Nanomateriais: Estruturas 0D, 1D, 2D e 3D.

Imagem nanopartículas

Os nanomateriais (NMs) são materiais que têm dimensões na escala nanométrica, ou seja, entre 1 e 100 nanômetros. Para imaginá-los, pensemos em dividir um cubo de um centímetro em mil milhões de partes iguais: cada parte teria tamanho nanométrico.

O novo dos NMs é que, ao controlar como são produzidos (sua síntese), é possível obter nanoestruturas com propriedades muito distintas, mesmo tratando-se do mesmo material. Na nanoescala, seu comportamento muda e, em consequência, também suas aplicações.

Tipos de nanomateriais

• Nano-objetos: quando o comprimento, largura ou altura estão na nanoescala.

• Materiais nanoestruturados: quando no seu interior ou superfície contêm partes nanométricas, com ao menos 10% de nano-objetos em sua composição.
  

  

• Fig. 1. Classificação dos NMs segundo dimensionalidade. Fonte: QuimicaViva vol 22 número 11.

• Classificação dos nano-objetos:

  Nanopartículas (0D)

  Imaginemos um cubo tão pequeno que suas três dimensões (altura, largura e comprimento) estão na escala nano. Neste tamanho, uma grande proporção de átomos se encontra na superfície, o que significa que têm muito mais superfície exposta em relação ao seu volume. Isso modifica propriedades como o ponto de fusão, a cor, a condutividade ou a reatividade. Além disso, na escala nanométrica aparecem fenômenos especiais (como o confinamento quântico e a ressonância plasmônica superficial) que reforçam essas diferenças em comparação ao mesmo material em sua forma convencional. Um exemplo visível disso são as cores intensas de algumas nanopartículas metálicas, como ocorre nos pontos quânticos (quantum dots).
  A categoria de NMs 0D é composta por nanopartículas, nanoclusters e nanocristais.
  Um exemplo: os televisores com tecnologia QLED utilizam nanopartículas chamadas pontos quânticos (quantum dots), que melhoram o brilho e a pureza das cores.

  

  Fig. 2. Nanopartículas de prata. Fonte: Películas biodegradables com propriedades bioativas. ResearchGate

• Nanofibras ou nanotubos (1D)

  Agora pensemos em um fio extremamente fino. Tem duas dimensões na nanoescala (a largura e a altura de sua seção transversal, ou seja, seu diâmetro) e uma muito mais longa (comprimento). Aqui entram nanofibras, nanotubos e nanocabos.
  Destacam-se por sua resistência mecânica e por suas propriedades semiconductoras.
  Um exemplo: Os nanotubos de carbono são tão resistentes que estão sendo pesquisados para reforçar materiais de construção como o cimento, e além disso, são usados no desenvolvimento de transistores e circuitos eletrônicos.

  

  Fig. 3. Nanotubos de carbono atuando como uniões / pontes (linkers) na fratura do cimento. Fonte: Design and predicting performance of carbon nanotube reinforced cementitious materials: mechanical properties and dispersion characteristics.

• 

  Fig. 4. Estrutura de um nanotubo (Nanomaterial 1D).

• Nanoplacas (2D)

  Imaginemos agora uma folha de papel, mas com uma espessura nanométrica. Uma única dimensão (a espessura) está na escala nanométrica, enquanto as outras são muito maiores.
  Esse formato de “placa” ou “filme” lhes confere grande resistência e condutividade, geralmente são conhecidas como filmes finos (thin films), nanoplacas, nanofilms.
  O exemplo mais relevante é o grafeno, formado por uma única camada de átomos de carbono, é 200 vezes mais resistente que o aço e ao mesmo tempo extremamente leve e flexível.

  

  Fig. 5. Bateria de óxido de grafeno para melhorar o desempenho das baterias tradicionais. Fonte: American Chemical Society.

• Materiais nanoestruturados (3D)

  Aqui não se trata de um objeto isolado, mas de materiais onde os nano-objetos estão interconectados em uma matriz. Nos materiais 3D o “nano” não está nas dimensões externas, mas na sua estrutura interna ou superficial, o que significa que o material pode ser visto e manipulado de forma macroscópica, mas dentro dele existem componentes ou poros na escala nanométrica.

  

  Fig. 6. Nanomaterial 3D. Fonte: Researchgate.

• Esta categoria é composta por:

• Pó nanoestruturado

• Partículas sólidas onde cada “grão” tem uma estrutura interna organizada na escala nanométrica.

  Nanocompostos

• Materiais formados por várias fases combinadas, onde pelo menos uma tem dimensões nanométricas, alcançando propriedades melhoradas ou novas.

  Nanoespumas sólidas

• Materiais sólidos com uma rede interna de poros nanométricos, que aumentam a superfície e reduzem a densidade.
  
  Materiais nanoporosos

  Podemos pensá-los como uma peneira com orifícios diminutos: os poros são tão pequenos que só deixam passar moléculas específicas.

  Dispersiones nanofluídas

  Seriam como água com “pó invisível” de nanopartículas flutuando nela, que lhe dão propriedades novas.
  
  Em resumo, os nanomateriais são um claro exemplo de como o invisível a olho nu pode transformar desde a tecnologia até a medicina, graças a propriedades únicas que só emergem na nanoescala.