Nanopartículas

Em engenharia, física e química existe um estudo um tanto quanto moderno que é o da nanotecnologia, ou seja, um ramo da ciência que desenvolve tecnologia a um nível nanoscópico. Os principais objetos do estudo da nanotecnologia são partículas compostas por diversos átomos formando uma estrutura que se comporta como uma unidade inteira, em termos de ponto de fusão, ebulição, vibração, movimentação no meio dentre outras coisas. Essas partículas são conhecidas como Nanopartículas.

O prefixo Nano é uma menção a unidade de medida que denota um fator de 10^ -9, ou seja, Nanopartícula é uma partícula que se encontra dentro da escala dessa unidade, como unidade de medida é o metro, temos que a unidade de medida que o fator que denota o nano multiplica é o próprio metro. Logo 1 nanômetro (1 nm) corresponde a 10^ -9 metros.

Existe uma definição que diz que um nanopartícula possui um tamanho de aproximadamente 100 nm ou menor, porém isso não é um consenso, uma vez que essa área da ciência ainda é relativamente moderna e novas descobertas se dão sempre, estruturando novos conhecimentos e caminhos.

Uma coisa muito relevante do estudo das nanopartículas é que elas possuem características completamente diferentes do material original que as gerou. Desde a estrutura até temperaturas de fusão e ebulição por exemplo. Elas são classificadas referente ao tamanho, sendo o diâmetro, sendo que partículas finas são capazes de cobrir áreas entre 100 a 1200 nm e partículas superfinas conseguem cobrir uma área de 1 a 100 nm, sendo o próprio tamanho das nanopartículas superfinas entre 1 a 100 nm. Logo podemos dizer, e isso fica bem óbvio, que o critério mais importante que definem as qualidades de uma nanopartícula é o tamanho das mesmas.

Uma nanopartícula pode ser composta por mais de um tipo de átomo e ter comportamento e características bastante diferentes do material de origem. Essas nanopartículas também podem ser modeladas e então o número de átomos que as compõem podem ser adicionados em porcentagens que modificam as qualidades do material conforme as porcentagens vão sendo alteradas.

Laboratorialmente as nanopartículas podem ser desenvolvidas com a agregação de pós finos de materiais que se desejam estudar. Muitas nanopartículas podem ser produzidas a temperatura ambiente. A modelagem das partículas podem ser desenvolvidas computacionalmente e suas características estudadas com auxílio de mecânica clássica e dinâmica molecular com programas como Gromacs, LAMMPS, DL_Poly dentre outros.

Computacionalmente existem problemas que tem que ser minimizados energeticamente, com possíveis sobreposições de átomos, por isso quando se modela uma partícula ou um sistema deve-se rodar uma simulação onde se tem o calculo das posições de cada átomo no espaço gerando um arquivo que garante posições que não se tem sobreposições desses átomos.

As formas das partículas também são relevantes, havendo estruturas com diversas faces, sendo essas faces de importância para o comportamento das nanopartículas, logo, existem números chamados "mágicos" que estruturam uma partícula perfeitamente. Os mais comuns são 586 e 1289 átomos, formando uma estrutura com 20 faces, possuindo faces com formatos hexagonais e quadradas. Com essas quantidades de átomos temos o encerramento perfeito da estrutura de uma partícula com 586 ou 1289 átomos, evitando que algum átomo fique fora da estrutura e altere a energia do sistema aumentando-na.

Acima temos uma nanopartícula de ouro de 3,5 nm com 1289 átomos e aquecida a 298 K.

Nanopartícula de Platina, como 1289 átomos. A simulação para se chegar nessa partícula foi feita com temperatura crescendo de 300 K a 1200 K numa razão de 50 K. A partícula da imagem está a 300 K e possui tamanho de 3,5 nm.

