Nanopapel cerâmico é base para remoção de contaminantes da água

Imagine uma membrana capaz de filtrar contaminantes difíceis de serem removidos da água, como metais pesados. Agora, pense que ela pode ser utilizada também para avaliar a qualidade de alimentos ou detectar gases tóxicos. Essas são algumas das potenciais aplicações de um nanomaterial, tão fino e flexível como uma folha de papel, recém-desenvolvido por cientistas da Embrapa Instrumentação (SP) e da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), e que resultou em um pedido de patente depositado no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI). 

O nanopapel cerâmico foi obtido por meio da combinação de processos versáteis, e tornou-se uma versão alternativa aos papéis convencionais, compostos por celulose e cargas inorgânicas. A inovação é resultado de uma soma de competências de pesquisadores da Rede de Nanotecnologia aplicada ao Agronegócio (Rede AgroNano), coordenada pela Embrapa Instrumentação (SP), e que contou com a participação da UFSCar.

Outra vantagem do nanopapel é que ele poderá ser utilizado no desenvolvimento de sensores para análise de gases tóxicos e da qualidade de alimentos, cuja pesquisa já está em andamento na Embrapa Instrumentação. A vantagem da utilização do nanopapel é que ele pode ser utilizado como substrato e ao mesmo tempo como a própria camada sensorial, ou seja, ele já é um dispositivo completo com uma configuração muito mais simples do que aquelas apresentadas pelos sensores químicos convencionais. 

“O nanopapel inteligente também tem potencial para ser utilizado na fabricação de etiquetas de alimentos para uso como sensores flexíveis e facilmente adaptáveis. Assim, a etiqueta, além de conter informações usuais como data de validade, poderia atuar também como um sensor para detecção de gases indicadores da qualidade do alimento”, explica o pesquisador Daniel Souza Corrêa, que com Luiz Henrique Capparelli Mattoso coordenou a pesquisa pela Embrapa Instrumentação. 

Foi utilizando a nanotecnologia, área na qual é realizada a manipulação da matéria em escala atômica e molecular, que os pesquisadores desenvolveram o nanopapel a partir da combinação de uma matriz polimérica e precursores inorgânicos processados pela técnica de eletrofiação e sol-gel (veja quadro), seguidos de tratamento térmico (calcinação) para eliminação da fase orgânica. Rafaela explica que a fase orgânica é necessária para a formação das fibras durante o processo de eletrofiação e posterior obtenção do material cerâmico. 

“O resultado final é uma manta porosa, de conformação tridimensional, formada por nanofibras cerâmicas amorfas e cristalinas de diferentes composições, interconectadas, que apresentam excelentes propriedades, podendo ser aplicadas como transdutores em sensores químicos ou membranas de filtração.”

A literatura científica já apresenta algumas propostas de nanopapel, mas a maioria envolve materiais vegetais oriundos de celulose, diferente da composição do nanoproduto da Embrapa-UFSCar, cuja composição final é inorgânica. “As nanofibras de natureza inorgânica conferem ao nanopapel autossustentabilidade, flexibilidade, elevada área superficial, estabilidade química e preservação das propriedades, inclusive mecânicas, em temperaturas mais elevadas”, detalha Luiza Mercante.

A professora ainda acrescenta que a plataforma baseada em nanopapel pode ser uma opção para remoção dos poluentes emergentes, como metais pesados, hormônios e fármacos, que precisam de filtros com propriedades específicas para a sua remoção.

Trabalho venceu desafios

O desenvolvimento do nanopapel enfrentou desafios. Para Corrêa, as maiores dificuldades foram no ajuste da formulação (composição dos reagentes) e na determinação dos parâmetros empregados tanto na etapa de processamento (técnica de eletrofiação e sol-gel), como no pós-processamento (calcinação) para obtenção do material. 

“O ajuste desses parâmetros foi fundamental para a obtenção de um material cerâmico na forma de uma 'folha de papel', ou seja, fino e com boas propriedades mecânicas e elevada área superficial”, explica o cientista. 

