam-se desadequados para armazenamento de memória.

O aumento da predominância dos efeitos quânticos é mais notável em metais e

semicondutores e ocorre porque o tamanho da nanopartícula se torna comparável ao

comprimento de onda de de Broglie dos seus portadores de carga [19]. Devido ao confinamento

espacial dos portadores, os limites das bandas de valência e de condução dividem-se em níveis

discretos, quantizados, semelhantes aos de átomos e moléculas (Fig. 18). À medida que os

17

tamanhos das partículas diminuem, o espaçamento dos níveis electrónicos e a bandgap

aumentam, porque os pares electrão-lacuna estão muito mais próximos e as interações de

Coulomb entre eles não podem ser negligenciadas, aumentando a energia cinética total.

Figura 18 – Bandas de condução e valência nos estados maciço, nanoparticulado e atómico de um metal (A) e de um semicondutor (B) [20].

Devido aos fenómenos únicos que ocorrem nas nanopartículas, é possível controlar

selectivamente as suas propriedades, variando o tamanho, morfologia e composição das

partículas produzidas. Assim, é possível alterar completamente as propriedades do material

maciço, o que quando feito controladamente, permite melhorar as propriedades dos materiais. As

nanopartículas podem, entre outras coisas, tornar os metais mais fortes e resistentes, as

cerâmicas mais maleáveis e flexíveis ou transformar materiais normalmente isoladores em

condutores térmicos/eléctricos. Por esta razão, a nanotecnologia levou e continuará a levar

durante o século XXI, a uma revolução a nível industrial, pela re-engenharia de muitos produtos

existentes e desenvolvimento de novos produtos, processos e aplicações.

O termo nanopartícula é muito genérico e muitas vezes usado para englobar materiais que

têm termos específicos que os descrevem melhor, como as nanocápsulas, os quantum dots

(pontos quânticos), os dendrímeros (polímeros globulares) ou os materiais nanoporosos. Devido

às suas características especiais, cada um destes tipos de nanopartículas merece um tratamento

18

individual, sendo que as nanocápsulas e os quantum dots são abordados nos subcapítulos

seguintes deste trabalho.

4.0.1 Tipos de nanopartículas

As nanopartículas podem ser feitas de uma variedade muito grande de materiais, podendo

classificar-se em nanopartículas cerâmicas, metálicas (e.g. Pt, Ni, Co, Fe, Ag) e outras como as

poliméricas (e.g. nanopartículas de quitosano, que melhoram a absorção, sendo usadas por

exemplo em condicionadores de cabelo e cremes para a pele). Nesta classificação excluem-se os

tipos particulares de nanopartículas como os referidos anteriormente. O material mais comum da

nova geração de nanopartículas é a cerâmica, que se subdivide em cerâmica de óxidos metálicos

(e.g. TiO2, ZnO, Al2O3, Fe2O3) e nanopartículas de silicatos (óxidos de silício), geralmente na forma

de flocos de argila à nanoescala (Fig. 19) . As nanopartículas de silicato são flocos com cerca de 1

nm de espessura e 100 a 1000 nm de comprimento. Já são produzidas há muitos anos e o tipo de

argila mais comum usada é a montmorilonite. As nanopartículas em metal e em nanopós

cerâmicos de óxidos metálicos tendem a ter aproximadamente o mesmo tamanho em todas as 3

dimensões, desde os 2 ou 3 nm até algumas centenas (poderia-se esperar que partículas tão finas

se suspendessem no ar mas de facto elas formam um pó muito fino, sendo atraídas e mantidas

juntas por forças electrostáticas) [18].

A B

Figura 19 – Nanopartículas cerâmicas: A) de óxidos metálicos (Fe3O4); B) de silicato (SiO2) [21, 22].

As nanopartículas de metal puras, assim como as nanopartículas cerâmicas, podem ser

sinterizadas a temperaturas mais baixas do que as partículas maiores, levando a revestimentos

melhores e mais fáceis de criar (com aplicações electrónicas como em condensadores), assim

como a redução dos custos de fabrico. As nanopartículas cerâmicas de óxidos metálicos podem

também ser usadas para criar camadas finas, cristalinas ou amorfas. Já foram feitos fios

19

supercondutores de nanopartículas cerâmicas, criando um material relativamente flexível,

enquanto que os materiais de cerâmica tradicionais são muito frágeis.

4.0.2 Síntese de nanopartículas

Há uma grande variedade de técnicas de produção de nanopartículas, que se dividem

essencialmente em três processos: gasosos , líquidos e do estado sólido. As partículas podem

depois ser revestidas com substâncias hidrofílicas ou hidrofóbicas, dependendo da aplicação

desejada. Existe também o processo de auto-montagem (self-assembly), que não se encaixa

propriamente numa destas categorias, em que as nanopartículas se formam a partir de moléculas

que se agregam espontaneamente [18].

Os processos gasosos envolvem a vaporização de um metal sólido seguida da condensação

rápida do vapor para formar aglomerados de nanopartículas (nano-clusters) que se acumulam na

forma de um pó. Esta técnica é usada para produzir nanopartículas metálicas e cerâmicas de

óxidos metálicos. Para criar nanopartículas metálicas, utilizam-se gases inertes para evitar a

oxidação, enquanto que para produzir nanopartículas cerâmicas de óxidos metálicos é usada uma

atmosfera reactiva de oxigénio. Existem várias formas de vaporizar o metal e a variação do meio

no qual o vapor é libertado afecta a natureza e o tamanho das partículas, pela variação de

parâmetros como a temperatura, atmosfera gasosa e taxa de evaporação. A grande vantagem das

técnicas gasosas são os baixos níveis de contaminação.

Os processos líquidos consistem em crescer nanopartículas num meio líquido composto

por vários reagentes ou precursores químicos. Também chamados métodos coloidais, baseiam-se

em processos de precipitação em soluções (e.g. sol-gel). O tamanho final das partículas pode ser

controlado escolhendo químicos tais que formem partículas estáveis que parem de crescer a um

certo tamanho ou, tal como nos processos gasosos, parando o processo quando o tamanho

desejado é alcançado. Geralmente, as técnicas químicas são mehores do que as técnicas de

condensação de vapor para controlar a forma final das partículas. Os métodos são geralmente

baratos e de alto volume, mas a contaminação pelos químicos precursores pode ser um problema,

que pode interferir com um dos usos comuns das nanopartículas, o revestimento de superfícies

por sinterização (sintering).

Nos processos de estado sólido, é utilizado um método top-down para obtenção de

nanopartículas, através de técnicas como a moagem, trituração ou pulverização. Estas técnicas

podem ser usadas para produzir nanopartículas de materiais que não se conseguem produzir pelas

20

duas técnicas anteriores. O tamanho e propriedades das partículas resultantes variam em função

do material e tempo de moagem, assim como do meio atmosférico. A contaminação pelo material

de moagem pode ser um problema [18].

4.0.3 Aplicações das nanopartículas

As nanopartículas têm infindáveis aplicações nas mais variadas áreas, e.g.:

Catalisadores – à escala nanométrica, o ouro, por exemplo, torna-se um bom catalisador.

As nanopartículas de Au sobre um suporte poroso proporcionam um catalisador prático

que, num arranque a frio, decompõe os óxidos de azoto e o monóxido de carbono em

substâncias inócuas. Além disso, as nanopartículas de ouro são também um novo e

promisssor candidato a catalisador para as células de combustível.

