Modelagem Molecular Aplicada a Nanobiossistemas

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ModelagemMolecularAplicadaaNanobiossistemas

CHAPTER·JANUARY2015

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7AUTHORS,INCLUDING:

GuedmillerSOliveira

UniversityofHouston

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JéssicaCristianeMagalhãesIerich

UniversidadeFederaldeSãoCarlos,Bra…

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EduardoFFranca

UniversidadeFederaldeUberlândia(UFU)

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FabioLimaLeite

UniversidadeFederaldeSãoCarlos

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GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

VOLUME 2

COLEÇÃO NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA: PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES

ORGANIZADORES

Alessandra Luzia Da Róz

Fabio de Lima Leite

Marystela Ferreira

Osvaldo Novais de Oliveira Jr.

GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

VOLUME 2

COLEÇÃO NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA: PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES

© 2015, Elsevier Editora Ltda.

Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei no 9.610, de 19/02/1998.Nenhuma parte deste livro, sem autorização prévia por escrito da editora, poderá ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográfi cos, gravação ou quaisquer outros.

Copidesque: Wilton Fernandes PalhaRevisão: Vanessa RaposoEditoração Eletrônica: Estúdio Castellani

Elsevier Editora Ltda.Conhecimento sem FronteirasRua Sete de Setembro, 111 – 16o andar20050-006 – Centro – Rio de Janeiro – RJ – Brasil

Rua Quintana, 753 – 8o andar04569-011 – Brooklin – São Paulo – SP – Brasil

Serviço de Atendimento ao [email protected]

ISBN 978-85-352-8090-6ISBN (versão digital): 978-85-352-8093-7

Nota: Muito zelo e técnica foram empregados na edição desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitação, impressão ou dúvida conceitual. Em qualquer das hipóteses, solicitamos a comunicação ao nosso Serviço de Atendimento ao Cliente, para que possamos esclarecer ou encaminhar a questão. Nem a editora nem o autor assumem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas a pessoas ou bens, originados do uso desta publicação.

CIP-Brasil. Catalogação na PublicaçãoSindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ

G779 Grandes áreas da nanociência/ Adriano Moraes Amarante ... [et al.]; organização Alessandra Luzia da Róz ... [et al.]. – 1. ed. – Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. 24 cm. (Nanociência e nanotecnologia: princípios e aplicações; 2)

ISBN 978-85-352-8090-6

1. Nanociência. 2. Nanotecnologia. 3. Inovações tecnológicas. I. Amarante, Adriano Moraes. II. Róz, Alessandra Luzia da. III. Série.

14-17323 CDD: 620.5 CDU: 620.3

DEDICATÓRIAS

Os autores dedicam esta obra a todos os cientistas que pesquisam na área de nanociência,

nanotecnologia e áreas correlatas. Além disso, os organizadores têm dedicatórias indivi-

duais a fazer.

ALESSANDRA LUZIA DA RÓZ

Dedico esta obra ao meu pai José Maria Da Róz (in memoriam) e à minha mãe Luzia

Cirullo Da Róz pela dedicação, apoio e incentivo desde os primeiros anos de meus

estudos. À minha irmã Talita pelo otimismo, e ao meu esposo Fábio e à minha filha

Agatha por serem minha razão de viver.

FÁBIO DE LIMA LEITE

Dedico esta obra a minha esposa Alessandra (por seu otimismo inabalável), a mi-

nha filha Agatha (por existir), a meus irmãos Andréa e Gilberto (por acreditarem)

e a meus pais Maria Luzia e Wilson por todo o amor, amparo e sacrifício de longo

prazo. Dedico também esta obra aos meus “incansáveis” amigos Ismail e Ivo, pela

grande sabedoria e companheirismo ao longo dos anos.

MARYSTELA FERREIRA

Dedico esta obra, em especial, ao meu pai Walter Ferreira (in memoriam), que inves-

tiu na educação de suas cinco filhas e hoje todas atuam na área de pesquisa e ensino.

