A revolução de 1911

Você pode estar pensando:

“- Revolução? Em 1911? Fernanda enlouqueceu… tanto tempo longe do blog fez mal pra cabeça dela…”.

ou

“-Bem, houve mesmo uma revolução na China em 1911…. mas como isso estaria relacionado à química ou à nanotecnologia? Bala Mágica por acaso virou blog de história agora? Fernanda enlouqueceu… tanto tempo longe do blog fez mal pra cabeça dela…”

ResearchBlogging.org Embora tenha mesmo ficado distante do blog porque meu lado rato-de-laboratório aflorou de forma particularmente intensa nos últimos tempos, ainda não perdi o juízo. Realmente acredito que uma revolução aconteceu em 1911, e não foi na China. Ora, vejamos…. há cem anos uma mulher ganhou o Prêmio Nobel de Química. Sim, a admirável pesquisadora franco-polonesa Marie Sklodowska-Curie. Admirável, por ser a primeira mulher a receber o título de Doutora em Ciências na Europa e ainda por cima ser a primeira pessoa a receber dois Prêmios Nobel na vida – de Física em 1903, pela descoberta da radioatividade, e de Química logo depois, pela descoberta dos elementos polônio e radio. Embora possa parecer, não é da revolução feminista que quero falar. Até porque sabemos que ela aconteceu só uns cinqüenta anos depois.
A revolução à qual me refiro começou sem armas, mas com muitos choques. Foi causada pela descoberta de novos espaços, mas sem tomada de territórios. Não ocorreu por iniciativa de ativistas políticos ou de um líder do povo, mas sim por causa de um pequeno grupo de físicos, na solidão de um laboratório na Universidade de Manchester (UK).
A saga começa cerca de 10 anos antes da data apontada no título desse post, quando os físicos Ernest Rutherford e Paul Villard classificaram diferentes tipos de radiação conforme sua capacidade de penetrar em objetos e causar ionização. A radiação foi dividida por esses cientistas em alfa, beta e .. adivinhe… gama. Destas, a radiação alfa é aquela que apresenta menor capacidade de penetração, podendo ser bloqueada por uma simples folha de papel. Podemos considerar essa radiação como sendo partículas com carga positiva e massa determinada – hoje, sabemos que partículas alfa nada mais são que dois prótons e dois nêutrons (ou seja, o núcleo de um átomo de hélio-4). Só para situar o leitor sobre o grau de conhecimento da época, ainda acreditava-se que os átomos eram formados por um mar de carga positiva contendo regiões pontuais de carga negativa (o famoso modelo do pudim de passas sobre o qual ouvimos falar na escola).
As partículas alfa podem ser obtidas a partir do decaimento de brometo de radio, um dos compostos radioativos descobertos por madame Curie. E foi justamente brometo de radio que os físicos Hans Geiger e Ernest Marsden utilizaram para produzi-las, num experimento famoso coordenado por Ernest Rutherford em 1909. Ao redor de uma folha de ouro muito fininha mesmo, foi disposta uma folha circular de sulfeto de zinco. A ideia era bombardear a tal folha de ouro fininha com partículas alfa, pra ver o que aconteceria. O sulfeto de zinco atuaria como uma espécie de filme fotográfico, marcando os locais para onde as partículas alfa seriam projetadas após o bombardeio. Qual seria a hipótese lógica para esse experimento na época? Todas as partículas alfa (cuja carga era positiva, já se sabia) atravessariam a folha de ouro, porque a carga positiva estaria bastante “espalhada” no pudim esférico que constituía os átomos, de forma que não haveria repulsão significativa de carga. Algumas partículas alfa poderiam sofrer alguns pequenos desvios, se encontrassem pelo caminho as “passas” de carga negativa mais concentrada ali presentes.
Surpreendentemente, os cientistas observaram não só o esperado, mas também algo completamente bizarro: algumas daquelas partículas alfa bombardeadas simplesmente ricochetearam de volta! Rutherford interpretou esse resultado no seu famoso artigo de 1911, como sendo causado pela presença de algo realmente muito denso e pequeno no centro do átomo, que impediria a passagem das partículas alfa numa colisão de frente. Esse “algo” provavelmente teria carga positiva também. E as cargas negativas? Bem, elas deveriam estar ali no átomo para neutralizar as cargas positivas. No entanto, muitas partículas alfa não foram desviadas, e se topassem com cargas negativas, necessariamente seriam desviadas (aquela velha história dos opostos, você sabe). Bem, se não bateu em nada positivo, nem em nada negativo, não bateu…. em nada! Sim, o átomo seria um sistema composto por um núcleo muito pequeno de carga positiva e massa considerável, envolto por um gigantesco espaço onde estariam os elétrons de carga negativa e um monte de ….. vazio. Tal qual uma bola de futebol no meio de um estádio, com apenas algumas centenas de pessoas nas arquibancadas, assim seria um átomo com seu núcleo e seus elétrons (os quais estariam nessa região imensa ao redor do núcleo, chamada eletrosfera). Definitivamente, os dias de analogia culinária para o átomo haviam acabado.
As ideias de Rutherford serviram como base para um novo entendimento sobre a estrutura da matéria. Desde então, tivemos um século de descobertas espantosas, e um salto gigantesco no âmbito da química – motivo mais que suficiente para um ano inteiro de celebração. Interessante como descobrir tudo e nada onde menos se esperava fez toda a diferença …
[continua no próximo post …. ]
(a reflexão que resultou nesse post e no próximo veio de uma conversa sobre história da ciência, no meio de tantas outras, num desses dias de fevereiro… obrigada ao Fabiano pela inspiração e pelas ideias para esses textos)

