Nano-Lego, a importância de ser pequeno
Nano-Lego virtual
O uso de computadores é cada vez mais essencial na investigação que se faz hoje em dia, em particular na Física. A sua enorme capacidade de cálculo permite não só simular e testar teorias bem como, dada por vezes a capacidade destas em prever quantitativamente fenómenos quânticos às escalas relevantes, utilizar os computadores para simular comportamentos de materiais e outros sistemas complexos que, num laboratório, seria não só difícil como muito mais dispendioso de levar a cabo. A sua importância torna-se decisiva nos ramos da física que lidam com conjuntos de muitas variáveis tais como a Física dos Sistemas Complexos, a Mecânica Celeste ou, mais relevante neste contexto, processos quânticos envolvendo muitas partículas.
Em 1998 o Prémio Nobel da Química foi atribuído em simultâneo ao Físico Walter Kohn pelo desenvolvimento da Teoria do Funcional da Densidade e ao Químico John Pople, pelo desenvolvimento de métodos computacionais em Química Quântica.
Porquê tamanha importância atribuída simultaneamente a estas 2 contribuições?
Sem dúvida que a Teoria do Funcional da Densidade, bem como a viabilidade da sua implementação numérica em programas altamente eficientes, veio revolucionar o modo como se investigam novos materiais e suas aplicações tecnológicas em função da sua constituição atómica ou molecular. Por outras palavras, não é necessário ir para um laboratório para “jogar” nano-Lego. Com efeito, podemos usar o computador. Só que, será lícito pensar, jogar no computador não é a sério. É precisamente neste contexto que o prémio Nobel da Química de 1998 é útil para desmistificar tal ilusão, pois a verdade é que as previsões até hoje efectuadas computacionalmente, recorrendo à Teoria do Funcional da Densidade, constituem um dos sucessos mais estrondosos da Mecânica Quântica na sua aplicação ao estudo das propriedades atómicas de moléculas, agregados, superfícies e sólidos. Cada vez mais as comodidades de que nos rodeamos no dia a dia resultam de elaboradas simulações computacionais no âmbito da referida Teoria do Funcional da Densidade, sendo a sua capacidade de prever, quantitativamente, as propriedades de novos materiais e componentes é uma realidade genericamente aceite pela comunidade científica actual.
Acresce que, regra geral, é muito mais económico “jogar” nano-Lego no computador do que no laboratório, pois não só os equipamentos computacionais são mais económicos (um laptop de 2004 tem uma performance muito superior e um preço incomparavelmente inferior a uma estação de trabalho “topo-de-gama” de meados dos anos 90...) como também todas as despesas de funcionamento são muito mais reduzidas.
Por isso não é de admirar que a comunidade que, espalhada pelo mundo inteiro, “joga” nano-Lego no computador não pare de aumentar. Em particular, a procura de novos materiais, sejam eles de hiato largo para futuros chips de computadores (por exemplo, à base de gaiolas ocas de silício), sejam supercondutores de alta temperatura, é rotineiramente efectuada recorrendo a simulações computacionais. Nestas, executam-se programas que não só é possível encontrar, muitas vezes, gratuitamente disponibilizados na internet, e que resultam de colaborações científicas internacionais envolvendo cientistas dos 5 continentes, como ainda muitos destes programas contêm alguns dos algoritmos mais sofisticados desenvolvidos nas últimas décadas. É um exemplo notável de colaboração científica que dificilmente encontra paralelo noutras áreas.
O futuro próximo
O número de aplicações concretizadas na área da nanotecnologia é já grande. As áreas da computação e medicina são aquelas que mais têm beneficiado da exploração das potencialidades à escala do nanómetro onde aparecem novidades quase todas as semanas.
Mas não só. Existem já muitos outros exemplos de aplicação desta tecnologia, como a utilização de nanotubos de carbono na produção de protectores solares mais eficazes, ou a utilização de filmes fotográficos formados a partir de nanopartículas de prata, com sensibilidades muito superiores aos convencionais (apesar das máquinas digitais terem tornado esta tecnologia praticamente obsoleta). Temos ainda a recente descoberta de nanoesponjas de carbono (ver figura abaixo), que, dada a sua reduzida condutividade térmica, podem ser usadas para circunscrever "explosões químicas" como aquelas que ocorrem em tratamentos do câncer por quimioterapia.
O futuro longínquo
Um exemplo dos projectos visionários que facilmente germinam na imaginação dos investigadores (e não só), dadas as potencialidades da nanotecnologia, tem por fim proporcionar um meio de transporte estável entre a Terra e o espaço: o elevador espacial.
Dada a extrema resistência e flexibilidade dos nanotubos de carbono estes poderiam ser usados como carris que suportariam veículos espaciais, que a partir de uma estação colocada no topo de um edifício com uma altura da ordem dos 50 km, subiriam nesses carris até uma estação espacial colocada em órbita geostacionária. Nesta visão ainda não é claro como seria construído um tal edifício, ou que mecanismo deveria ser usado na propulsão dos vaivéns (shuttles), mas o essencial é que dada a tecnologia que se desenvolve actualmente, especulações que há uns anos atrás não teriam cabimento científico podem agora inspirar-nos e levar-nos até à idealização de projectos arrojados como este.
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