AGRADECIMENTOS

Gostaríamos de expressar nossa profunda gratidão a todos os alunos, pesquisadores

e professores que contribuíram de forma dedicada, paciente e minuciosa para a re-

alização desta obra. Reconhecemos a importância dos órgãos de fomento do Brasil

que proporcionaram, em muitos casos, apoio financeiro para o desenvolvimento das

pesquisas relatadas neste livro. Manifestamos, imensamente, a guarida da Universi-

dade Federal de São Carlos e da Universidade de São Paulo por fornecerem condi-

ções essenciais para o desenvolvimento desta obra. Agradecemos à equipe da Editora

Elsevier do Brasil, em especial André Gerhard Wolff e Vanessa Huguenin, pela

confiança depositada e pela dedicação à edição desta obra.

Além disso, os organizadores têm reconhecimentos individuais a fazer.

ALESSANDRA LUZIA DA RÓZ

Agradeço a todos os meus professores, desde o ensino pré-escolar, por me incentiva-

rem a olhar o mundo com outros olhos. Meus reconhecimentos ao meu orientador

de mestrado e doutorado Professor Doutor Antônio Aprígio da Silva Curvelo por

me dar a chance de ingressar no mundo acadêmico e por seus ensinamentos singu-

lares. Aos meus supervisores de pós-doutorado, Professor Doutor Osvaldo Novais

de Oliveira Júnior e Professor Doutor Fábio Minoru Yamaji, por sua confiança em

minha capacidade. Presto meu reconhecimento ao Professor Doutor Fabio de Lima

Leite e à Professora Doutora Marystela Ferreira pela confiança em meu trabalho na

organização deste livro. Ainda, e não menos importante, agradeço meu esposo e filha

pelo amor e apoio incondicionais.

AGRADECIMENTOS VII

FÁBIO DE LIMA LEITE

Agradeço cordialmente a todos os meus ex-professores universitários, em especial ao

Professor Doutor Ervino Carlos Ziemath por sua grande dedicação, incentivo, va-

liosas discussões e amizade prestados durante a minha graduação em Física na Unesp

em Rio Claro. Expresso também minha gratidão especial aos meus ex-orientadores

de mestrado (Doutor Paulo Sérgio de Paula Herrmann Júnior), doutorado (Doutor

Luiz Henrique Capparelli Mattoso) e pós-doutorado (Professor Doutor Osvaldo

Novais de Oliveira Júnior), por suas lideranças e ensinamentos valiosos para a minha

carreira profissional, além de conseguirem reacender o meu entusiasmo pela ciência,

diante de tantas dificuldades durante esse período. Sou particularmente grato a todos

os alunos do Grupo de Pesquisa em Nanoneurobiofísica pelo empenho, entusiasmo

e inestimável engajamento em nossa pesquisa. Sou muito grato pelo reconhecimento

e por acreditarem que poderíamos transpor novas fronteiras na ciência. Agradeço

também à rede de nanobiotecnologia nBioNet, à FAPESP, ao CNPq e à CAPES

pelo apoio financeiro em diversos projetos de pesquisa relacionados com os temas

abordados neste livro. Finalmente, meu especial agradecimento à minha família por

todo apoio, amor e suporte permanentes e por entender os vários momentos em que

estive ausente.

MARYSTELA FERREIRA

Agradeço a todas as pessoas que contribuíram e contribuem para a minha formação

profissional e a todos os integrantes do grupo de pesquisa em Nanociência e Nano-

tecnologia Aplicada a Sensores. Muitos são os nossos desafios e aos poucos vamos

superando cada um deles. Agradeço também à minha família e em especial à minha

pequena Laura, amor da minha vida.

OSVALDO NOVAIS DE OLIVEIRA JÚNIOR

Meus agradecimentos especiais vão para os colegas do Grupo de Polímeros Bernhard

Gross, do Instituto de Física de São Carlos, USP, e colaboradores de diversas insti-

tuições no Brasil e no exterior. Em particular, devo agradecer aos colaboradores do

Instituto Nacional de Eletrônica Orgânica (INEO) e da rede de nanobiotecnologia

nBioNet.