Geiger, H., & Marsden, E. (1909). On a Diffuse Reflection of the Formula-Particles Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 82 (557), 495-500 DOI: 10.1098/rspa.1909.0054
Rutherford, E. (1911). The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom Philosophical Magazine , 6 (21), 669-688

Blogs de ciência podem estimular o engajamento público em temas de C&T?

Há pouco mais de um ano, percebi que havia uma grande lacuna no conhecimento das pessoas em geral sobre nanobiotecnologia e seus impactos. E as pessoas têm o direito de saber sobre esse assunto, sem histrionismos ou falácias, já que esta tecnologia estará cada vez mais presente no dia-a-dia de todos. Não sou jornalista, não sou dona de revista ou jornal, nem sequer faço parte do corpo docente de alguma universidade (ainda sou aprendiz, com todas as vicissitudes de tal condição). No entanto, tenho um computador e acesso à internet, além de ideias… e um gosto especial pela escrita. Daí a usar um weblog como ferramenta para divulgar o tema Nanobiotecnologia, que é meu foco de estudo offline, foi um pulo. Mas qual meu objetivo, no final das contas? Informar? Ensinar? Criticar? Intercalar a função de arauto da boa-nova com a de advogada-do-diabo frente a um suposto milagre? Talvez tudo isso junto. Engraçado como às vezes só refletimos mais profundamente sobre nossas práticas quando há um estímulo pontual para que isso aconteça. O meu foi um convite muito especial que recebi há alguns meses: participar de uma mesa-redonda intitulada “A prática da divulgação científica e as novas mídias sociais”, que ocorrerá durante a VIII Escola do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF/MCT). O tema é novo e ainda se falará muito dele: como (e porque) weblogs e redes sociais podem ser agentes difusores do conhecimento científico e gatilhos para o engajamento público nos temas de C&T. No entanto, é difícil entender o novo sem conhecer aquilo que o precedeu. Por isso, olhar para trás foi meu primeiro movimento para tentar clarear algumas ideias que vêm rondando meus pensamentos desde que o Bala Mágica foi lançado.
Antes do século XVII, não havia uma distinção clara entre ciência e filosofia. A partir do século XVII, alguns pensadores, como o italiano Galileu Galilei (1564-1642), o francês René Descartes (1596-1650) e o inglês Isaac Newton (1642-1727), quebraram paradigmas ao defender o uso da experimentação, do método, da matemática e a exclusão do misticismo para entender os fenômenos naturais. Não é a toa que os historiadores chamam esse período de Revolução Científica. Logicamente, o ambiente social daquela época propiciou tal revolução. Dentre os acontecimentos que favoreceram a Revolução Científica cabe destacar a invenção da prensa móvel pelo alemão Johannes Gutenberg (1398-1468), que por si só já iniciou outra revolução, a da Imprensa. Eis a primeira reflexão: comunicação sempre foi uma peça-chave para o estabelecimento e a propagação da ciência.
