Nanotubos de Carbono

Atualmente há um grande interesse em Nanociência e Nanotecnologia (N&N)22 e os nanotubos de carbono (NTCs) estão em foco23,24, uma vez que eles apresentam diversificadas aplicações nas indústrias de eletrônica, materiais e biotecnologias voltadas para saúde, agricultura e meio ambiente, devido suas exclusivas propriedades físicas e versatilidade química25,26. Os NTCs foram anunciados por Morinobu Endo (1988)27 e Sumio Iijima (1991)28, e podem ser descritos como uma camada de grafite (grafeno) enrolada, produzindo cilindros ou tubos. Os NTCs podem ser classificados em: a) nanotubos de carbono de parede simples (NTCPS), formados por apenas um cilindro de grafite e b) nanotubos de carbono de paredes múltiplas (NTCPM) constituídos de vários cilindros concêntricos de grafite, com espaçamento de 0,34-0,39 nm entre as paredes. Os NTCPS possuem diâmetro variando de 0,5 a 1,5 nm e comprimento de poucos nanômetros até micrometros. Os NTCPM adotam maior número de configurações e formas do que os NTCPS, com maior variação no diâmetro (2 a 100 nm) e comprimento de poucos micrometros até centenas de micrometros29 (Figura 1).

Figura 1. Ilustração dos nanotubos de carbono de paredes múltiplas (esquerda) e de

Existem muitos métodos para síntese de nanotubos de carbono relatados na literatura, e as três técnicas comumente utilizadas são: descarga por arco, ablação por laser e deposição química de vapor [CVD]30. Frequentemente, os grupos de pesquisa adquirem os NTCs de laboratórios acadêmicos ou comercialmente, pois há dezenas de empresas comercializando estes nanomateriais para fins industriais e de pesquisa científica31. Atualmente, a produção mundial de NTCs ultrapassa 1.000 toneladas/ano32. No Brasil, a Petrobras, juntamente com a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) está implantando uma fábrica para produção de nanotubos de carbono33.

Os NTCs no estágio pós-síntese [raw] estão altamente aglomerados e com baixa dispersabilidade em qualquer tipo de solvente. Esta aglomeração se dá pela ocorrência das forças de van der Waals entre nanotubos, levando a formação de feixes [bundles]. Desse modo, dependendo das aplicações almejadas, há a necessidade de desfazer estes aglomerados e obter os NTCs no seu estado isolado ou disperso em meio líquido via funcionalização.

Funcionalização é um processo de modificação das paredes, pontas ou do interior dos nanotubos de carbono pela introdução de espécies químicas de interesse. Este processo é crucial para as aplicações destes nanomateriais, pois abre a perspectiva para obtenção de diferentes funcionalidades (idéia de finalidade) a estes materiais, permitindo assim, a exploração e modulação de suas propriedades físicas intrínsecas, a obtenção de novas propriedades e o desenvolvimento de sistemas híbridos multifuncionais através de modificações químicas34,35. Nesse sentido, várias abordagens para funcionalização de NTCs vêm sendo propostas, e com base na natureza das ligações químicas envolvidas podemos classificar os tipos de funcionalização em: não-covalente e covalente36,37 (Figura 2).

(A) (B)

Figura 2. Tipos de funcionalização de nanotubos de carbono: (A) não-covalente;

esquema demonstrando os três modos como surfactantes atuam na dispersão dos

nanotubos de carbono de parede simples; a) micelar, b) hemi-micelar e c) aleatório38; (B)

covalente; esquema ilustrando a funcionalizaçao de nanotubos de carbono de parede

simples com peptídeos via reação de cicloadição 1,3-dipolar39.

De igual importância aos processos de funcionalização, são os processos de purificação de NTCs, pois as amostras apresentam quantidades variáveis de resíduos após seu processo de síntese, geralmente, estes são resíduos de catalisadores metálicos (e.g. Fe, Ni, Co) e materiais carbonáceos (e.g. carbono amorfo)40. Assim, dependendo das aplicações almejadas, é necessário purificar estas amostras. Contudo, dependendo do processo de purificação empregado, grupamentos oxigenados (e.g. -OH, -COOH, C=O) e fragmentos de carbono carboxilados (FCCs) serão gerados na superfície dos nanotubos após tratamentos químicos com ácidos oxidantes (e.g. HNO3 e H2SO4), amplamente utilizados nos

processos de purificação de NTCs41 (Figura 3). Entretanto, a geração e influência destes FCCs durante os processos de purificação de nanotubos de carbono foram pouco estudadas até o momento42. Em alguns casos, se faz necessário revisitar trabalhos publicados na literatura, pois a presença destes FCCs na superfície dos nanotubos pode interferir na funcionalização de NTCs43.

Figura 3. Esquema representando a geração de grupamentos oxigenados superficiais e

fragmentos de carbono carboxilados (FCCs) adsorvidos na superfície dos NTCs após o

tratamento oxidativo com HNO3. Adaptado de Salzmann e colaboradores41

No campo das ciências biológicas e biotecnologias os NTCs emergem como uma plataforma de pesquisa para interação com sistemas biológicos44-47. As principais motivações são:

[a] tamanho nanométrico equivalente com as dimensões das biomacromoléculas e células;

[b] capacidade de penetração intracelular;

[c] as superfícies e o interior dos nanotubos podem ser estrategicamente funcionalizados;

[d] potencial de inovação tecnológica.

Por outro lado, recentemente, começaram as discussões sobre a necessidade de padronização, regulamentação e certificações para os nanomateriais48. Nesta mesma direção, estão as questões relacionadas à segurança dos nanomateriais para

saúde humana e ambiental7. Alguns motivos para atenção e cautela com os NTCs são:

[a] produção industrial em larga escala (aumento do risco de exposição); [b] alta reatividade química (área superficial elevada);

[c] enorme diversidade composicional e estrutural (síntese, modificações e impurezas);

[d] os estudos toxicológicos tradicionais não estão adaptados para nanomateriais, dado o rápido avanço da área e a carência de trabalhos sistemáticos e integrados.

Desse modo, ainda não existe consenso sobre a biosegurança dos nanotubos de carbono. Uma das raízes do problema está na etapa de síntese destes materiais, pois não é ainda possível controlar todos os parâmetros ou características dos NTCs durante o processo de síntese e, dependendo da metodologia de síntese empregada, ocorrerá a produção de NTCs com diferentes morfologias, defeitos estruturais, dopantes, distribuição de tamanhos e impurezas. Portanto, uma conseqüência direta deste fato é a dificuldade na comparação dos resultados publicados na literatura49,50.

Diante do exposto, uma importante etapa em estudos biológicos envolvendo nanotubos de carbono é compreender (qualitativa e quantitativamente) a amostra estudada, uma vez que os reflexos e interações com os biossistemas serão, em grande parte, orientados por suas características físico-químicas51. No entanto, o desenvolvimento de uma completa caracterização de NTCs não é uma tarefa fácil, uma vez que é necessário o emprego de várias técnicas ou métodos físico-químicos de caracterização de materiais de maneira integrada52-57.