OS ORGANIZADORES

ALESSANDRA DA RÓZ

Possui graduação em Licenciatura em Ciências Exatas com

Habilitação em Química pela Universidade de São Paulo

(1997), mestrado e doutorado em Ciências e Engenharia de

Materiais pela Universidade de São Paulo (2000 e 2004) e pós-

-doutorado DTI (Desenvolvimento Tecnológico Industrial-

-CNPq) junto ao Instituto de Física de São Carlos da Univer-

sidade de São Paulo (2009). Atualmente realiza pós-doutorado

PNPD (Programa Nacional de Pós-Doutorado-CAPES) na Universidade Federal

de São Carlos. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais, com ênfase em

polímeros e suas aplicações, atuando principalmente nos seguintes temas: modifica-

ção química e processamento de polímeros, biomassa lignocelulósica e biocombustí-

veis sólidos. Publicou 13 artigos em periódicos especializados, um capítulo de livro,

e possui duas patentes de invenção registradas no Instituto Nacional de Propriedade

Industrial (INPI). É revisora para diversos periódicos nacionais e internacionais.

FÁBIO DE LIMA LEITE

Possui graduação em Física (bacharelado e licenciatura) pela

Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (2000)

e mestrado (2002) e doutorado (2006) em Ciência e Engenha-

ria de Materiais pela Universidade de São Paulo (2006). No

período de 2006 a 2008, realizou um pós-doutorado no Insti-

tuto de Física de São Carlos (IFSC-USP) e em 2008 e 2009

realizou seu pós-doutorado em colaboração com a Embrapa

OS ORGANIZADORES IX

Instrumentação Agropecuária. Foi Bolsista Jovem Pesquisador da FAPESP (2009-

2012). No doutorado trabalhou em parceria com o Professor Doutor Alan Graham

MacDiarmid, laureado com o Prêmio Nobel em Química de 2000, com o qual pu-

blicou um artigo no Journal of Nanoscience and Nanotechnology, em 2009. Atualmente

é Bolsista de Produtividade em Pesquisa, Nível 2, do CNPq, Professor Adjunto III

na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) – Campus Sorocaba, Coordenador

do Grupo de Pesquisa em Nanoneurobiofísica (GNN) (www.nanoneurobiophysics.

net) e do Programa Futuro Cientista (www.futurocientista.net), desenvolvido junto

às escolas públicas com o apoio dos setores público e privado. Tem experiência nas

áreas de nanociência e nanotecnologia, com ênfase em nanoscopia, nanoneurociência

e nanobiofísica médica. É credenciado junto ao Programa de Pós-Graduação em

Biotecnologia e Monitoramento Ambiental da UFSCar (PPGBMA), Programa de

Pós-Graduação em Física (IFSC-USP) e Programa de Pós-Graduação em Medicina

Tropical da Universidade de São Paulo (IMT-USP). Publicou cerca de 50 artigos

em periódicos especializados, 10 capítulos de livros, um livro, e possui duas marcas

registradas no Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI). É membro do

corpo editorial da revista Chemical Sensors e revisor para diversos periódicos. Atual-

mente é membro colaborador do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de

Sistemas Micro e Nanoeletrônicos e membro efetivo da Rede nBioNet (CAPES),

Rede Agronano (Embrapa) e da American Nano Society.

MARYSTELA FERREIRA

Professora adjunta IV na Universidade Federal de São Carlos

(UFSCar), campus Sorocaba-SP. Bacharel em Química pela

Universidade de São Paulo, USP, Instituto de Química de

São Carlos (IQSC) em 1993 e licenciada em Química (1995)

também pelo IQSC. Mestre em 1996 (IQSC) e obteve o tí-

tulo de doutor em 2000 na área de Físico-Química (IQSC).