O advento da imprensa tirou as amarras impostas por um conjunto de clérigos sobre o que é a Verdade, já que a produção de material escrito não era mais privilégio de alguns sacerdotes enclausurados em seus mosteiros. Estava dada a largada para a disseminação do livre-pensamento. Pelo menos na teoria e pelo menos para os “incluídos”, capazes de ler. Desde então, o número de alfabetizados aumentou, e o custo para adquirir livros, revistas, jornais, etc foi se tornando mais acessível. De lá para cá, a ciência evoluiu e, com ela, cresceram as esperanças de que as descobertas científicas contribuiriam para tornar o mundo um lugar melhor. Começou a surgir a noção de que era preciso “educar o povo” nas coisas de ciência, por meio da transmissão do conhecimento do especialista para o leigo, de forma verticalizada. No entanto, o acúmulo de informação não significa a compreensão dessa informação. E a informação fora de um contexto socioeconômico raramente desperta interesse público. Isso é particularmente importante no caso de assuntos científicos, porque a ciência gera muito mais perguntas que respostas, e jamais será capaz de oferecer uma Verdade, mas apenas modelos e aproximações. Essa ideia de transmissão verticalizada da informação passou a ser questionada, e estratégias dialógicas foram (e ainda são) propostas para substituí-la. Passou-se a falar em dar uma chance ao diálogo entre cientistas e leigos. E um diálogo é feito de perguntas e respostas. Eis a segunda reflexão: talvez a comunicação científica deva cada vez mais incluir as perguntas, e não só oferecer as respostas. A comunicação de ciência não pode mais ser uma via de mão única. Afinal, cabe à sociedade debater quais perguntas são mais importantes/urgentes, pois é esta sociedade quem sentirá as implicações dos avanços da C&T. Mais que informar sobre as últimas novidades dos periódicos científicos, a divulgação científica deve fomentar o exercício da cidadania.
Será que a internet, com seu efeito de rede e alto poder de disseminação de informações, pode fazer diferença nesse processo? Quais seriam as consequências disso e os desafios a serrem enfrentados, hoje e no futuro? Essas perguntas suscitaram mais reflexões, que reservo para o debate com os professores Dulcidio Braz Júnior (do blog Física na Veia!) e Leandro Tessler (IFGW/UNICAMP, do blog Cultura Científica), com moderação do professor Marcelo Knobel (IFGW/UNICAMP), nessa terça-feira (20/07), que ocorrerá às 18h30min no CBPF.

O que o fullereno tem de tão especial

Como já citado aqui nesse blog, o fullereno ganhou o título de molécula do ano de 1991, da revista Science. Para uma molécula, é tão impactante quanto é para uma pessoa sair na capa da Newsweek e ser considerada personalidade do ano!
Mas o que é que o fullereno tem?
Sinais de uma molécula com 60 carbonos já haviam sido detectados fora da Terra na década de 1980. Sua organização estrutural (ou seja, como os átomos se conectam entre si) era um mistério para todos. Como cargas d’água poderia existir na natureza uma molécula com 60 átomos de carbono e nada mais? Como os átomos se ligariam? É aí que a história toma um rumo inusitado. A inspiração que forneceu essa resposta não estava nos laboratórios, mas sim na arquitetura!
Richard Buckminster (“Bucky”) Fuller (1895 – 1983) foi um arquiteto americano que se destacou por propor estruturas chamadas cúpulas geodésicas, que são estruturas ao mesmo tempo muito leves e muito resistentes. A forma como elas são construídas permite que grandes espaços sejam cobertos sem a necessidade de suportes internos, como colunas. Uma dessas cúpulas foi construída para a Exposição Internacional de Montreal de 1967 (EXPO 67). O químico Harold Kroto havia passeado por baixo dela na época com sua família e havia ficado fascinado com o design dessas cúpulas.