As nanopartículas podem ser usadas para diversas coisas desde indústria até medicina. Na indústria elas tem um forte apelo para o desenvolvimento de catalisadores, ou seja, servem para que reações químicas se deem mais rápidas devido ao abaixamento da energia de ativação do sistema por causa das interações que as mesmas tem com componentes do processo químico. Isso garante um lucro maior das indústrias, pois se tem um menor gasto energético para se produzir quantidades muito grandes de produtos. São muito empregadas na indústria siderúrgica. Na área de medicina podem ser usadas como receptores de enzimas e ajudar no tratamento contra o câncer dentre diversas outras coisas.  

Plano de Aula - Como montar e por que usar?

O Plano de Aula é um documento onde se disponibiliza e se organiza os dados e sequência de uma aula, ou seja, um recurso para se seguir e não se perder durante o desenvolvimento da mesma.

Ele é dividido em tópicos e os mesmos devem ser objetivos e sintetizar de forma organizada e resumida o que propõem. 

*Os Dados Essenciais servem para dizer onde e quando a aula será aplicada.

*A parte de conteúdo deve abordar sobre o que a aula vai falar.

*Os Objetivos devem ser escritos no imperativo, pois representam ações que serão feitas, observadas ou cobradas em sala.

*Recursos Didáticos servem para explicitar como a aula será aplicada.

*Referências Bibliográficas devem ser lembradas também, pois servem de recurso histórico para saber qual a base de conteúdo da aula.

*Deve ocupar uma página do tamanho A4.

Abaixo há um exemplo de Plano de Aula, onde uma aula de Reações de Simples e Dupla Troca é planejada.

1- Dados essenciais:

      Data: ------

      Nome da Escola: -------

      Nome do Professor: -------

      Disciplina/Turma: ------ 

      Tempo de aula: 50 minutos.

      2 - Conteúdo a ser abordado:

Reações de Simples Troca: Em Química, uma reação de simples troca ou reação de deslocamento ou ainda reação de substituição é uma reação onde há dois reagentes e dois produtos, sendo que um reagente é um elemento químico e o outro é um composto, e entre os produtos há igualmente, um elemento e um composto. Uma reação de simples troca possui a forma: A + BC → B + AC.

Reações de Dupla Troca: Em Química, uma reação de dupla troca ou reação de metátese é uma reação onde há dois reagentes, ambos compostos gerando dois produtos, sendo que são igualmente dois compostos, permutando entre si dois elementos ou radicais. Uma reação de dupla troca pode ser descrita da seguinte forma: AB + CD → AD + CB.

Utilização de tais reações na indústrio e o que elas podem produzir, como a produção de silício usado em componentes eletrônicos.

      3 - Objetivos:

    Os alunos devem compreender as características fundamentais de como ocorrem as reações químicas, conseguindo identificar qual delas é uma reação de simples troca e qual é uma reação de dupla troca.

            3.1.  Objetivos Específicos:
 Ao nível de conhecimento adquirido: Comparar e constatar as diferenças de estruturais dos produtos após a reação ser finalizada.

      Ao nível de aplicação do conhecimento adquirido: Perceber, descrever e ilustrar como se dá a troca de espécies entre os compostos das reações.

     Ao nível de solução de problemas: Conseguir debater, escolher, organizar e propor quais, átomos ou espécies químicas de uma molécula são mais propícios para formar ou formarem pares com outros, átomos ou espécies da outra molécula envolvida na reação.

      4 -  Recursos Didáticos: Utilização de lousa, exposição oral do conteúdo da aula e material didático de estruturação de moléculas para ilustrar as reações em uma visualização que extrapole somente o uso da lousa e reações escritas na forma de equações.

        5 - Bibliografia:
       Química Essencial / João Usberco, Edgard Salvador – 1. Ed. – SP : Saraiva, 2001.

Por que os Fogos de Artifício são coloridos?

A aproximadamente 20 séculos atrás  na China, o homem teve contato com um novo composto, que surgiu sem querer através da mistura de Salitre (Nitrato de Potássio), Enxofre e Carvão, que possuía a capacidade de explodir quando moído e exposto a alguma fonte de calor, esse composto era a pólvora. Com a descoberta de tão interessante composto, o ser humano começou a perceber que o mesmo podia servir para produzir trabalho que levaria muito tempo para ser feito por homens, ou seja, era uma bom artefato para agilizar certos serviços pesados.