Figura 20 – Nanopartículas de ouro para novos catalisadores [23].

Obturações dentárias – nanopartículas de apatite (fosfato de cálcio) permitem obturações

dez vezes mais rápidas de canais no esmalte do que preparados de apatite clássicos e a

camada remineralizada comporta-se exactamente como o material do dente;

Protectores solares – nanopartículas de ZnO têm propriedades de bloqueio de UV

superiores às do material maciço, tornando protectores solares mais eficientes;

Nanoelectrónica – transístores de electrão único (Fig. 21), condensadores mais pequenos e

de alta performance (e.g. para telemóveis), memórias e meios de armazenamento, etc.

Figura 21 – Representações esquemáticas de transístores de electrão único, em que nanopartículas de CdSe são colocadas entre dois fios de ouro [19].

21

Células solares e dipositivos electrocrómicos, tirando partido das propriedades das

nanopartículas semicondutoras (quantum dots), abordadas em 4.3;

Têxteis – nanopartículas permitem desenvolver tecidos impermeáveis e que se sujam

muito menos, pois a água e outras partículas não aderem ao material (a área de contacto é

mínima e as forças de tensão superficial prevalecem sobre as forças de adesão);

Espelhos anti-embaciamento – de igual forma, nanopartículas de cerâmica com um

invólucro orgânico, um material que diminui a tensão superficial da água, são usadas para

revestir espelhos de casa de banho resistentes ao embaciamento;

Isqueiros resistentes à corrosão, em esquentadores a gás;

Biomarcadores para ressonância magnética – nanopartículas magnéticas permitem melhor

detalhe e contraste;

4.1 Nanocápsulas

As nanocápsulas definem-se como qualquer nanopartícula que consista num recipiente

com um espaço no qual podem ser colocadas substâncias de interesse [24]. Desta definição

excluem-se as nanopartículas revestidas. As nanocápsulas já existem desde sempre na Natureza,

que utiliza fosfolípidos como constituíntes das membranas de células e lipossomas, que são

cápsulas usadas para transportar substâncias, dentro e fora das células (Fig. 22). Os fosfolípidos

são moléculas hidrofóbicas de um lado e hidrofílicas do outro, o que significa que quando são

colocadas num meio aquoso, formam espontaneamente cápsulas, em que as porções hidrofóbicas

estão no interior e as hidrofílicas em contacto com a água.

Figura 22 – Diagrama de membrana celular (bicamada fosfolipídica) e formação de lipossoma.

Lipossomas fabricados pelo homem são usados já desde há alguns anos para controlar a

libertação de substâncias ou protegê-las do meio em que se inserem. Hoje em dia são produzidas

22

nanocápsulas de muitos outros materiais, tais como polímeros. As cápsulas poliméricas, ao

contrário dos lipossomas e cápsulas semelhantes, são mantidas juntas por fortes ligações

covalentes, o que as torna particularmente robustas. O processo básico de produção é o mesmo,

começando por uma emulsão de óleo (substância gordurosa ou hidrofóbica) em água ou água em

óleo, criando nanocápsulas oleosas ou aquosas, respectivamente. A síntese de nanocápsulas é

uma forma de auto-montagem ou self-assembly, referida em 4.1.2. As condições de formação não

são extremas, o que torna as nanocápsulas particularmente atractivas para encapsulamento de

substâncias biológicas sensíveis. O tipo de emulsão usada depende da substância a encapsular e

do tipo de aplicação. Por exemplo, a injeção ultravenosa de nanocápsulas requer uma base aquosa

e por isso, nanocápsulas feitas de uma emulsão de óleo em água [24]. No entanto, a natureza

hidrofóbica ou hidrofílica da substância a encapsular pode não ser compatível com a aplicação

desejada (no exemplo dado, uma nanocápsula aquosa, i.e. encapsulando substâncias hidrofílicas,

sendo hidrofóbica no exterior, não seria compatível). A forma de resolver estes conflitos passa por

revestir as cápsulas com camadas adicionais de substâncias como proteínas, polímeros ou outros

materiais que, para além da afinidade desejada (por água ou gordura), podem ser escolhidos com

base em várias propriedades desejáveis como a adesão, resistência a diferentes ambientes, entre

outras.

As nanocápsulas são geralmente funcionalizadas, ligando substâncias à superfície da

membrana ou inserindo-as no seu interior, de forma a poder criar um mecanismo de trigger para a

entrega de fármacos a um alvo específico. Essas substâncias têm afinidade pelo alvo específico e

propriedades especiais que permitem às nanocápsulas transportarem o seu conteúdo até ao alvo

e só aí libertarem o seu conteúdo em resposta a uma biomolécula particular. Por exemplo, Liu et

al. (2008) utilizaram estruturas modificadas das moléculas poliméricas de quitosano (CHC:

carboxymetil hexanoyl chitosan) para encapsular doxorubicina (DOX), um fármaco anti-

cancerígeno [25]. O processo de formação das nanocápsulas de CHC é semelhante ao dos

lipossomas (Fig. 23). A interação hidrofóbica entre os grupos hexanoil fornece a força condutora

para a auto-agregação, ficando os grupos hidrofóbicos no interior e os hidrofílicos no exterior em

contacto com água. Na Fig. 24 pode-se visualizar uma imagem de TEM dos aglomerados de

nanocápsulas de CHC-4 (grau de substituição dos grupos: 50% carboximetílico e 48% hexanoil)

[25], assim como imagens de SEM das nanocápsulas produzidas.

23

Figura 23 – Processo de formação de nanocápsulas de CHC [25].

Figura 24 – Imagens TEM (esquerda) e SEM (direita) de nanocápsulas CHC-4 [25].

Em vez de um mecanismo de triggering para a entrega de fármacos, o interior das

nanocápsulas pode ser libertado por difusão simples, se as moléculas forem suficientemente

pequenas, ou a estrutura das nanocápsulas pode degradar-se naturalmente ou ser degradada por

ultrasons. As substâncias utilizadas pelos vírus para encapsular os seus ácidos nucleicos são muitas

vezes bons modelos para as nanocápsulas, já que incham ou contraem em resposta a mudanças

de pH ou salinidade, libertando o seu conteúdo, o que pode ser usado numa aplicação de entrega

de fármacos [24].

Para além da área biomédica e biofarmacêutica, as nanocápsulas têm aplicações noutras

áreas, como na alimentar ou cosmética:

Uma empresa australiana (Tip-Top Bakeries) produz pão com nanocápsulas de ácidos

gordos ómega-3 do atum (estas só libertam o seu conteúdo no estômago), que adicionam

valor nutricional ao pão e ajudam à sua conservação;

24

Uma empresa israelita (Shemen Industries) recorre ao nanoencapsulamento de fitoesteróis

fortificados para produzir óleo de canola que reduz a absorção de colesterol em 14%;

A L’oréal utiliza nanocápsulas no desenvolvimento de cosméticos, para ajudar os

ingredientes activos a penetrarem nas camadas mais profundas da pele.