Imagem de uma cúpula geodésica (fonte aqui)

Veja como é a vida: uns quinze anos depois, com um intrincado quebra-cabeça da natureza em mente – como 60 carbonos podem formar uma molécula? –, Harold Kroto e demais membros da equipe de pesquisadores que estudavam o assunto, como James Heath, Sean O’Brien, Robert Curl e Richard Smalley, tiveram um insight! E se essa molécula com 60 átomos de carbono estivesse organizada como uma cúpula geodésica de Buckminster Fuller? Isso explicaria muita coisa! E, de fato, é assim que essas moléculas se organizam e é devido a isso que elas foram batizadas de fullerenos, ou buckybolas – uma singela homenagem do mundo da física a uma grande figura do design arquitetônico.

Nas cúpulas geodésicas, uma série de triângulos formam pentágonos e hexágonos, que são a chave para obter formas esféricas a partir de um objeto de faces planas. A forma mais esférica possível usando esse princípio é obtida com 12 pentágonos e 20 hexágonos (a base matemática das cúpulas geodésicas pode ser compreendida a partir de dois famosos teoremas: o teorema de Euler e o teorema de Descartes). Mas porque esferas? Na natureza, tudo tende ao estado de menor energia. A geometria esférica é preferida porque é menos energética que as outras formas geométricas, tais como quadrados e triângulos (é por isso, p. ex., que as gotinhas de água na superfície das folhas são esféricas, e não quadradas ou triangulares).

Depois de saber de tudo isso, é fácil perceber que não é à toa que os 60 átomos de carbono de um fullereno se organizam como 12 pentágonos e 20 hexágonos (tal qual uma bola de futebol!). Essa “arquitetura” do fullereno confere a ele alta resistência conjugada com alta leveza – eis um dos motivos que torna essa molécula tão interessante. E não são só eles que se organizam de tal forma … vírus e quasi-cristais também apresentam uma arquitetura semelhante à das cúpulas geodésicas de Buckminster Fuller.
No início dos anos 1990, o grupo de Richard Smalley, do qual Harold Kroto fazia parte, conseguiu obter formas estáveis de fullereno em laboratório. Desde então, o estudo dos fullerenos e suas aplicações vem ganhando cada vez mais espaço em áreas tão díspares quanto a aeronáutica e a terapia fotodinâmica contra o câncer. Compostos semelhantes foram produzidos com número de carbonos diferente de 60, e fullereno acabou se tornando a designação de toda essa família de compostos, e não apenas da molécula com 60 átomos de carbono.

Para quem quiser saber mais sobre fullerenos e nanotubos de carbono, é só acessar o link de um artigo interessante publicado na Ciência Hoje, de autoria de Rodrigo B. capaz e Hélio Chacham.

Grandes personalidades da nanociência e nanotecnologia: Richard Smalley

Domingo, dia de futebol! Ah, esse jogo chinês que move multidões… Chinês? Mas o futebol não teve origem nas terras da rainha Elizabeth? Verdade, o futebol como o conhecemos teve origem na Inglaterra, por volta de 1850, mas sua história é bem mais antiga. O jogo chinês tsu chu (2500 a.C) foi um dos precursores do nosso futebol. E a história do futebol está intrinsecamente ligada à história da bola de futebol. Antes de 1800 d.C., os índios usavam uma bola feita com rins de porco para jogar uma “pelada”.

