Dez inovações químicas que mudarão nosso mundo

Dez inovações químicas que mudarão nosso mundo é um post que mostra e evolução da Química. Bom, ao longo do ano de 2020 passado, químicos de todo o mundo sugeriram tecnologias e inovações notáveis em seus respectivos campos. Uma equipe de especialistas recrutada pela IUPAC fez a curadoria das propostas e selecionou as mais inovadoras e inovadoras – ideias promissoras com excelentes chances de realização.

As “Dez principais tecnologias emergentes em química” também estão alinhadas com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) das Nações Unidas. Então, vamos lá ver as dez principais tecnologias emergentes de 2020:

1. Baterias de íon duplo

A escassez de lítio (Li) e cobalto (Co) limita os desenvolvimentos futuros além de estar em conflito com o ODS 12 sobre padrões de produção sustentáveis. Assim, dispositivos mais novos, como baterias de íon duplo (DIBs), atraem a atenção da comunidade científica. Dessa forma, os DIBs se apresentam como uma alternativa interessante para aplicações de armazenamento em grade. Além disso, seus eletrodos são fabricados com materiais baratos e abundantes usando caminhos mais verdes.

2. Emissão induzida por agregação

Hoje em dia, os materiais luminescentes são onipresentes: de LEDs a técnicas de bioimagem. Assim, como a maioria dessas substâncias apresenta uma infinidade de metades aromáticas, as moléculas tendem a se empilhar em altas concentrações, o que eventualmente mata a luminescência. Bom, ao conhecemos este efeito como extinção causada por agregação.

Bom, AIE abriu novos caminhos no desenvolvimento de materiais luminescentes – ela já encontrou aplicações em dispositivos OLED, sensores e novas ferramentas de bioimagem. O New York Times destacou o potencial da AIE para alcançar o mundo real muito em breve. Na verdade, as startups que comercializam a tecnologia AIE estão florescendo – dois bons exemplos são AIEGEN Biotech, em Hong Kong, e Luminicell, nos Estados Unidos. A última também vende suas nanopartículas fluorescentes para rastreamento de células vivas através do principal fornecedor de produtos químicos Merck.

3. Microbioma e compostos bioativos

Mais de 10 trilhões de micróbios vivem em nossas entranhas, vias respiratórias e pele. Nosso microbioma pode estar modificando nosso comportamento e pesquisas sugerem que ele também pode desencadear doenças como o câncer, bem como determinar nossa resposta ao tratamento. Todas essas bactérias liberam metabólitos constantemente em resposta a diferentes estímulos em seu ambiente. A química pode desempenhar um papel fundamental na triagem e identificação de todas essas moléculas diferentes, que podem eventualmente ser isoladas e usadas como novos candidatos terapêuticos.

A vida microscópica dentro de nós é imensamente diversa. Químicos e bioquímicos encontram uma miríade de novos compostos bioativos codificados nos genomas das bactérias. Assim, a química contribui diretamente para o ODS 3. Ou seja, compreender e desvendar os segredos do nosso microbioma pode revolucionar o futuro da saúde.

4. Tecnologia de gating líquido

A ideia de usar líquidos como material estrutural para construir portões responsivos parece contra-intuitiva – chega mesmo a beirar a ficção científica. No entanto, esta ideia, originalmente proposta em 2015, já se tornou realidade e poderá em breve trazer muitas novas aplicações. Normalmente, as membranas líquidas funcionam graças às diferenças de concentração e potencial ao longo da fronteira. No entanto, as membranas de passagem de líquido respondem às mudanças de pressão que dependem da capilaridade. Na microescala, o fenômeno permite que certos líquidos abram e fechem seletivamente os poros sob demanda.

Entre outras coisas, a tecnologia de gating líquido poderiam acelerar o progresso em direção ao ODS 6, que visa garantir o acesso à água potável e saneamento para todos. Além disso, como os portões de líquido não exigem eletricidade, eles garantem uma grande economia de energia.

5. Química inorgânica de alta pressão

Todos nós temos um desempenho diferente sob pressão. Os produtos químicos não são exceção, e os fenômenos mais excepcionais ocorrem em condições extremas. Por exemplo, pesquisadores espremeram o benzeno em nanofios diamante superfortes e prepararam o hidrogênio metálico. A ciência de alta pressão não é mais um nicho. Os mais novos avanços tecnológicos permitem monitorar de perto as amostras em ambientes de alta pressão, aumentando nossa compreensão dos materiais.

A química de alta pressão fica muito complexa nessas condições. Mas ao mesmo tempo fica muito interessante. Discernir as transformações que ocorrem sob ultra altas pressões pode levar a novas espécies moleculares e novos materiais com propriedades sem precedentes, como supercondutividade à temperatura ambiente ou superdureza. Além disso, parte do conhecimento adquirido pode ser traduzido em processos de pressão ambiente.

6. Macromônomos para melhor reciclagem de plástico

2020 marca o 100º aniversário do prestigiado manifesto de Hermann Staudinger sobre a polimerização. A química desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento de polímeros artificiais – materiais duráveis e versáteis que transformaram nossa civilização. No entanto, essa durabilidade voltou-se contra nós: os blocos de construção do século XX estão agora por todo o lado, acumulando-se nos nossos aterros e poluindo os nossos oceanos. Alguns especialistas preveem que em 2050, a quantidade total de plástico nos oceanos pesará mais do que a quantidade total de peixes. Agora, os químicos devem encontrar uma solução.