4.2 Quantum Dots

Os quantum dots são semicondutores com todas as três dimensões na ordem dos 1 a 50

nm, i.e., são nanopartículas semicondutoras. Nesta ordem de tamanhos, os electrões exibem

efeitos mecânicos quânticos e daí resultam efeitos ópticos e electrónicos interessantes. Na

literatura os quantum dots são também conhecidos como nanocristais semicondutores, e

englobados nas nanopartículas.

Considere-se um semicondutor a ser irradiado com luz de energia superior à energia de

bandgap Eg (para semicondutores, isto corresponde a luz no NIR, visível e UV). Um electrão irá ser

promovido da banda de valência para a banda de condução, deixando uma lacuna, isto é, uma

carga positiva para trás. Esta lacuna pode ser considerada como a ausência de um electrão e

comporta-se como uma partícula com a sua própria massa efectiva e carga no sólido. A separação

espacial do par electrão-lacuna produzido (chamado excitão) pode ser calculada usando um

modelo de Bohr modificado:

𝑟 =𝜀𝑕2

𝜋𝑚𝑟𝑒2

, em que r é o raio da esfera definida pela separação 3D do par electrão-lacuna, ε é a constante

dieléctrica do semicondutor, mr é a massa reduzida do par electrão-lacuna, h é a constante de

Planck e e é a carga do electrão [26].

Tabela 2 – Diâmetro de Bohr do excitão e Eg de alguns semicondutores [adaptada de 27].

Semicondutor Energia de bandgap

(eV) Diâmetro de Bohr do

excitão (Ǻ) CuCl 3,4 13 CdS 2,53 56

CdSe 1,74 106 CdTe 1,50 150 GaAs 1,43 280

Si 1,11 37 (longitudinal) 90 (transverso)

Ge 0,67 50 (longitudinal) 200 (transverso)

25

Para muitos semicondutores, as massas do par electrão-lacuna foram determinadas por

ressonância ciclotrónica de iões e são geralmente entre 0.1 me e 3 me. Para constantes dieléctricas

de semicondutor típicas, o cálculo sugere que a separação espacial electrão-lacuna é cerca de 1 a

10nm para a maioria dos semicondutores, sendo claramente dependente do material (Tabela 2).

Quando o tamanho do material se torna comparável ao diâmetro de Bohr do excitão, os efeitos de

confinamento quântico tornam-se importantes. Nos semicondutores maciços, como as dimensões

do cristal são muito superiores ao raio de Bohr do excitão, o excitão pode estender-se para o seu

limite natural. No entanto, nos quantum dots, quando o excitão é criado, as dimensões físicas da

partícula confinam o excitão (de forma semelhante ao problema da partícula numa caixa da

mecânica quântica) e começam-se a observar efeitos quânticos, como a quantização dos níveis de

energia. Se o tamanho do quantum dot é 3-10 vezes maior do que o diâmetro de Bohr do excitão,

o ponto diz-se estar no regime de confinamento fraco, mas se for mais pequeno, o quantum dot

está no regime de confinamento forte [27]. Nestas condições, há grandes repercussões no

comportamento de absorção e emissão do material semicondutor. Alternativamente, pode-se

pensar na nanopartícula como tendo uma estrutura electrónica intermédia entre as bandas dos

semicondutores maciços e as ligações das orbitais das moléculas. Uma consequência deste

carácter intermédio é que a Eg está correlacionada com o tamanho: à medida que as dimensões da

particula diminuem, a Eg aumenta [26].

Os quantum dots são também chamados átomos artificiais, devido aos estados

electrónicos quantizados, que têm muitas analogias com os estados electrónicos dos átomos, e

pela possibilidade de controlar os estados de energia dos electrões variando o tamanho das

nanopartículas, ou pela aplicação de uma tensão. Na realidade, cada quantum dot contém entre

100 a 100000 átomos no seu volume [26, 28].

Louis Brus foi pioneiro nos quantum dots, com os quais trabalhou na Bell Labs durante os

anos 70. Brus desenvolveu um popular modelo de massa efectiva que relaciona o tamanho da

partícula com a energia de bandgap de um quantum dot semicondutor:

𝐸𝑔 𝑄𝐷 = 𝐸𝑔 𝑏𝑢𝑙𝑘 +𝑕2

8𝑅2 1

𝑚𝑒+

1

𝑚𝑕 −

1,8𝑒2

4𝜋𝜀0𝜀𝑅

, onde Eg é a energia de bandgap, R é o raio do quantum dot, me é a massa efectiva do electrão no

sólido, mh é a massa efectiva da lacuna no sólido e ε é a constante dieléctrica do sólido. O segundo

termo do segundo membro da equação é um termo tipo partícula-numa-caixa para o excitão,

26

enquanto que o último termo representa a atração de Coulomb do par electrão-lacuna, mediada

pelo sólido. Assume-se nesta equação que os quantum dots são esféricos e que as massas

efectivas dos portadores de carga e a constante dieléctrica do sólido são constantes em função do

tamanho. O modelo de Brus traduz bem a relação Eg-tamanho para quantum dots maiores, mas as

predições não correspondem a medições experimentais para tamanhos de partículas muito

pequenos [26]. Muitas outras aproximações mais complexas têm sido derivadas teoricamente e

correspondem melhor a valores experimentais.

O aumento da Eg com a diminuição do tamanho das nanopartículas pode ser observado

experimentalmente pelo shift azul no espectro de absorção e por vezes até visualmente pela

alteração da cor das amostras. Uma Eg maior significa que é necessária mais energia para excitar

um electrão da banda de valência para a banda de condução e logo, luz de maior frequência e

menor comprimento de onda é absorvida. Uma vez que a frequência de emissão do quantum dot

depende da Eg, é possível controlar o comprimento de onda de emissão com grande precisão,

apenas pela adição ou subtração de alguns átomos do quantum dot, obtendo-se a cor de emissão

desejada (Fig. 25)

Figura 25 – Nanopartículas de CdTe. Cores dependem apenas do tamanho [23].

O pico de emissão é gaussiano e ocorre a um comprimento de onda ligeiramente maior do

que o primeiro pico de excitão (onset de absorção: comprimento de onda a patir do qual os

quantum dots absorvem luz). Esta separação de energias é referida como shift de Stokes. Uma

propriedade interessante dos quantum dots é que o comprimento de onda do pico de emissão é

independente do comprimento de onda da luz de excitação, assumindo que é mais curto do que o

do onset de absorção. A largura de banda do espectro de emissão (FWHM) deriva da temperatura,

largura de linha espectral natural dos quantum dots e da distribuição de tamanhos da população

de quantum dots numa solução ou matriz de material. Distribuições de tamanho mais finas

resultam em FWHMs mais baixas. Para quantum dots de CdSe, uma distribuição de tamanhos de

5% corresponde a um pico de emissão com cerca de 30 nm FWHM [29].

27

Ao contrário dos semicondutores maciços, que têm um espectro de absorção quase

uniforme, o espectro de absorção dos quantum dots aparece como uma série de picos

sobrejacentes que são mais largos para comprimentos de onda mais curtos. Mais uma vez, isto

ocorre devido á natureza discreta dos níveis de energia dos electrões nos quantum dots, sendo

que cada pico corresponde a uma energia de transição entre níveis de energia discretos. Para

diferentes tamanhos de quantum dots, verifica-se que à medida que o tamanho diminui, o pico de

absorção desloca-se para o azul, i.e., para comprimentos de onda mais curtos (Fig. 26).