Ainda bem que as coisas evoluíram, né? De acordo com as regras da FIFA, as bolas de futebol tem que ser esféricas, com circunferência entre 68 e 70cm. Apesar de não seguir as regras da FIFA, desde o início dos anos 1990 o nano(bio)mundo tem sua própria bola de futebol, com 1 nanometro de diâmetro, o que dá uma circunferência de um pouco mais que 6 nm. Tudo isso graças ao químico Richard Smalley e sua equipe, da Rice University (USA). Foi no laboratório do Dr. Smalley que, pela primeira vez, foi possível preparar uma molécula perfeitamente esférica composta por 60 átomos de carbono. Os átomos de carbono se ligam entre si de tal forma que o resultado são 12 pentágonos e 20 hexágonos, tal qual uma bola de futebol.

Richard Smalley e um modelo da buckybola (origem da foto aqui)

Essa bola nanométrica foi denominada buckminsterfullereno, ou buckybola, em homenagem ao arquiteto Buckminster Fuller. Esse arquiteto ficou conhecido por propor as cúpulas geodésicas, estruturas com alta resistência e leveza. Essas cúpulas apresentam estrutura muito semelhante àquela dos átomos de carbono no fullereno. Aplicações para os fullerenos tem sido encontradas nos campos da microeletrônica, dos semicondutores, das baterias e dos lubrificantes. Em 1991, a revista Science elegeu o fullereno como a molécula do ano.

A descoberta do fullereno, que é a terceira forma alotrópica do carbono, rendeu a Richard Smalley, juntamente com Robert F. Curl Jr. e Sir Harold W. Kroto, o prêmio Nobel em Química de 1996.


Grandes personalidades da nanociência e nanotecnologia: Sumio Iijima

Sumio Iijima, o descobridor dos nanotubos de carbono
Dez anos depois de Norio Taniguchi cunhar o termo “nanotecnologia”, nossa percepção sobre o papel dessa área do conhecimento para a humanidade sofreria um profundo impacto. Foi em 1991 que o físico japonês Sumio Iijima, do NEC Corp. Fundamental Research Laboratory, descreveu moléculas de carbono cilíndricas e ocas com novas propriedades – tais como alta resistência e alta eficiência em conduzir calor – em um artigo que se tornou um clássico da área, intitulado Helical microtubules of graphite carbon (Nature 354, p. 56-58, 1991 – doi:10.1038/354056a0).

Esses fios nanométricos foram denominados NANOTUBOS DE CARBONO. Desde então ocorreu um boom sobre o assunto. As propriedades especiais dos nanotubos de carbono são causadas pela sua gigantesca relação entre comprimento e largura (de mais de 28 000 000 nm : 1 nm), a ponto de alguns cientistas se referirem a esse material como condutor unidimensional de calor.

certas controvérsias quanto ao fato de Sumio Iijima ser ou não o verdadeiro “pai” dos nanotubos de carbono – alguns químicos afirmam que já haviam publicado artigos descrevendo filamentos de carbono nanométricos, mas que estes só haviam sido lidos por outros químicos e por isso não tiveram tanta repercussão. Brigas de paternidade à parte, é inegável que Sumio Iijima foi o responsável pela tremenda divulgação do assunto e por descrever as potencialidades dos nanotubos de carbono, cujas possíveis aplicações vêm sendo pesquisadas até hoje, em áreas tão díspares quanto a engenharia espacial e a medicina.

Grandes personalidades da nanociência e nanotecnologia: Gerd Binnnig e Heinrich Rohrer

1981. Grande ano! Você lembra dele? Bem, eu não – minha memória não chega a tanto, pois nesse ano longínquo ocorreu justamente o meu nascimento. Como a relevância de tal fato para o resto do mundo (excluindo a minha mãe, obviamente) não é lá grande coisa, vou tratar de um acontecimento realmente impactante de 1981 que mudou a forma como a humanidade enxerga o mundo… literalmente!