Fez vários estágios de pós-doutorado entre os anos de 2000 e

2004 no Instituto de Física de São Carlos (IFSC) na USP e coordenou um projeto

Jovem Pesquisador financiado pela FAPESP de 2004 a 2007 na Unesp em Presi-

dente Prudente (SP). Sua área de atuação é em desenvolvimento de materiais utili-

zando filmes fines nanoestruturados com técnicas Langmuir Blodgett (LB) e Layer

by-Layer (LbL) visando a interação de modelos de membranas e o desenvolvimento

de sensores eletroquímicos ambientais e biossensores. Foi responsável pela criação

do curso de Licenciatura em Química, UFSCar o qual coordenou desde o início

em 2009 até a formação da primeira turma em 2013. Faz parte de dois programas

X GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

de pós-graduação, sendo um em Ciência dos Materiais na UFSCar e o outro em

Ciência e Tecnologia de Materiais (Posmat), Unesp, Bauru. Atualmente, tem mais

de 50 artigos publicados em periódicos com revisão. Revisora de diversos periódicos

nacionais e internacionais.

OSVALDO N. OLIVEIRA JR.

Físico por formação, doutor pela Bangor University, Rei-

no Unido. É professor do Instituto de Física de São Carlos

(IFSC), Universidade de São Paulo, membro da Academia de

Ciências do Estado de São Paulo. É membro fundador do Nú-

cleo Interinstitucional de Linguística Computacional (NILC),

que desenvolveu o revisor gramatical ReGra, agraciado com

dois prêmios de inovação tecnológica. Suas principais áreas

de atuação são em filmes orgânicos nanoestruturados, tópico de física da matéria

condensada, e processamento de línguas naturais. Recebeu o Prêmio Scopus 2006,

outorgado pela Elsevier do Brasil e a CAPES, como um dos 16 pesquisadores brasi-

leiros com maior produção científica, com base no número de publicações, citações

e orientações.

OS AUTORES

ADRIANO MORAES AMARANTE

Graduado em Física e licenciatura plena pela Universidade

Federal de São Carlos (UFSCar) Campus Sorocaba (2013).

Possui uma graduação anterior em Tecnologia em Sistemas

Biomédicos em 2007 pela Faculdade de Tecnologia de Soro-

caba (FATEC-SO). Atualmente é aluno de Doutorado em

Física Aplicada pelo Instituto de Física de São Carlos/USP.

Desenvolve pesquisa na área de Física Biomolecular e no de-

senvolvimento de na nobiossensores.

CAROLINA DE CASTRO BUENO

Engenheira Ambiental formada pela Pontifícia Universidade

Católica de Campinas (PUC-Campinas) em 2009. Tem ex-

periência nas áreas de Nanotecnologia, Nanociência e Micros-

copia de Força Atômica (AFM), com ênfase em estudos que

envolvem a construção de superfícies inteligentes para criação

de nanobiossensores. Atuou no projeto de Avaliação de Ris-

co e Impactos Ambientais de Nanotecnologias da Embrapa

Meio Ambiente. É mestra em Ciência dos Materiais, Nanotecnologia e Nanociência

(UFSCar) – na área de Microscopia e Espectroscopia de Força Atômica com ênfase

em nanoscopia/nanobiossensores para monitoramento da qualidade ambiental no

setor agrícola. Atualmente é doutoranda em Ciências Ambientais (UNESP) atuando

na área de Engenharia de Biochar e qualidade do solo.

XII GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

CLARICE STEFFENS

Graduada em Engenharia de Alimentos pela Universida-

de Regional do Alto Uruguai e das Missões (2006), possui

mestrado em Engenharia de Alimentos pela Universidade

Regional do Alto Uruguai e das Missões (2009) e doutorado

em Biotecnologia pela Universidade Federal de São Carlos

(2012). Atualmente é Professora Titular do Departamento de

Engenharia de Alimentos, Química, Nutrição, Engenharia

Agrícola da Universidade Regional do Alto Uruguai e das Missões URI Erechim e

docente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. Tem expe-

riência na área de Engenharia de Alimentos, no segmento de lácteos no tema con-

centração de leite em evaporador rotativo a vácuo, visando a elaboração de produtos

lácteos com baixo teor de gordura, como leite concentrado, queijos e doce de leite;