Figura 26 – Espectros de absorção (em cima) e de emissão (em baixo) de quantum dots de CdSe estabilizados com uma camada superficial de ZnS, para diferentes tamanhos do núcleo de CdSe (de 2.7 a 4.1 nm) [26].

Uma outra técnica para observar experimentalmente o confinamento quântico nos

quantum dots é a espectroscopia vibracional de Raman. A espectroscopia de Raman ocorre

quando luz incide numa amostra e excita modos vibracionais, o que faz com que perca energia e

altere o seu comprimento de onda, sendo depois detectada. Um pico alto e estreito é indicador de

uma amostra cristalina. À medida que se começam a sentir os efeitos de confinamento, o espectro

28

de Raman alarga [27]. Na Fig. 27 podemos ver o shift Raman para diferentes tamanhos de

quantum dots de Ge. Para tamanhos menores é claramente visível um alargamento do pico [27].

Figura 27 – Shift Raman para diferentes tamanhos de quantum dots de germânio [27].

4.2.1 Síntese de quantum dots

Em termos de síntese, existem duas abordagens gerais para sintetizar quantum dots. Uma

delas é a bottom-up, mais familiar aos químicos, em que precursores moleculares ou iónicos dos

quantum dots são postos a reagir em solução para produzir quantum dots como colóides. A outra

abordagem, mais familiar aos engenheiros, é a top-down: tamanhos de features entre 1-10nm são

esculpidos litograficamente ou electroquimicamente a partir de um substrato semicondutor. São

também possíveis abordagens híbridas, por exemplo, precursores moleculares para os quantum

dots que reagem na fase gasosa e são depois depositados como filmes finos em substratos [26].

Inicialmente, os quantum dots crescidos quimicamente (e.g. por Louis Brus) eram

basicamente só de CdSe ou CdTe, mas hoje em dia produzem-se quantum dots de praticamente

qualquer semicondutor. A arquitectura destes quantum dots está a tornar-se muito sofisticada,

com estruturas tipo cebola formadas por um material revestido por outro (core-shell) a tornarem-

se mais comuns. Estas estruturas podem ser usadas para proteger um quantum dot quimicamente

ou electricamente sensível de um ambiente menos amigável [28].

Uma outra técnica para formar quantum dots é o crescimento expitaxial de tensão

(strained epitaxial growth), em que os quantum dots são auto-montados, depositando um filme

fino semicondutor com uma constante de rede cristalina maior (distância entre átomos na

estrutura cristalina) sobre um semicondutor com uma constante de rede cristalina menor. Apenas

uma ligeira percentagem de diferença entre os tamanhos das redes cristalinas cria tensões (ou

29

pressões) num filme que são dez vezes superiores àquelas existentes nos oceanos mais profundos

da Terra [30]. À medida que novas camadas são depositadas, estas pressões enormes forçam o

filme inicialmente plano a separar-se em pontos e a emergir numa terceira dimensão para aliviar

as tensões, em vez de continuar a crescer contra a resistência em duas dimensões. Sistemas

típicos eram Ge em Si e InAs em GaAs [28]. São estes quantum dots auto-montados que têm sido

usados para fabricar lasers de quantum dots e este processo levou á capacidade de encontrar

formas de gerar fotões únicos.

4.2.2 Aplicações dos quantum dots

Os quantum dots têm aplicações em dispositivos ópticos e optoelectrónicos, computação

quântica e armazenamento de informação:

LEDs, ecrãs, iluminação;

Marcadores fluorescentes e sensores (e.g. testes de DNA);

Células fotovoltaicas (geração de múltiplos excitões por fotão);

Lasers de comprimentos de onda muito precisos (Quantum Dot Laser);

Gravação e armazenamento de informação;

Computadores quânticos – o spin de um electrão num quantum dot pode ser usado para

representar um bit quântico, ou qubit;

4 Casos de Estudo em Nanobiotecnologia

4.1 Aneeve Nanotechnologies

A Aneeve é uma empresa em fase inicial, fundada em 2007 como spin-out da UCLA

(Universidade da Califórnia, Los Angeles) e localizada no campus universitário, fazendo parte da

iniciativa incubadora da UCLA em conjunto com o CNSI (California Nanosystems Institute). A

incubadora permite à empresa ter acesso a instrumentação de fabrico e caracterização, assim

como outros serviços e infra-estruturas da universidade (e.g. sala limpa), eliminando despesas de

aquisição de equipamento e recursos.

Inicialmente, a empresa fornecia nanotubos de carbono puros e alinhados em materiais

isoladores e em silício, para aplicações em dispositivos altamente lineares, de baixo ruído e de alta

frequência. Actualmente, os principal objectivos da empresa passam por desenvolver

nanoelectrónica e nanodispositivos que respondam às necessidades da indústria nas áreas de

30

semicondutores, defesa, comunicação e energia, por exemplo sensores sem fios baratos e de

baixo consumo. Para tal, explora novas formas de nanofabrico para nanoelectrónica, incluindo

nanomateriais avançados como o grafeno, que exibe a maior qualidade electrónica de todos os

materiais conhecidos. O grafeno tem uma mobilidade eléctrica de 200.000 cm2/(V.s), mais de 100

vezes superior à do silício, o que faz com que seja um condutor extremamente eficiente. Isto

permite que seja usado em dispositivos de alta performance tanto para aplicações de alta

potência (power FETs) como de baixa potência (circuitos integrados). O grafeno também exibe alto

ganho e operação em alta frequência, nos THz, o que o torna útil em aplicações de circuitos

analógicos e de radiofrequência. Outros aspectos incluem a excelente condutividade térmica de

até 5850 W/mK (50 vezes mais do que o Si), o que permite usá-lo como material superior na

gestão térmica de dispositivos à nanoescala (e.g. dissipadores de calor) [31].

Para além da ligação estreita com a UCLA, a Aneeve tem apoio da DARPA (agência do

Departamento de Defesa dos Estados Unidos responsável pelo desenvolvimento de novas

tecnologias para uso militar) e colabora com empresas como a Lockheed Martin (aeroespacial) e

Intel Stanford (electrónica e processadores).

De entre as novas formas de nanofabrico para nanoelectrónica, destaca-se a impressão a

jacto de tinta com tintas de nanotubos de carbono, que permite fabricar cirtuitos integrados

impressos em vários substratos, a baixo custo e em larga escala, com aplicações em várias áreas

incluindo em biosensores. Nesta área específica, os investigadores da Aneeve estão a desenvolver

sensores hormonais usando circuitos impressos a jacto de tinta com nanotubos de carbono (Fig.

28), que poderão ajudar na compreensão e tratamento de condições relacionadas com flutuações

hormonais tais como a infertilidade ou menopausa. A utilização dos nanotubos aumenta a

sensibilidade de deteção hormonal.

Figura 28 – Impressora de jacto de tinta com cartuchos de tinta de nanotubos de carbono [31].