O nanopapel apresenta estrutura e composição favoráveis para detecção de gás, uma vez que sua estrutura fibrosa com elevada área superficial é vantajosa para percolação, adsorção e dessorção de gases. Além disso, o nanopapel pode ser funcionalizado com outros tipos de nanomateriais, como o grafeno, nanotubos de carbono, nanopartículas metálicas, entre outros, o que pode favorecer ainda mais a interação com gases diversos e potencializar seu uso como camada ativa em sensores de gases tóxicos, como amônia, gás carbônico, etc.”, afirmam os pesquisadores. 

Participação da pós-graduação foi fundamental

A pesquisa do nanopapel inorgânico, supervisionada por Corrêa e Mattoso, orientadores em programas de pós-graduação da UFSCar, ganhou forma durante o pós-doutorado das químicas Rafaela da Silveira Andre, pós-doutoranda na Embrapa, e Luiza Amim Mercante, então pós-doutoranda pela UFSCar e atualmente professora da Universidade Federal da Bahia (UFBA), e do doutorando pelo Programa de Pós-Graduação em Química (PPGQ) da UFSCar Murilo Henrique Moreira Facure. Durante o trabalho, Rafaela Andre também fez um estágio no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos. 

“Essa parceria entre UFSCar e Embrapa é mais um exemplo de que o nosso País pode gerar inovações relevantes e de forma efetiva para a sociedade," declara Rafael Vidal Aroca, diretor-executivo da Agência de Inovação da UFSCar. Ele defende a construção de parcerias para que as soluções desenvolvidas sejam utilizadas. “É importante que se façam pontes para que essas tecnologias de ponta cheguem à sociedade, ajudando a melhorar a vida das pessoas e gerando novas oportunidades para empresas e instituições,” acredita. 

Laboratório Estratégico é suporte para pesquisa

O estudo de dois anos envolveu recursos aproximados de R$ 250 mil, oriundos da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) e do Sistema Embrapa de Gestão (SEG).

A infraestrutura instalada do Laboratório Nacional de Nanotecnologia para o Agronegócio (LNNA), cujo modelo de atuação como multiusuário permite seu uso por pesquisadores de instituições parceiras, foi o suporte para a síntese e caracterização físico-química dos materiais e estudos de aplicação do nanopapel. Já a UFSCar contribuiu com alguns dos materiais empregados no projeto, além da caracterização morfológica do nanopapel.

Sediado na Embrapa Instrumentação, o LNNA é considerado um dos oitos Laboratórios Estratégicos do País e integra o Sistema Nacional de Laboratórios em Nanotecnologia (SisNANO) do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTIC).

É no LNNA que os futuros passos da pesquisa terão continuidade. Os cientistas pretendem agora desenvolver aplicações específicas do novo material, como os sistemas filtrantes de poluentes ambientais e detecção de gases específicos.

O que é eletrofiação e sol-gel?

A técnica de eletrofiação permite produzir mantas de nanofibras cujo aspecto final é igual ao de um TNT (tecido não-tecido), mas as mantas produzidas são compostas por fibras de diâmetros nanométricos (mil vezes menores que um fio de cabelo). Portanto, apresentam elevada área superficial, flexibilidade e possibilidade de funcionalidade química, que são requisitos fundamentais para uso em sensores e sistemas de adsorção de poluentes. A técnica se destaca pela facilidade de processamento de materiais na nanoescala, funcionalização química, custo relativamente baixo, além da possibilidade de obtenção de uma grande variedade de materiais.

Já a sol-gel é uma rota de síntese química largamente conhecida e empregada na produção de materiais sólidos tridimensionais a partir de pequenas moléculas. O processo envolve a formação de uma suspensão coloidal (fase sol) - que é a mistura de partículas muito pequenas suspensas em outra substância - e sua posterior geleificação em uma fase contínua líquida (rede integrada), formando o gel tridimensional.