Porém uma das primeiras utilidades da pólvora esteve relacionado com a área de entretenimento, ou seja, a princípio a grande capacidade energética que a pólvora tinha, não era usada para fins se não de espetáculos.

Os chineses foram o primeiro povo a vislumbrar uma queima de fogos de artifício, com diversas cores explodindo em homenagem ao imperador ou eventos do calendário.

Mas como um fogo de artifício explode em cores diferentes, o que a pólvora tem a ver com isso?

A pólvora não tem muito a ver com a cor das explosões, porém a explosão somente se dá por causa da deflagração de um cartucho de pólvora. Esse composto ao receber energia na forma de calor ou pressão, ele torna-se muito instável, ocorrendo uma reação onde se tem uma expansão de gases muito rápida, ou seja, uma onda de choque juntamente com gases quentes se movem em todas as direções com extrema violência, caracterizando assim uma explosão.

A cor da explosão se dá pelo fato de junto ao cartucho com pólvora haver também alguns pedaços de um determinado metal. Cada metal puro, quando exposto a uma chama, é capaz de liberar uma luz colorida, podendo ser diferente da cor da chama ao qual o metal é exposto. Esse é um procedimento muito conhecido atualmente e aplicado em aulas de Química Analítica, chama-se Teste de Chama e é uma análise qualitativa do elemento químico em questão. 

O efeito se dá com o fornecimento de energia aos elétrons do metal, que tornam-se excitados e passam de um sub-nível energético inferior para um nível energético superior, porém a excitação dura pouco tempo, o que força o elétron retornar para seu sub-nível de energia mais estável (o que necessita de menos energia para ser estável), liberando assim a energia acumulada sem uso na forma de luz (fóton). Como os elétrons mais externos estão em sub-níveis, em orbitais e em períodos diferentes, cada átomo da tabela tende a ter cor diferente a outros comparando tudo isso, porém pode ocorrer de átomos muito grandes possuírem configurações e energias muito parecidas, levando assim a terem cores parecidas no teste de chama.

Excitação do Elétron recebendo e energia na forma de calor e Relaxamento do mesmo liberando um fóton  

Nos fogos de artifício, a liberação de energia na forma de calor é tão grande, que queimam os metais que se encontram junto do cartucho. Esses metais então tem seus elétrons excitados e logo em seguida relaxam novamente até o nível energético mais estável, liberando determinada luz colorida com o excesso de energia que não foi usada para manter o elétron excitado.

Abaixo temos uma tabela com os metais mais usados e as cores que liberam quando queimados. 

Podemos ver as explosões no vídeo e as cores no seguinte vídeo:

https://www.youtube.com/watch?v=bbzPuYqqv5k

Praticamente todos os metais citados na tabela estão presentes nas explosões dos fogos desse vídeo.

Por que usa-se silício em componentes eletrônicos de condução e não mais metais?

Antigamente os aparelhos eletrônicos possuíam tamanho relativamente grande, devido a quantidade de peças que eram necessárias para que os mesmo funcionassem, e não somente a necessidade de muitas peças, ainda havia o tamanho das peças, que eram compostas por diversas partes, aumentando drasticamente o tamanho das mesmas também, ou seja, um simples rádio que hoje podemos carregar no bolso ocupava o espaço de um móvel da sala, ou então os computadores que hoje pesam alguns gramas, chegaram a ocupar um andar inteiro de um prédio. Porém com o passar do tempo novas tecnologias começaram a serem desenvolvidas e implementadas, sendo um bom exemplo os transistores.

Os transistores foram desenvolvidos nos EUA nos laboratórios de uma empresa de telefonia, sendo que seus idealizadores ganharam o prêmio Nobel pela criação deste novo componente eletrônico tão importante. Um transistor tem como função amplificar ou interromper um sinal elétrico, a princípio foram muito usados na área de telefonia, porém com a grande capacidade que esses componentes demonstraram ter, logo ocuparam toda o ramo de eletrônicos.