31

Esta é uma combinação de tecnologias eficiente a nível de custos, que permitirá

desenvolver um sensor compacto, portátil, fácil de usar e que dará informação instantânea dos

níveis hormonais, de forma semelhante a um sensor de glicémia por picada no dedo, permitindo

um melhor controlo da terapia hormonal (actualmente não existe ainda sensor hormonal deste

género). O princípio de funcionamento do sensor baseia-se na ligação dos nanotubos ao estradiol

(principal tipo de estrogénios, hormonas femininas), que altera a sua resistência e propriedades

ópticas, sendo essa mudança transmitida por ondas de rádio a um outro dispositivo. Até agora, foi

demonstrado que os sensores são capazes de monitorizar estrogénios com uma exactidão ao nível

de ng/ml. No entanto, para poderem ser eficazes com uma única picada no dedo, a sensibilidade

tem de ser melhorada para pg/ml [32].

A combinação de tecnologias usadas na Aneeve é inovadora, pois integra várias tecnologias

que outros têm explorado individualmente, de uma forma que é eficiente a nível de custos. Esta

empresa não está só a olhar ao nível de demonstrar conceitos ou novas tecnologias, mas mais

para a sua viabilidade comercial e capacidade de integração no mercado.

4.2 CENIMAT-i3N

O Centro de Investigação de Materiais (CENIMAT) está sedeado na Faculdade de Ciências e

Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL) e integra desde 2006 o Laboratório

Associado i3N (Institute for Nanostructures, Nanomodelling and Nanofabrication). Divide-se em 4

equipas de investigação que abrangem as diferentes áreas da engenharia e ciência dos materiais:

Estruturas e Materiais Dieléctricos – realiza actividade de investigação relacionada com a

preparação e caracterização de electretes poliméricos, polímeros e cerâmicos piro e

piezoeléctricos, compósitos polímero-cerâmico electroactivos e sensores inteligentes;

Materiais da Electrónica e Optoelectrónica – desenvolve actividade de investigação e

desenvolvimento nas áreas de tecnologia de filmes finos (revestimento de semicondutores,

óxidos condutores e materiais isolantes), processos da microelectrónica (produção de

circuitos integrados) e conversão de energia (células e sistemas solares);

Materiais Poliméricos e Mesomórficos – desenvolve investigação na área dos cristais

líquidos e polímeros, com aplicação por exemplo em janelas de transparência controlável;

32

Materiais Estruturais – desenvolve investigação nas seguintes áreas: cristaloquímica,

análise estrutural de materiais inorgânicos, tratamentos térmicos e termomecânicos de

ligas metálicas, compósitos de matriz metálica, processamento de cerâmicos e compósitos

vidro-cerâmicos, metalurgia extractiva e reciclagem de materiais [33].

O grupo de materiais da electrónica e optoelectrónica é o que tem maior visibilidade

científica e mediática, maioritariamente devido ao trabalho da equipa da Doutora Elvira

Fortunato, no desenvolvimento de dispositivos electrónicos envolvendo o papel como substrato:

TFT’s (Thin Film Transistor) orgânicos, circuitos lógicos, dispositivos electrocrómicos, etiquetas

RFID, e até mesmo a utilização do papel como parte activa dos dispositivos com o FET de papel e

memórias do tipo RAM de papel [34, 35]. O Grupo coordena e colabora em vários projectos

nacionais e internacionais, dominando as tecnologias e as técnicas de caracterização adequadas

para responder a solicitações feitas pela indústria, incluindo o projecto e o fabrico de protótipos

industriais. De entre os materiais investigados pelo grupo, destacam-se ainda os óxidos

transparentes condutores e semicondutores, nomeadamente os filmes finos de óxido de índio

dopado com zinco (IZO) ou com zinco e gálio (GIZO), com aplicações em electrónica transparente.

5 Biosensor de DNA desenvolvido no CENIMAT-i3N

Na área da nanobiotecnologia, desenvolvem-se no CENIMAT biosensores para aplicações

point-of-care, i.e., biosensores portáteis que podem ser utilizados no local de tratamento. Neste

capítulo aborda-se especificamente um desses biosensores, capaz de detectar sequências

específicas de DNA, tirando partido das propriedades ópticas das nanopartículas de ouro.

5.1 Nanopartículas de ouro

As nanopartículas de ouro (AuNPs) têm propriedades físico-químicas facilmente reguláveis

através de técnicas adequadas de síntese. Para além de robustez e elevadas áreas superficiais, as

AuNPs exibem propriedades ópticas únicas, que resultam da Ressonância de Plasmão de

Superfície (SPR – Surface Plasmon Resonance), que é responsável pelas diferentes cores que as

AuNPs exibem. A SPR é um fenómeno que ocorre nas estruturas metálicas à nanoescala e consiste

numa oscilação colectiva de electrões livres na superfície da partícula, produzindo propriedades

de absorção e dispersão eléctrica intensas. Logo, a SPR resulta numa banda de absorção de luz

que, no caso das AuNPs, tem um pico de absorção aproximadamente nos 520 nm (verde). Esta

33

absorção de luz resultante da SPR leva a uma mudança de cor das partículas de ouro à nanoescala.

Enquanto que o ouro maciço tem uma cor amarelada, as AuNPs exibem uma cor vermelha (uma

vez que os comprimentos de onda na região verde são absorvidos). Isto pode ser melhor

compreendido pela roda das cores (Fig. 29), que indica a relação entre a cor de um objecto e a cor

que ele absorve, situadas em lados opostos da roda.

Figura 29 – Roda das cores: os objectos absorvem a luz de cor complementar à que exibem, no lado oposto da roda.

Uma particularidade das AuNPs é que a banda de SPR varia consoante o grau de agregação

das partículas. Enquanto que as AuNPs monodispersas têm cor vermelha, com o pico da banda de

SPR nos 520 nm, uma solução de AuNPs agregadas tem cor azul, correspondente a um red-shift do

pico da banda de SPR para cerca de 600 nm (Fig. 30). Ao absorverem comprimentos de onda mais

altos, as AuNPs agregadas vão exibir cores correspondentes a comprimentos de onda mais baixos.

Figura 30 – Mudança de cor de soluções de AuNPs por agregação das partículas.

Os altos coeficientes de absorção das AuNPs que resultam da SPR fazem com que as AuNPs

tenham maior sensibilidade em métodos de deteção óptica do que os corantes usuais (e.g.

fluorescência), o que as torna ideias para desenvolver biomarcadores para identificação de

compostos específicos. Isto é feito por funcionalização da superfície das AuNPs, i.e., por ligação de

moléculas específicas à sua superfície, que por sua vez depois se vão ligar aos compostos alvo,

34

permitindo aplicar as AuNPs em várias áreas, tais como no diagnóstico clínico, em análises de

contaminação de água ou alimentos, análises ambientais, entre outras.

5.1.2 Síntese e funcionalização de AuNPs

Existem vários métodos de síntese de AuNPs mas, devido à sua simplicidade e alto

rendimento, o método mais usado para preparação de AuNPs esféricas para ensaios biológicos é

método da redução de citrato, que consiste numa reação química de redução de um sal de ouro

com um citrato, produzindo uma solução coloidal de AuNPs com diâmetros entre 10 a 20 nm. O

uso de citrato como agente de capping é muito conveniente devido ao fácil tratamento de pós-

síntese, já que pode ser facilmente substituído por outros agentes (e.g. tiol) com funcionalidade

apropriada para ligar ao analito biológico de interesse. Existem já vários métodos para preparar

AuNPs solúveis em água com bandas de SPR no NIR, o que tem um grande potencial para

aplicações biológicas, já que permite o uso de AuNPs em fluidos biológicos sem interferência da

absorção de outras moléculas biológicas [36].