Foi nesse ano que dois criativos funcionários da IBM, o suíço Heinrich Rohrer e o alemão Gerd Binning, desenvolveram uma técnica de microscopia eletrônica capaz de mostrar imagens na escala do átomo em uma superfície metálica ou semicondutora. A técnica foi batizada de microscopia eletrônica de tunelamento. Nessa técnica, uma ponta metálica de dimensões quase atômicas passa a uma distância muito próxima da superfície da amostra (como um scanner) de forma que ocorre o tunelamento de elétrons entre a ponta metálica e a amostra. A ponta metálica atua como aquela agulha dos aparelhos para escutar disco de vinil, subindo e descendo conforme a rugosidade da superfície. O resultado é uma imagem digital tridimensional da superfície, muito útil para detectar a presença de defeitos de superfície e para determinar o tamanho e conformação de moléculas e agregados ali presentes.

Tunelamento eletrônico é um efeito quântico que permite que ocorra uma corrente de elétrons entre duas superfícies muito, muito próximas. O espaço entre duas superfícies é considerado uma barreira de potencial, e quanto mais fina for a espessura dessa barreira, maior é a probabilidade do elétron de atravessá-la. Quando eu me refiro a “fina”, é fina mesmo, na escala de Angstrons (ou seja, igual a 0,0000000001 m !!!!).

O primeiro microscópio desse tipo foi desenhado pelo cientista alemão Ernst Ruska. A invenção da técnica que permitiu que o mundo “visse” átomos na superfície de materiais e os manipulasse rendeu a Rohrer e Binning o prêmio Nobel de Física em 1986, e originou uma foto que se tornou lendária além dos muros da academia.

(crédito: Laboratórios de pesquisa da IBM em Almaden)

Os primeiros “nanotecnólogos” eram artistas

Na idade média, a decoração das igrejas com vitrais coloridos era algo comum – além de criar uma atmosfera adequada à contemplação, era uma forma de catequese num mundo de maioria analfabeta. Mas como os artistas faziam os vitrais ficarem coloridos?
Analisemos os vidros vermelhos. A adição de cloreto de ouro ao vidro fundido fazia surgir esferas de ouro de aproximadamente 25 nanometros de diâmetro – e como bem sabe quem já deu uma olhada em posts anteriores sobre espalhamento de luz, vemos um conjunto de nanopartículas com a cor vermelha porque seu tamanho, forma e material fazem com que a luz espalhada com mais eficiência seja aquela na faixa de comprimento de onda que equivale ao vermelho. Outras cores poderiam ser obtidas mudando-se o material usado e/ou o tamanho da partícula. Nanopartículas de ouro de 50 nm, por exemplo, dão o tom verde. Se dobrarmos seu tamanho (ou seja, se atigirmos 100 nm), a cor espalhada passa a ser a laranja. Já nanopartículas de prata de 100 nm espalham luz amarela. O azul poderia ser obtido com nanopartículas de prata de 40 nm.
É claro que não se sabia desses detalhes todos na época (as técnicas de colorir os vidros foram descobertas por tentativa e erro), mas cabe observar como a nanotecnologia é ANTIGA. Nanopartículas sempre existiram. A novidade está no maior entendimento a respeito das propriedades dos nanomateriais e como manipulá-los.
(origem da foto: clique aqui)

Grandes personalidades da nanociência e nanotecnologia: Norio Taniguchi

“Nano-technology mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule.” (Norio Taniguchi, 1974)

Esse simpático senhor aí ao lado é ninguém menos que a pessoa que inventou o termo “nanotecnologia”. Seu nome? Você já deve imaginar qual seja…. exatamente! Professor Norio Taniguchi (1912-1999). Atuando na Tokyo Science University, Taniguchi desenvolveu trabalhos na área de processamento de ultra-precisão de materiais empregando feixes de energia e cunhou esse nome para descrever processos controlados na escala do nanometro, como deposição de filmes finos, já nos idos de 1974. Será que ele sabia que o nome bolado por ele acabaria se tornando um termo tão pop?

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