Nesse período (fim da década de 40), tinha-se nos EUA o domínio total da produção de válvulas, que tinham a mesma função nos aparelhos eletrônicos que os transistores, e com isso a proliferação de tal tecnologia não se deu tão rápida, porém, os japoneses ao perceberem a grande capacidade desses componentes, começaram a substituir tudo o que se usava válvulas por transistores, acarretando na diminuição do tamanho dos aparelhos eletrônicos.

Uma válvula corresponde a várias peças metálicas dentro de uma cúpula de vidro evacuada, ou preenchida com algum gás inerte ou que auxilie na condução de eletricidade. Ela tem um formato cilíndrico e podem ser de diversos tamanhos, sendo as mais comuns de uns 5 cm até 15 cm. Fora o agravante do tamanho, um outro problema desses componentes era o aquecimento das peças metálicas, mesmo um material metálico ser um bom condutor (cobre, ferro, ouro), eles conduzem cada vez menos se aquecidos, o que causava um tempo de vida útil reduzido das válvulas e o fato de gastar muita energia sem utilizar, fato esse que não faz sentido para um aparelho que depende de energia para operar alguma função.

Essa é uma comparação entre um celular produzido no começo dos anos 2000 e uma válvula da década de 60. Notem que se fossem usadas válvulas em um celular ele não seria compacto, e dificilmente caberia em um bolso.

 

Válvula do tipo termoiônica, muito usada em aparelhos da década de 60. Notem que ela tem praticamente o tamanho de muitos aparelhos eletrônicos de hoje em dia.

Um transistor além de ter tamanho reduzido, ele não possui como condutor básico um elemento metálico, mas sim um semi metal, o Silício (Si), que conduz mais eletricidade se estiver aquecido.

Por que um condutor aquece com a passagem de corrente elétrica?

Um metal usado como condutor geralmente é um átomo que possui diversos orbitais e com isso diversos elétrons, logo esse metal possui um raio atômico relativamente grande, o que culmina em um tamanho grande do átomo como um todo. Em um pedaço desse metal temos diversos átomos que se são grandes e com isso acabam sobreponde orbitais, com isso se dá uma movimentação de elétrons em orbitais de mesmo nível, onde não se tem diferença energética e nem mais distinção entre orbitais de um ou outro átomo. Quando passa-se uma corrente elétrica pelo condutor, faz-se com que elétrons proveniente dessa corrente comecem a passar de orbital em orbital dos átomos que os possuem sobrepostos, forçando assim com que um elétron de determinado orbital fique excitado, passando de um orbital para outro. Com isso a energia absorvida  pela cinética do elétron que chega via corrente e depois liberada via o relaxamento do sistema, faz com que os átomos vibrem e dessa forma choquem-se entre si, provocando o aumento da temperatura, ou seja, parte da energia do sistema é perdida na forma de calor. A energia necessária para fazer um elétrons passar de um orbital para o outro (banda de valência para banda de condução) chama-se gap de energia. Um metal tem as bandas sobrepostas

Com muito aquecimento, começa-se a ter uma desestruturação do sistema conhecido como retículo cristalino, que é uma rede onde se tem organizado os átomos no condutor, e isso causa uma desorganização nas bandas de valência e condução, diminuindo assim a condução em temperaturas mais elevadas.

A banda de condução está representada pela cor vermelha e a banda de valência em azul, quanto maior o gap energético entre a duas, mais energia tem que ser fornecida para que ocorra a condução, quando as bandas estão tão distantes que nem mesmo com adição de energia em quantidades muito altas fazem com que ocorra excitação dos elétrons de uma banda para a outra, esse material é conhecido como isolante.

Por que um semi metal conduz mais corrente se estiver aquecido?

Um semi metal como o Silício, possui um gap de energia muito alto, pois não tem bandas sobrepostas o que leva a necessidade de haver excitação do elétron para que ele salte de uma região para outra. Com isso os semi metais acabam se comportando de maneira oposta aos metais e possibilitando o uso desses elementos com melhor finalidade de condutores.

