Nanotecnologia

Brasileiros desenvolvem nova técnica de fabricação de nanocanais

Brasileiros desenvolvem nova técnica de fabricação de nanocanais
O professor Omar Teschke coordenou o desenvolvimento da nova técnica de fabricação de nanocanais, que foi publicada em uma das revistas de maior impacto na área. [Imagem: Antoninho Perri]

Pesquisadores brasileiros desenvolver um novo método de fabricação de nanocanais, uma das estruturas mais promissoras da nanotecnologia, permitindo medir os complexos mecanismos de transporte que atuam em seu interior.

Os nanocanais são a base da chamada microfluídica, que estuda o escoamento de fluidos por canais minúsculos.

Esses canais minúsculos são usados na fabricação dos biochips, nos chamados chips de DNA, que revolucionaram a análise genômica e nos mais futurísticos chips celulares.

A equipe do professor Omar Teschke, a Universidade Estadual de Campinas, anunciou suas descobertas na revista inglesa Nanotechnology, de alto impacto na área.

Efeito Kelvin

Nas nanoestruturas feitas de nanotubos de carbono, é muito difícil encontrar um método específico para medir como o escoamento do fluido evolui no tempo e qual a sua distribuição dentro dele.

"O que fizemos foi, em vez de usar um nanotubo de carbono, criar uma estrutura de nanocanais feita ao ar, usando um microscópio de força atômica (AFM). Fizemos uma varredura em cima da mica, um mineral antes utilizado como isolante no ferro de passar roupa," conta Omar.

A vantagem de usar a mica é que se trata de uma superfície plana e com ela é possível produzir uma superfície limpa, bastando para isso "descamá-la".

O experimento inicialmente demonstrou a relevância do efeito Kelvin - teoria formulada pelo físico inglês Lord Kelvin - que descreve o que ocorre numa estrutura rugosa de pequenas dimensões (micrômetros) por onde se escoa um fluido: as moléculas vão sair dos locais convexos para irem aos locais côncavos.

No entanto, se as dimensões do tubo são muito pequenas, não vai haver escoamento.

Nanocanais na prática

Segundo Omar, o que existe na área são pesquisadores atuando em simulações e modelos teóricos.

"Nós medimos e mostramos que esse efeito que estava sendo aplicado não era significativo. A limitação é que, se a dimensão do tubo for muito menor que o livre caminho médio do vapor, ou do gás, não existe realmente o transporte. Então o fluido não vai escoar e não poderá ser utilizado na microfluídica," explica o físico.

O mecanismo que nivela o depósito de água é 104 vezes mais lento do que o calculado pela teoria.

Para observar a estrutura da água, foi utilizado então o AFM, que possui resolução suficiente para visualizar moléculas de água condensada sob superfície (a água condensa quando é uma camada muito fina), e é possível determinar inclusive qual é a estrutura do gelo, se hexagonal ou cúbica.

Brasileiros desenvolvem nova técnica de fabricação de nanocanais
Esses canais minúsculos são usados na fabricação dos biochips, nos chamados chips de DNA, que revolucionaram a análise genômica e nos mais futurísticos chips celulares. [Imagem: Teschke et al.]

Nanocanais

A princípio, o grupo observou que, quando se coloca a mica à temperatura ambiente de 25 graus e com umidade de 65 graus, a água se condensa em cima do material, não como água, porém como gelo, com uma espessura de alguns nanômetros (10-9 metro).

Ou seja, o fenômeno transforma-se em uma técnica simples para a construção de uma nanoestrutura, que nasce com as dimensões na ordem de nanômetros, como se espera dos nanocanais.

O próximo passo foi fazer uma série de nanocanais em cima dessa superfície de gelo. Para isso, a ponta do microscópio eletrônico, que mede 5 nanômetros e é feita de nitreto de silício, varre a superfície, desenhando ranhuras no padrão desejado.

Um programa faz a ponta do AFM deslocar-se da direita para a esquerda, voltar, descer alguns nanômetros, e assim sucessivamente, até construir o padrão.

Segundo Omar, esta foi a primeira parte do trabalho, "formar nanoestruturas de uma maneira relativamente fácil" - a outra maneira de desenvolver o processo seria empregando nanolitografia, um processo mais complexo e mais caro.

Sólido que varia no tempo

Feito o padrão de nanocanais, os pesquisadores partiram para averiguar como se dá sua evolução no tempo. O desafio era determinar que mecanismos relevantes atuam na camada de água.

Trabalhos teóricos anteriores reforçavam a ideia de que esse escoamento sofre uma forte influência da natureza da superfície, quanto à sua hidrofobicidade ou hidrofilicidade - a capacidade da superfície de repelir ou atrair água.

Ocorre que esses trabalhos não tinham valores experimentais para ajustar seus parâmetros.

"Nós conseguimos isso olhando como é a evolução do perfil do canal no tempo e aí determinamos os mecanismos que atuam no processo. O que descobrimos foi que a água, a uma espessura de alguns nanômetros, é sólida, não líquida. Então agora tínhamos um sólido e queríamos ver como ele evoluía no tempo, como ele 'escoava'," contextualiza Omar.

De acordo com ele, através do microscópio, observou-se que as imagens vão se alargando e, assim, é possível perceber que existe algum mecanismo atuando localmente. "É um sólido que aparece estático, mas que está variando no tempo", revela.

Evolução dos nanocanais

Na primeira tentativa para avaliar esse tempo, o grupo tentou realizar uma varredura a 90 graus para constatar como se comportava a superfície.

O problema é que a passagem da ponta do AFM altera o formato do canal, já que a ponta é dura o gelo é relativamente "macio" e, além disso, está escoando. Um outro método consistiu em cobrir o perfil de nanocanais com uma camada de metal, levando-o a um microscópio de transmissão por vários intervalos depois da fabricação.

Depois de algum tempo, os pesquisadores constataram que não era preciso proceder a uma nova varredura. Uma maneira muito mais fácil de fazer isso consiste em utilizar a volta da varredura e medir o volume escoado para a região do canal.

"Deste modo, pode-se determinar a evolução do perfil, já que observávamos o que era coletado na varredura da direita para a esquerda, lembrando-se que o canal é feito na varredura da esquerda para a direita," explica o pesquisador.

Após um intervalo de tempo, as paredes do canal começavam a escoar. "Quando voltamos com a ponta no mesmo percurso, pudemos determinar quanto material estava ocupando o canal original. Medindo o seu volume, determinamos a constante de tempo que queríamos", realça.

Bibliografia:

Drainage kinetics of nanochannels fabricated in water films a few molecules thick on mica at room temperature
Omar Teschke, Juracyr Ferraz Valente Filho, Elizabeth Fatima de Souza
Nanotechnology
Vol.: 22 165304
DOI: 10.1088/0957-4484/22/16/165304




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