Assim, monômeros e macromonômeros reprojetados são uma estratégia promissora para criar plásticos mais sustentáveis. Os químicos contam com reações de abertura de anel radical, o que lhes permite incorporar heteroátomos e grupos funcionais – como éster – em estruturas que, tradicionalmente, têm uma estrutura totalmente em carbono. Os polímeros resultantes são mais fáceis de hidrolisar e reciclar. Recentemente, vários grupos otimizaram esta tecnologia, entregando uma ampla gama de plásticos biodegradáveis que mantêm as características atraentes dos polímeros convencionais. A partir de uma lactona amplamente disponível, os pesquisadores desenvolveram um polímero forte e estável que pode ser reciclado repetidamente em condições moderadas.

7. Inteligência artificial

A inteligência artificial (IA) está transformando nossa sociedade. Seu valor de mercado cresce exponencialmente à medida que encontra usos em finanças, justiça, transporte e até na saúde. A química não é exceção. Os pesquisadores treinam algoritmos para acelerar a elucidação da estrutura, aprimorar as análises retrosintéticas, projetar sequências de reação otimizadas, descobrir novos medicamentos e até mesmo operar laboratórios robóticos futurísticos. As possibilidades são infinitas.

As aplicações da IA em química estão apenas começando. Os pesquisadores preveem que IA têm um potencial tremendo. Entre outras coisas, eles esperam que as reações químicas sejam mais reproduzíveis, mais facilmente escalonáveis e, eventualmente, mais verdes e mais eficientes. Na verdade, estudos recentes sugerem que a IA tem um impacto positivo no sentido de atingir o ODS – permitindo a realização de 134 metas em todas as metas.

8. Nanosensores

Sensores detectam mudanças no ambiente. Em química, o processo de detecção envolve duas etapas – reconhecimento, quando as moléculas do analito encontram seu receptor; e transdução, a ‘tradução’ desse evento em um sinal de saída. Os nanosensores funcionam de maneira semelhante, apenas usam nanomateriais como o elemento ativo. Os nanosensores químicos usam uma miríade de aplicações, de monitoramento de poluição e controle de qualidade de alimentos para segurança e saúde.

Os avanços na química e na ciência dos materiais permitiram melhorias significativas. Assim, utilizam-se os nanosensores em vários campos da química analítica. Hoje em dia, estamos cercados por sensores – eles estão dentro de nossos telefones, pulseiras de ginástica, smartwatches e computadores.

9. Vacinas de RNA

As vacinas preparam nosso sistema imunológico para combater doenças. Por meio de diferentes agentes, as vacinas induzem a produção de anticorpos, moléculas que reconhecem e desencadeiam a destruição de patógenos. Em particular, as vacinas de RNA têm uma abordagem muito inteligente para esse objetivo – o paciente recebe uma sequência de RNA que codifica a produção de antígenos, que eventualmente estimulam uma resposta imunológica e a síntese de anticorpos.

Uma das vantagens das vacinas de RNA é que sua síntese pode ser facilmente ampliada. Por outro lado, as fitas de RNA podem ser sintetizadas usando metodologias que foram otimizadas – e até automatizadas – por décadas. Além disso, as vacinas de RNA podem ser projetadas muito rapidamente.

Enquanto ainda é jovem, o campo das vacinas de RNA provavelmente crescerá tremendamente nos próximos anos – especialmente considerando como a produção é rápida e adaptável.

10. Diagnóstico rápido para teste

Os testes de diagnóstico rápido são ensaios químicos adequados para triagem médica rápida. Normalmente envolvem uma série de etapas fáceis de seguir e fornecem resultados em poucos minutos. Além disso, esses testes raramente requerem equipamento adicional, facilitando seu uso em ambientes com poucos recursos. Provavelmente, o exemplo mais conhecido é o teste de gravidez caseiro, do qual mais de trinta e cinco milhões de unidades são vendidas anualmente apenas nos EUA. Também existem testes rápidos para diagnosticar doenças como malária, sida e gripe.

Os testes rápidos funcionam graças às reações químicas. Frequentemente, eles usam anticorpos para detectar a presença de antígenos. Os anticorpos estão ligados a diferentes tipos de sondas que sofrem uma determinada reação química se o teste for positivo – isso geralmente envolve uma mudança de cor, tornando a interpretação dos resultados muito direta.

Considerações finais

A química nos fornece um conjunto ilimitado de ferramentas para remodelar nosso mundo em um que é mais seguro e promete um futuro mais sustentável. Desde a concepção de testes mais eficientes ao desenvolvimento de um tratamento bem-sucedido, a química será fundamental para enfrentar a atual pandemia de COVID-19, um dos desafios mais difíceis que nossa sociedade enfrentou nas últimas décadas.

A inovação nas ciências químicas é essencial para atingir a maior parte dos ODS, as metas ambiciosas estabelecidas pelas Nações Unidas para promover a prosperidade enquanto protege o planeta. Isso se alinha perfeitamente com a missão principal da IUPAC – aplicar e comunicar o conhecimento químico para o maior benefício da humanidade e do mundo. Esta nova edição das “Dez principais tecnologias emergentes em química” mantém o espírito – promovendo o papel fundamental da química para proteger a sociedade e nosso planeta.