Nanorrobôs e Motores Moleculares

Nanorrobôs - Como serão? I: Sensores e Actuadores

Tal como um robô à escala macroscópica, um robô à escala do nanómetro terá que ter sensores para que se possa orientar, algum tipo de mecanismo de controlo, actuadores e mecanismos de propulsão para que se possa mover e capacidade de comunicar com outros agentes. Porém, esta mudança de escala não permite a cópia directa das estruturas e estratégias utilizadas nos “macrorrobôs”. À escala do nanómetro, a matéria não se comporta como à escala macroscópica, onde os processos quânticos imperam. Para projectar e construir um nanorrobô é necessário conceber cada um dos componentes utilizados, bem como o seu funcionamento, de acordo com as leis da Mecânica Quântica. Ao contrário do que possa parecer, esta realidade não constitui um constrangimento. Pelo contrário, abre todo um universo de novas possibilidades.

Sensores

Ponta de um cantilever de um microscópio de sonda de varrimento.

Actualmente ainda não existem sensores artificiais verdadeiramente à escala do nanómetro. Já se projectaram e construíram aparelhos que exploram a alteração de condutividade em nanotubos e nanofios quando estes são expostos a substâncias específicas, porém ainda não se conseguiu fazer um verdadeiro nanossensor. A sensibilidade a diferentes espécies químicas pode ser conseguida ligando certos grupos químicos aos sensores. Apesar dos tubos e fios utilizados nestes sensores terem vários micrómetros de comprimento pensa-se ser possível torná-los mais pequenos mantendo as suas capacidades sensoriais.

Os sensores químicos utilizados nos cantilevers dos microscópios são muitas vezes chamados de nanossensores, apesar destes serem micro-aparatos. Estes sensores fazem principalmente uso de dois mecanismos:

1. Detectam a deflexão do cantilever causada pela superfície quando uma espécie química se liga a um dos dois extremos do cantilever
2. Medem a variação da frequência de ressonância do cantilever quando se dá o aumento da sua massa devido à deposição de moléculas.

Representação artística de nanorrobôs em movimento no interior de vasos sanguíneos.

Pensa-se ser possível miniaturizar estes mecanismos fabricando um nano-cantilever. Já foram desenvolvidos cantilevers com frequências de ressonância de 1 GHz, porém estes ainda são demasiado grandes para poderem ser considerados nanossensores.

Por sua vez, já foi demonstrada a possibilidade de conceber pontas de prova fluorescente com dimensões à escala do nanómetro. Estas pontas de prova podem ser injectadas em células e relatar as concentrações de substâncias químicas dentro destas. É de notar que a ponta de prova per se não é um sensor, pois esta requer uma fonte de luz e um detector de fluorescência, ambos dispositivos macroscópicos dificilmente miniaturizáveis. Este facto torna complicado a sua transformação em nanorrobôs autónomos ou semiautónomos.

Uma das hipóteses mais promissoras é aquela que defende que uma alteração da forma de uma proteína durante o processo de binding (ligação) pode ser utilizada para reconhecer certas substâncias químicas. Com efeito, a ligação de uma substância química específica reconhecida por uma proteína causa um movimento tipo “dobradiça”, que resulta numa alteração da distância entre a componente electricamente activa e um eléctrodo, podendo detectar-se esta alteração electricamente.

As bactérias, por exemplo, podem utilizar sensores para este tipo de estímulos, fazendo, por exemplo, uso de campos magnéticos, o que permite interactuar com estas a distâncias muito superiores aquelas que caracterizam o "contacto químico".

Actuadores

Máquinas Moleculares Artificiais

Representação, de acordo com um paradigma "macroscópico", de um nanomotor de rotação.

As máquinas moleculares naturais estão por toda parte - são elas que fazem os nossos músculos moverem-se. Mas construir máquinas moleculares artificiais não se circunscreve à miniaturização dos processos de fabrico à escala macroscópica, dada a natureza quântica dos processos à escala do nanómetro.