A funcionalização de AuNPs envolve o uso de ligandos bifuncionais nos quais uma parte liga

à nanopartícula enquanto a outra é dirigida à superfície exterior da biomolécula específica. Para a

deteção específica de sequências específicas de ácidos nucleicos em amostras biológicas, as AuNPs

são funcionalizadas com oligonucleótidos tiolados, formando as chamadas nanosondas de ouro.

As nanosondas de ouro são sintetizadas por reações de derivatização de uma solução aquosa de

AuNPs com um oligonucleótido tiolado complementar ao do gene alvo (derivatização é uma

transformação de um composto químico num produto de estrutura química semelhante). Esta

técnica não é só útil em diagnóstico pela deteção colorimétrica de DNA, mas também pode ser

usada para estudar mecanismos moleculares de processos biológicos, pela comparação da

expressão genética entre células em diferentes estados, ou para desenvolver fármacos específicos

para um determinado gene anormal [37].

A funcionalização de AuNPs também tem sido usada com outras biomoléculas, incluindo

anticorpos para melhoria de sinal em imuno-ensaios; carbohidratos para estudar interações

moleculares específicas e funcionalização com ligandos que se podem customizar para ligação a

proteínas específicas ou ligação directa de péptidos e proteínas à superfície da AuNP [36].

5.2 Deteção colorimétrica de DNA com AuNPs

Existem dois métodos de hibridização das nanosondas de ouro com o alvo de DNA:

35

Hibridização cross-linking (Mirkin et al., 1996) – consiste em usar duas nanosondas

diferentes, cada uma funcionalizada com uma sequência de DNA complementar a uma das

regiões do alvo. A hibridização do alvo com as duas nanosondas resulta na formação de

uma rede polimérica que faz com que as AuNPs se aproximem alterando a cor da solução

(resultado positivo é azul e o negativo é vermelho);

Hibridização non-cross-linking – este método foi desenvolvido pelo grupo de biotecnologia

da FCT-UNL [38] (Batista et al., 2006; Doria et al., 2007) e consiste em usar uma única

nanosonda e adicionar sal à solução. O aumento da força iónica provoca a agregação das

AuNPs e a mudança de cor, se não estiver presente o DNA alvo. Se estiver presente a

sequência alvo complementar, a hibridização previne a agregação das AuNPs pela adição

do sal, o que faz com que a solução mantenha a cor inicial (resultado positivo é vermelho e

negativo é azul).

A abordagem do grupo do CENIMAT baseia-se no segundo método, onde a agregação das

nanosondas de Au é induzida por um aumento da concentração de sal na solução. Apesar de ser

possível uma comparação visual (a olho nú) que indica com fiabilidade o resultado, o método

consiste na comparação espectrofotométrica das soluções antes e depois da agregação das

nanosondas induzida pelo sal (Fig. 31).

Figura 31 – Método do ensaio de deteção de DNA baseado em hibridização non-cross-linking e comparação visual ou espectrofotométrica dos resultados, 15 minutos após a adição de sal [36].

36

Como se pode ver na imagem, uma mutação do DNA alvo ou a variação de apenas um

nucleótido da sequência (SNP – Single Nucleotide Polymorphism) leva a um resultado negativo.

Este método foi capaz de detectar especificamente quantidades de mRNA tão pequenas como 0,3

µg de RNA total não amplificado, com a mudança de cor fácil de detectar visualmente [39]. É um

método barato, fácil de realizar, não requer amplificação ou melhoria de sinal nem controlo de

temperatura e demora menos de 15 minutos a revelar o resultado, constituindo uma alternativa

barata e fácil aos ensaios de fluorescência ou radioactividade.

A AFM permitiu também verificar o mecanismo de hibridização das nanosondas de Au com

alvos de DNA de cadeia dupla previamente desnaturados para a forma de cadeia única, como se

pode ver na Fig. 32.

Figura 32 – Imagem AFM do produto da hibridização de nanosondas de Au (a amarelo) e DNA alvo (fios azuis) [36].

5.3 Biosensor de DNA

O biosensor de DNA desenvolvido no CENIMAT [40] resulta da combinação de três

tecnologias emergentes:

1. Método non-cross-linking de deteção colorimétrica de DNA com AuNPs;

2. Fotodetector de TiO2 sensibilizado com corante (célula de Grätzel);

3. Impressão a jacto de tinta (usada para fabricar o fotodetector)

O grande desenvolvimento é a introdução da técnica de fabricação por impressão a jacto

de tinta, que não só simplifica o processo de patterning, como reduz o consumo de materiais e

energia, permitindo escalar a produção do laboratório para um nível industrial. Além de baixar os

preços, abre a possibilidade da produção de fotodetectores descartáveis para usar em

37

biosensores, ou seja, esta combinação de tecnologias leva a uma redução significativa do tempo e

custo de ensaios de deteção de DNA.

Os fotodetectores sensibilizados com corante, ou células de Grätzel (Fig. 33), são uma

alternativa simples e barata aos fotodetectores de silício, e com um princípio de funcionamento

diferente. Enquanto que as células de silício utilizam um campo eléctrico para afastar as cargas

negativas e positivas geradas pela incidência da luz, as células de Grätzel usam uma abordagem

mais subtil para separar as cargas, semelhante à usada pelos cloroplastos para realizar a

fotossíntese nas células das plantas, fazendo uma distinção entre as entidades que geram o

electrão e as que o transportam. A célula de Grätzel usa moléculas de corante orgânico para

capturar a energia da luz e injectar um electrão do corante num semicondutor como o TiO2, numa

reação de separação de cargas bastante eficiente e que inicia o fluxo de corrente eléctrica. O

material ideal deve ter uma grande área superficial para absorção de luz e separação de cargas,

daí o uso de nanopartículas de TiO2. A grande vantagem destas células fotovoltaicas é que podem

ser fabricadas de materiais baratos e de baixa pureza, por métodos simples e de baixo custo,

produzindo células com eficiências de conversão razoavelmente boas, apesar de inferiores às do

silício. Além disso, a sensibilidade é ajustável mudando o corante. A maior desvantagem destes

fotodetectores está relacionada com problemas de selagem e estabilidade devido à sensibilidade

térmica e volatilidade do electrólito líquido utilizado. No entanto, este problema poderá ser

ultrapassado usando um fotodetector do estado sólido sensibilizado com corante que não

contenha electrólitos voláteis [19, 41].

Figura 33 – Fotodetector de TiO2 sensibilizado com corante (Célula de Grätzel) [41].

38

O método utilizado no biosensor de DNA desenvolvido no CENIMAT é simples (Fig. 34). As

amostras contendo as nanosondas de Au e a sequência de DNA alvo são colocadas entre um LED

verde de alta potência e o fotodetector de TiO2 fabricado por impressão a jacto de tinta. A

fotocorrente resultante é medida por um electrómetro digital ligado a um PC, onde é analisada de

forma a fornecer o resultado. O sistema é colocado dentro de uma câmara escura de forma a

evitar a interferência da luz ambiente. É usado um LED verde, uma vez que o pico de absorção

(SPR) das AuNPs é máximo para este comprimento de onda, ou seja, permite maior sensibilidade

de fotodeteção, já que a diferença entre o sinal inicial do LED e o sinal após atravessar a amostra

vai ser maior. Além disso, a diferença entre as absorvâncias da solução positiva (vermelha) e

negativa (azul) é maior nesse comprimento de onda também [39]. Este facto é o mais relevante,

uma vez que o que interessa medir é uma diferença de fotocorrentes, portanto quanto maior for a

diferença de respostas das soluções positiva e negativa, mais sensível será a deteção. Mais ainda,

o fotodetector de TiO2 produzido tem um pico de eficiência nos 520 nm [40].