Por que as válvulas são maiores que os transistores?

As válvulas por acabarem tendo um aquecimento excessivo por terem em seus interiores compostos metálicos, precisam de formas de dissipar a energia e por isso existem os tubos de vidro que podiam ser evacuados para evitar a eliminação energética de calor para o meio, porém com o contato das partes metálicas com o vidro o aquece e para uma melhor dissipação ocorre a necessidade de espalhar esse calor pela superfície do vidro, e com uma maior área se tem uma boa dissipação, logo, quanto maior a válvula (dependendo da voltagem máxima que pudesse passar por ela sem que a mesma queimasse) melhor o funcionamento de dissipação de calor.

Fotossíntese, um processo complexo - Parte 8 - Metabolismo C4 e Conclusão do Estudo.

Metabolismo C4

*   Descoberto estudando as gramíneas

*   Nessas espécies o primeiro produto estável da fotossíntese é uma molécula de quatro carbonos.

*    A PEP carboxilase (PEPcase) catalisa a carboxilação irreversível do ácido fosfoenol pirúvico (PEP), tendo como intermediário o ácido oxaloacético (AOA):

-    HCO3^- + PEP   à   AOA + Pi

-       A PEPcase usa o carbono na forma de bicarbonato, enquanto que a Rubisco usa o carbono na forma de CO2.

*  A via metabólica C4 como um todo é responsável pelo bombeamento bioquímico do CO2 da atmosfera para o Ciclo de Calvin, operando nos cloroplastos das células da bainha perivascular.

Conclusão desse estudo sobre Fotossíntese

*    A fotossíntese pode a princípio parecer algo não tão complexo, uma vez que gera energia para seres que não demonstram muita atividade visual, são sésseis e não possuem sistema nervoso.

*  Porém todo sistema que absorve e converte energia de alguma forma, necessita de milhares de reações, para que nada que seja produzido acabe por ser descartado sem utilidade, o que se mostraria somente um gasto de energia.

*    Para evitar desperdício de energia, sistemas em ciclos são utilizados.

*   Tudo que é produzido, acaba por grande parte, sendo usado como reagente de outras reações que podem regenerar compostos utilizados em algum momento na síntese energética.

Bibliografia 

O livro Fisiologia Vegetal é usado em cursos de Biologia, por ser ter um texto bastante orientado aos biólogos, enquanto que o livro Princípios de Bioquímica, também conhecido pelo nome do autor Lehninger é usado tanto em cursos de Química, quanto de Biologia, Medicina, Enfermagem e em algumas Engenharias.

O seguinte link leva a um artigo referente a produção de Carotenoides: 

http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40422009000900036&script=sci_arttext (acessado dia 20/05/2012).

Fotossíntese, um processo complexo - Parte 7 - Introdução ao Metabolismo do Carbono e seus Ciclos

Metabolismo do Carbono na Fotossíntese

• Cerca de 2x10¹¹ toneladas de biomassa é produzida por ano, sustentado pelo ATP e o NADPH produzido durante a etapa fotoquímica da fotossíntese.
• A formação de moléculas orgânicas se dá na fixação do CO2, catalisada por uma enzima chamada Ribolose Bifosfato Carboxilase/Oxigenase (Rubisco).
• A Rubisco tem como finalidade catalisar a fixação do CO2 e então desencadear várias reações que geram carboidratos, proteínas e lipídios que sustentam as plantas e os demaisseres vivos.
• É uma enzima bifuncional, catalisando tanto a carboxilação como a oxigenação de seu substrato a pentose chamada ribulose-1,5-bisfosfato (RuBP).
• Os gases O2 e CO2 disputam entre sí pelo mesmo sítio atívo da Rubisco, reagindo com o RuBP.