O objectivo destas máquinas é mover de uma forma controlada átomos ou grupos de átomos. Estas máquinas serão moléculas simples ou sistemas supramoleculares constituídos por várias moléculas interligadas. Em qualquer dos casos será necessário projectar estas máquinas por forma a que cada um dos seus átomos tenha uma função pré-determinada, em função da sua "localização" relativamente aos outros átomos na molécula. As máquinas moleculares poderão ser alimentadas electricamente, opticamente ou quimicamente. As mais interessantes máquinas moleculares sintetizadas até hoje são pequenas moléculas orgânicas movidas através de luz: um shuttle linear e um motor de rotação. Sob a radiação de um determinado comprimento de onda na gama do visível, uma parte da molécula de Feringa (o rotor), gira continuamente em relação a uma parte fixa (o stator) em torno do carbono (ligação dupla de carbono, no centro da figura). O movimento de rotação divide-se em quatro etapas:

1. A radiação incidente causa uma isomerização cis-trans. Esta alteração na forma da molécula de um estado em que dois grupos de átomos estão no mesmo lado da ligação (cis) para um outro estado em que os grupos ficam em lados opostos da ligação (trans).
2. A molécula resultante da transformação anterior é instável, o que faz com que esta mude espontaneamente para uma configuração mais favorável do ponto de vista energético.
3. e 4. A luz incidente causa uma outra isomerização cis-trans, resultando numa configuração que espontaneamente se transforma na configuração inicial, fechando assim o ciclo.

As máquinas moleculares são deveras interessantes, mas, na sua forma actual, apresentam alguns inconvenientes do ponto de vista das suas aplicações em nanossistemas.

• Estas máquinas são sintetizadas e existem apenas em solução. A comunicação individual com cada uma delas implica que estas estejam ligadas a uma superfície ou a uma estrutura tridimensional;
• O limiar de funcionamento destas máquinas é geralmente muito inferior a 100%. Por exemplo, se se aplicar radiação com comprimento de onda apropriado a uma solução que contenha motores moleculares alimentados opticamente, menos de 50% destes irão mover-se;
• O abastecimento químico é inconveniente não só porque não permite um controlo preciso do momento em que a máquina é desligada ou ligada, como também porque pode produzir desperdícios que têm que ser removidos;
• O abastecimento de forma óptica pode estragar as máquinas pois os comprimentos de onda da radiação necessários implicam frequências (energias) muito elevadas;
• A força, o momento e a energia características deste tipo de máquinas ainda não foram estudadas em detalhe;

Biomotores

Exemplos de biomotores são moléculas de proteínas que convertem energia química em energia mecânica sob forma de movimento. Estas moléculas são responsáveis pelos movimentos básicos de muitos sistemas biológicos, como é o caso dos nossos músculos. A actomiosina é um exemplo de um biomotor. Nesta molécula a actina funciona como uma "pista" sobre a qual a miosina se "desloca" enquanto vai consumindo energia química produzida através da hidrólise do ATP.

Actomiosina, um biomotor que poderá servir de exemplo para futuros nanorrobôs

Os biomotores são verdadeiras obras-primas da natureza. Têm cerca de 100 nm de tamanho, o que é milhares de vezes inferior ao tamanho de qualquer motor construído pelo Homem.

Apesar deste tipo de motores poderem ser ligados a superfícies estão mais próximos de poderem ser utilizados do que as máquinas moleculares sintéticas. No entanto também apresentam alguns problemas.

• Os biomotores consomem combustíveis químicos (o combustível mais comum é o ATP);
• São feitos de materiais de durabilidade limitada;
• Estão altamente dependentes de condições externas (por ex., temperatura e pH) só funcionando sob dadas condições;
• São difíceis de controlar;
• São "demasiado complexos" por ainda se saber muito pouco sobre a forma como operam.

Outras Nanomáquinas

A abertura e fecho de um nanotweezer. A nanopinça representada nesta imagem abre e fecha devido a uma diferença de potencial gerada por uma reacção de oxidação / redução entre os seus constituintes.

Já foi demonstrada a possibilidade de construir outro tipo de nanomáquinas maiores e diferentes das acima descritas. Dentro destes dispositivos, o mais interessante será talvez o nanotweezer. Esta nanomáquina é simplesmente um polímero orgânico sintético desenhado para funcionar como uma "nanopinça". Baseada na tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), esta pinça é constituída por dois nanotubos de carbono ligados a eléctrodos de metal existentes em lados opostos de uma agulha de vidro com um mícron de grossura. Aplicando uma diferença de potencial aos nanotubos a pinça pode fechar ou abrir, permitindo a manipulação de clusters ou fios à escala do nano.