Para avaliar a resposta do fotodetector, usaram-se primeiro só soluções de AuNPs com

concentrações crescentes de sal (NaCl). Depois usaram-se nanosondas hibridizadas com

sequências complementares e não complementares do alvo, adicionando um sal diferente neste

caso (MgCl2). As nanosondas de Au usadas neste estudo eram específicas para a sequência de DNA

do agente etiológico da tuberculose humana (M. Tuberculosis). As medições foram efectuadas 15

minutos após a adição de sal e repetidas 6 vezes para cada amostra. As soluções de referência

também variam, sendo que para as AuNPs a solução referência é água ultra-pura e para as

nanosondas de Au é uma solução de NaCl 0.1 M (mol/dm3) com um tampão fosfato 10 mM [40].

39

Figura 34 – Representação esquemática do biosensor desenvolvido para deteção de DNA [40].

5.3.1 Fabrico do fotodetector de TiO2

Foram utilizados dois métodos diferentes de fabrico do fotodetector de nc-TiO2

(nanocristalino): o método “doctor blade” (basicamente consiste em espalhar a pasta de TiO2 com

uma lâmina) e a impressão a jacto de tinta. O objectivo é comparar o novo processo de impressão

a jacto de tinta com o processo de fabrico tradicional. A dispersão aquosa de TiO2 (tinta), com

viscosidade e tensão superficial controladas, foi preparada usando TIO2 (0.12 wt%), etanol (20

wt%) e Triton X-100 5% (surfactante). A dispersão foi filtrada com um filtro de poros de 1.2 um e

misturada ultrasonicamente com etanol. A impressora usada foi uma Canon PIXMA IP4500

modificada, com resolução de 9600x2400 dpi (dots per inch), que permite depositar o

material/tinta de forma digital directamente num substrato de vidro (através de 1536 orifícios). O

processo de fabrico está esquematizado na Fig. 35.

A camada activa de TiO2 com 4-5 µm de espessura foi produzida à temperatura ambiente e

pressão atmosférica em substratos pré-limpos de vidro condutor de óxido de estanho dopado com

índio (ITO) e depois foi sinterizada a 450˚C durante meia hora num forno. Os contactos eléctricos

dos substratos de ITO foram imprimidos com uma solução de nanopartículas de Ag (para melhorar

a condutividade eléctrica), utilizando a mesma impressora, e depois sinterizados a 120˚C por meia

40

hora. Os substratos foram depois tingidos numa solução de etanol absoluto de corante de ruténio

N3, por 24h. Os fotodetectores foram depois fabricados ensanduichando estes fotoeléctrodos com

um vidro condutor dopado com flúor revestido com platina (Pt-FTO). O electrólito redox com

iodeto de lítio e iodo numa mistura 6:4 de acetonitrilo e carbonato de propileno foi introduzido

entre o eléctrodo de TiO2 com corante e o contraeléctrodo de platina.

A espessura final dos fotodetectores fabricados pelo método doctor blade com a mesma

pasta de TiO2 foi cerca de 7 µm.

Figura 35 – Fabrico do fotodetector de TiO2 [40].

Figura 36 – Filme de TiO2 imprimido a jacto de tinta após

sintering [40].

Figura 37 – SEM do filme de TiO2 após sintering. Diâmetro

médio das partículas é 25 nm [40].

Figura 38 – Fotografia do fotodetector de TiO2 sensibilizado com corante produzido por impressão a jacto de tinta [40].

5.3.2 Performance de fotodetector e biosensor de DNA

A performance do fotodetector foi avaliada em termos de eficiência de conversão da luz

incidente em corrente e de resposta de deteção a soluções de AuNPs de diferentes concentrações,

apresentando-se os resultados nas figuras 39 e 40. Foi utilizada espectrofotometria para validação

do protótipo produzido.

Figura 39 – Eficiência de conversão dos fotodetectores de TiO2 produzidos. Inset: espectro de absorção do corante [40].

A eficiência de conversão, IPCE (Incident Photon to Current Efficiency), foi medida usando

um setup caseiro ligado a um multímetro. A fórmula de cálculo é a apresentada na Fig. 39, em que

Jsc é a densidade de corrente em curto-circuito (para uma tensão aplicada de 0 V), λ o

comprimento de onda de excitação e Wi o fluxo fotónico (W/m2). A constante 1240 tem a ver com

a taxa de conversão de energia fotónica em energia electroquímica. A IPCE inferior verificada para

o fotodetector produzido por impressão a jacto de tinta relativamente ao produzido por doctor

blade deve-se principalmente à menor espessura.

42

A resposta de deteção a soluções de AuNPs de diferentes concentrações, tanto com as

partículas não agregadas como agregadas pela adição de sal, foi calculada subtraindo a densidade

de corrente obtida com a amostra à obtida com a solução referência, 𝑅𝑑𝑒𝑡𝑒 çã𝑜 = 𝐽𝑟𝑒𝑓 − 𝐽𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎 .

Figura 40 – Respostas de deteção do fotodetector produzido A) por doctor blade e B) por impressão a jacto de tinta, para diferentes concentrações de AuNPs, agregadas e não agregadas. Inset: medições espectrofotométricas correspondentes [40].

Em ambos os métodos, verificam-se respostas bastante lineares para partículas não

agregadas (R2 > 0,98). No caso das partículas agregadas, há uma resposta não linear em ambos os

métodos (incluindo no espectrofotómetro), que pode ser explicada por vários eventos (e.g.

agregação, floculação, precipitação e possível adsorção à superfície plástica da cuvette) [40]. De

qualquer forma, para aplicação como biosensor, o relevante é a capacidade de discriminar entre

as formas agregada e não agregada, e não a linearidade destas respostas. Foram obtidas respostas

claramente diferentes entre as diferentes soluções, para concentrações usadas rotineiramente em

métodos de deteção de DNA (1.5 a 2.5 nM). Para concentrações baixas (< 1.0 para DBP e < 1.5 nM

para IPP), atinge-se o limite de sensibilidade do sensor.

Finalmente, os sensores foram aplicados em conjunto com ensaio de deteção de uma

sequência específica de DNA (M. Tuberculosis) e foi avaliada a performance do biosensor (Fig. 41).

Figura 41 – Respostas de deteção dos fotodetectores integrados em biosensor de DNA (azul: negativo; vermelho: positivo) [40].

43

Ambos os fotodetectores apresentam respostas claramente distintas em ensaios de

deteção com o DNA complementar e não complementar (17,5% para o DBP e 6,7% para o IPP).