 Carboxilação e Oxigenação da RuBP

O Ciclo C3 e C2

Partindo do composto resultante da carboxilação (3-fosfoglicerato, tem início a um ciclo de reações que geram carboidratos e simultaneamente regeneram a pentose, que reage com o CO₂, a RuBP. Esse é conhecido como Ciclo de Calvin-Benson ou Ciclo C3.

Formado pela função oxigenase da Rubisco, o Fosfoglicolato não pode ser usado no Ciclo C3. Seu processo segue um outro caminho, a via C2. Sendo que o 2-fosfoglicolato é metabolizado pelo consumo de O₂ e CO₂ já fixado. A via C2 é conhecida como Via Fotorrespiratória.

     * Os dos ciclos operam em sentido opostos.

     * O C3 gera ganho de de carbono reduzido (carboidratos) a partir da fixação de CO₂.

     * O C2 promove a perda de carbono reduzido a partir da fixação de O₂. 

Ciclo C2 e C3

  Aprofundamento sobre o Ciclo C3

·       *   Foi descoberto na década de 40 por Calvin, Benson, Basshan e uma grande equipe.

·        * Fizeram experimentos com algas verdes: Chlorella e Scenedesmus

·       * Utilizaram o Carbono 14 como traçador em cromatografia bidimensional em papel.

-          - As algas eram expostas a condições uniformes de luz e CO₂ de modo que a fotossíntese atingisse estado estacionário. Por um breve período de tempo o  ¹⁴CO₂ era fornecido às algas.

-           - A amostra era analisada em álcool fervente

·         * Essa via metabólica de carboidratos possuia 13 reações organizadas de um modo cíclico.

 

•     Após a redução do NADP⁺ a NADPH na fotofosforilação acíclica e a fosforilação do ADP+Pi em ATP na fotofosforilação acíclica ou cíclica, que o CO2 combina-se com uma pentose-ribulose difosfato (RuDP), originando um composto intermediario, instável, com seis carbonos.
•    Devido à sua instabilidade, este composto origina de imediato duas moléculas de fosfoglicerato, constituído por 3 carbonos. Estas duas moléculas são fosforiladas pelo ATP e posteriormente reduzidas pelo NADPH, a partir da fase dependente da luz. Estas reações formam o aldeído fosfoglicérico. Para cada 12 moléculas de PGAL formadas, 10 são utilizadas para regenerar a ribulose (fazendo assim voltar, após a fosforilação deste por 6 ATPs, o ciclo à etapa inicial). Duas moléculas são utilizadas para formar compostos orgânicos, como glícidios.
•      É necessário, para formar uma molécula de glicose, que este ciclo se repita seis vezes.
•     Para o crédito de uma molécula de glicose há a necessidade de seis moléculas de CO2, dezoito de ATP (três por cada ciclo) e doze de NADPH (duas por cada ciclo).

Aprofundamento sobre o Ciclo C2

* Via bioquímica do Glicolato, vem da função oxigenase da Rubisco.

* Responsável pela Fotorespiração.

* Envolve 3 organelas complexas:

- Cloroplastos, Peroxissomos e Mitocôndrias.

* Formado o Glicolato ele é hidrolisado no estroma do cloroplasto por uma fosfatase (Fosfoglicolato Fosfatase).

* O glicolato é levado para fora do cloroplasto através de um carregador específico.

* No interior dos peroxissomos o glicolato é oxidado a glioxilato e, em seguida passa por uma reação de transaminação convertendo-o no aminoácido glicina.

* A Glicina é levada às mitocôndrias onde duas moléculas de glicina são convertidas no aminoácido serina e em uma molécula de CO₂.

* Portanto o CO₂ liberado na fotorespiração é a molécula de glicina. 

 

Transaminação à Glicina no interior do Peroxissomo

 A imagem abaixo mostra resumidamente o sistema funcional do carbono na fotossíntese envolvendo as três organelas complexas: Cloroplasto, Peroxissomo e Mitocôndria.

O próximo post será uma continuação do metabolismo do carbono, e a conclusão desse estudo de fotossíntese, seguido de uma sugestão de bibliografia para um aprofundamento maior nesse estudo.