na área de desenvolvimento e instrumentação e controle de processos atua especial-

mente no desenvolvimento de sensores de gases de baixo custo (nariz eletrônico)

para detecção de compostos orgânicos voláteis; na área de nanotecnologia deposição

de nanofibras de polímero condutor em sensores descartáveis; na área de MEMS

sensores de microcantilevers de microscopia de força atômica funcionalizados com

polímeros condutores para detecção de compostos orgânicos voláteis e umidade re-

lativa; e no desenvolvimento de nanossensores e nanobiossensores com grande limite

de detecção para aplicação na detecção de vapor de água, amadurecimento de frutas,

pesticidas, metais pesados e feromô nios.

DAIANA KOTRA DEDA

Bacharel e licenciada em Química pela Universidade Estadual

do Centro-Oeste (2006) e doutora em Ciências pela Univer-

sidade de São Paulo (2011). Atualmente é pós-doutoranda na

Universidade de São Paulo. Tem experiência nas áreas de Na-

nociência e Nanotecnologia, com ênfase no desenvolvimento

de nanobiomateriais. Atua principalmente nos seguintes te-

mas: desenvolvimento e caracterização de nanomateriais; de-

senvolvimento de fotossensibilizadores para terapia f otodinâmica; encapsulamento

de fármacos e desenvolvimento de nanosistemas de liberação controlada; estudos de

interação de nanoestruturas com sistemas biológicos; toxicidade de nanomateriais in

vitro e in vivo.

OS AUTORES XIII

EDUARDO DE FARIA FRANCA

Professor do Instituto de Química da Universidade Federal de

Uberlândia desde 2010. É licenciado e bacharel em Química

pela Universidade Federal de Uberlândia (2003), possui mes-

trado em Química pela Universidade Federal de Uberlândia

(2005), doutorado em Química pela Universidade Federal de

São Carlos (2009) e pós-doutorado em Física pelo Instituto de

Física de São Carlos da USP (2010). É pesquisador em Quí-

mica Teórica e Cristalografia, e possui vasta experiência em cálculos mecânicos clás-

sicos, quânticos e híbridos (QM/MM) para a realização de simulação computacional

atomística de sistemas biológicos, novos materiais, complexos organometálicos e na-

nobiossensores. É autor e coautor de muitos artigos e capítulos de livros relacionados

com Química Teórica e cristalografia desde 2002.

FÁBIO DE LIMA LEITE

Possui graduação em Física (bacharelado e licenciatura) pela

Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (2000)

e mestrado (2002) e doutorado (2006) em Ciência e Engenha-

ria de Materiais pela Universidade de São Paulo (2006). No

período de 2006 a 2008, realizou um pós-doutorado no Insti-

tuto de Física de São Carlos (IFSC-USP) e em 2008 e 2009

realizou seu pós-doutorado em colaboração com a Embrapa

Instrumentação Agropecuária. Foi Bolsista Jovem Pesquisador da FAPESP (2009-

2012). No doutorado trabalhou em parceria com o Professor Doutor Alan Graham

MacDiarmid, laureado com o Prêmio Nobel em Química de 2000, com o qual pu-

blicou um artigo no Journal of Nanoscience and Nanotechnology, em 2009. Atualmente

é Bolsista de Produtividade em Pesquisa, Nível 2, do CNPq, Professor Adjunto III

na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) – Campus Sorocaba, Coordenador

do Grupo de Pesquisa em Nanoneurobiofísica (GNN) (www.nanoneurobiophysics.

net) e do Programa Futuro Cientista (www.futurocientista.net), desenvolvido junto

às escolas públicas com o apoio dos setores público e privado. Tem experiência nas

áreas de nanociência e nanotecnologia, com ênfase em nanoscopia, nanoneurociência

e nanobiofísica médica. É credenciado junto ao Programa de Pós-Graduação em

Biotecnologia e Monitoramento Ambiental da UFSCar (PPGBMA), Programa de

Pós-Graduação em Física (IFSC-USP) e Programa de Pós-Graduação em Medicina

Tropical da Universidade de São Paulo (IMT-USP). Publicou cerca de 50 artigos

em periódicos especializados, 10 capítulos de livros, um livro, e possui duas marcas

XIV GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

registradas no Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI). É membro do

corpo editorial da revista Chemical Sensors e revisor para diversos periódicos. Atual-

mente é membro colaborador do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de

Sistemas Micro e Nanoeletrônicos e membro efetivo da Rede nBioNet (CAPES),

Rede Agronano (Embrapa) e da American Nano Society.