Este valor inferior do método IPP pode-se justificar pela maior espessura do fotodetector

produzido por doctor blade, cerca de 1,75 vezes superior ao imprimido por jacto de tinta. É de

realçar também que a impressão a jacto de tinta é utilizada pela primeira vez na tecnologia de

fotodetectores de TiO2 sensibilizados com corante. A sensibilidade do sensor poderá ser

melhorada usando corantes diferentes e optimizando o processo de fabrico.

5.3.3 Conclusões

Foram demonstrados pela primeira vez novos sensores de TiO2/corante produzidos por

impressão a jacto de tinta para deteção de DNA através de nanosondas de Au. Os limites de

sensibilidade dos biosensores desenvolvidos (1.0 nM para DBP e 1.5 nM para IPP) são comparáveis

a técnicas de espectrofotometria (1.0 nM), o que permite utilizá-los em aplicações de diagnóstico

ou rastreio. Apesar de demonstrada com sucesso, a usabilidade e fiabilidade da técnica de

impressão de fotodetectores a jacto de tinta para identificação de sequências de DNA requer mais

investigação e desenvolvimento, para determinar influência da espessura da camada de TiO2 e do

tamanho das nanopartículas na performance do sensor.

O método de impressão a jacto de tinta é digital, não usa máscaras nem vácuo, é rápido e

barato, mostrando-se uma alternativa à actual microfabricação de pistas condutoras, por litografia

ou eletrólise, que é cara e leva tempo. O decréscimo de custos associado ao diagnóstico molecular

através desta tecnologia torna-a ideal para a produção em massa de biosensores descartáveis, e

pode revelar-se extremamente importante nos países em desenvolvimento.

44

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Índice de Figuras

Figura 1 – Grafite e diamante [2]. ................................................................................................................. 3

Figura 2 – Ligações e estruturas atómicas de grafite e diamante (adaptada de [4])....................................... 4

Figura 3 – A molécula de C60 [1].................................................................................................................... 4

Figura 4 – Exemplos de outros fulerenos: C70 (esquerda) e C540 (direita) [1]. ................................................. 5

Figura 5 – Representação esquemática de uma célula fotovoltaica orgânica de heterojunção

polímero/fulereno [6]. .................................................................................................................................. 6

Figura 6 – As duas estruturas simétricas de nanotubo possíveis, a) zig-zag (9,0); b) armchair (5,5) [5].......... 7

Figura 7 – Nanotubo com estrutura quiral, em que a camada de grafeno é enrolada helicoidalmente [5]. ... 7

Figura 8 – Ponta típica de um nanotubo de parede múltipla (MWNT), escala 5 nm [5]. ................................ 8

Figura 9 – Propriedades electrónicas de nanotubos variam consoante o seu diâmetro e quiralidade [3]. ..... 8

Figura 10 – Imagem HRTEM de corda de nanotubos [10]. ............................................................................ 9

Figura 11 – Estrutura e imagens HRTEM de SWNT (a,b) e MWNT (c,d) [5]. ................................................... 9

Figura 12 – Imagens TEM de MWNT (esquerda), DWNT (centro) e MWNT (direita). ................................... 10

Figura 13 – Representação esquemática básica do método do arco eléctrico [11]. ..................................... 10

Figura 14 – Produção de SWNTs e MWNTs pelo método do arco eléctrico [12]. ......................................... 11

Figura 15 – Representação esquemática da técnica de ablação a laser [12]. ............................................... 11

Figura 16 – Díodo rectificador com nanotubos [16]. ................................................................................... 15

Figura 17 – FET com nanotubos (IBM) [17]. ................................................................................................ 15

Figura 18 – Bandas de condução e valência nos estados maciço, nanoparticulado e atómico de um metal

(A) e de um semicondutor (B) [20]. ............................................................................................................. 17

Figura 19 – Nanopartículas cerâmicas: A) de óxidos metálicos (Fe3O4); B) de silicato (SiO2) [21, 22]. ........... 18

Figura 20 – Nanopartículas de ouro para novos catalisadores [23]. ............................................................ 20

Figura 21 – Representações esquemáticas de transístores de electrão único, em que nanopartículas de

CdSe são colocadas entre dois fios de ouro [19]. ......................................................................................... 20

Figura 22 – Diagrama de membrana celular (bicamada fosfolipídica) e formação de lipossoma.................. 21

46

Figura 23 – Processo de formação de nanocápsulas de CHC [25]. ............................................................... 23

Figura 24 – Imagens TEM (esquerda) e SEM (direita) de nanocápsulas CHC-4 [25]. ..................................... 23

Figura 25 – Nanopartículas de CdTe. Cores dependem apenas do tamanho [23]. ....................................... 26

Figura 26 – Espectros de absorção (em cima) e de emissão (em baixo) de quantum dots de CdSe

estabilizados com uma camada superficial de ZnS, para diferentes tamanhos do núcleo de CdSe (de 2.7 a

4.1 nm) [26]. ............................................................................................................................................... 27

Figura 27 – Shift Raman para diferentes tamanhos de quantum dots de germânio [27]. ............................. 28

Figura 28 – Impressora de jacto de tinta com cartuchos de tinta de nanotubos de carbono [31]. ............... 30

Figura 29 – Roda das cores: os objectos absorvem a luz de cor complementar à que exibem, no lado

oposto da roda. .......................................................................................................................................... 33

Figura 30 – Mudança de cor de soluções de AuNPs por agregação das partículas. ...................................... 33

Figura 31 – Método do ensaio de deteção de DNA baseado em hibridização non-cross-linking e

comparação visual ou espectrofotométrica dos resultados, 15 minutos após a adição de sal [36]. .............. 35

Figura 32 – Imagem AFM do produto da hibridização de nanosondas de Au (a amarelo) e DNA alvo (fios

azuis) [36]. .................................................................................................................................................. 36

Figura 33 – Fotodetector de TiO2 sensibilizado com corante (Célula de Grätzel) [41]. ................................. 37

Figura 34 – Representação esquemática do biosensor desenvolvido para deteção de DNA [40]. ................ 39

Figura 35 – Fabrico do fotodetector de TiO2 [40]. ....................................................................................... 40

Figura 36 – Filme de TiO2 imprimido a jacto de tinta após sintering [40]. .................................................... 40

Figura 37 – SEM do filme de TiO2 após sintering. Diâmetro médio das partículas é 25 nm [40]. .................. 40

Figura 38 – Fotografia do fotodetector de TiO2 sensibilizado com corante produzido por impressão a

jacto de tinta [40]. ...................................................................................................................................... 41

Figura 39 – Eficiência de conversão dos fotodetectores de TiO2 produzidos. Inset: espectro de absorção

do corante [40]. .......................................................................................................................................... 41

Figura 40 – Respostas de deteção do fotodetector produzido A) por doctor blade e B) por impressão a

jacto de tinta, para diferentes concentrações de AuNPs, agregadas e não agregadas. Inset: medições

espectrofotométricas correspondentes [40]. .............................................................................................. 42

Figura 41 – Respostas de deteção dos fotodetectores integrados em biosensor de DNA (azul: negativo;

vermelho: positivo) [40]. ............................................................................................................................. 42

Índice de Tabelas

Tabela 1 – Propriedades mecânicas dos nanotubos de carbono e outros materiais conhecidos [9]. ............13

Tabela 2 – Diâmetro de Bohr do excitão e Eg de alguns semicondutores [adaptada de 27]. ........................24