FÁBIO RUIZ SIMÕES

Bacharel em Química (1999), Mestre em Química (2001) e

Licenciado em Química (2002) pela Universidade Federal de

São Carlos (UFSCar). Doutor pelo Programa de Pós-Gradua-

ção em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de

São Paulo (USP), Escola de Engenharia de São Carlos (2005).

No Doutorado, desenvolveu trabalhos de sensores eletroanalíti-

cos de pesticidas em águas naturais, pela Embrapa Instrumen-

tação Agropecuária (CNPDIA-EMBRAPA). Fez Doutorado Sanduíche em Quími-

ca Analítica no Departamento de Química da Universidade de Coimbra. Trabalhou

como pesquisador DTI nível 7 C (CNPq) no desenvolvimento do sistema sensorial

“Língua Eletrônica” no projeto “Suco-Sensor”. Trabalha na área de Eletroanálise e no

desenvolvimento de sensores ambientais, atuando principalmente nos seguintes temas:

sensores eletroanalíticos de pesticidas, polímeros condutores, materiais nanoestrutura-

dos e nanotubos de carbono. Tem Pós-Doutorado concluído pelo Departamento de

Química da Universidade Federal de São Carlos e pelo Campus da UFSCar de Soro-

caba. No período entre Agosto de 2009 a julho de 2014 foi Professor Adjunto do Ins-

tituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas da Universidade Federal de

São Paulo (ICAQF-UNIFESP) no Campus de Diadema. Atualmente, desde Agosto

de 2014, é Professor Adjunto III no Departamento de Ciências do Mar no Campus da

Baixada Santista da UNIFESP (DCMar-UNIFESP).

FERNANDO JOSEPETTI FONSECA

Graduado em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica

na Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de

São Paulo (1981). Possui mestrado em Física Aplicada pelo

Instituto de Física e Química de São Carlos da Universidade

de São Paulo (1985) e doutorado em Microeletrônica pela Es-

cola Politécnica da Universidade de São Paulo (1994). Docen-

te desde 1987 no Departamento de Engenharia de Sistemas

Eletrônicos da Escola Politécnica da USP, é Professor Associado desde 2004. É

OS AUTORES XV

presidente da Comissão de Relações Internacionais da Escola Politécnica da USP

desde 2009, onde atua desde 2004. Foi membro da Comissão de Direitos Humanos

da USP de 1999 a 2008. Cofundador do Grupo de Eletrônica Molecular da Escola

Politécnica da USP, tem interesse no desenvolvimento de sensores químicos utili-

zando polímeros condutores (com ênfase em sistemas sensores do tipo Língua e Na-

riz Eletrônicos), OLEDs (diodos orgânicos emissores de Luz), PLEDs (diodos po-

liméricos emissores de luz), LEC (células eletroquímicas emissoras de luz), OTFTs

(transistores de filmes finos orgânicos), OSC (células solares orgânicas) e técnicas de

deposição de polímeros conjugados. Possui patentes nacionais e internacionais e ga-

nhou, juntamente com outros pesquisadores da EMBRAPA, o 1º Lugar do Prêmio

Governador do Estado de São Paulo – Invento Brasileiro, em 2001. Participou da

equipe da Escola Politécnica da USP que desenvolveu o detector do sensor de atitude

do primeiro satélite de coleta de dado construído no Brasil pelo Instituto Nacional de

Pesquisas Espaciais (1985-1989).

GERSON DOS SANTOS

Possui graduação tecnológica em Materiais, Processos e Com-

ponentes Eletrônicos pela Faculdade de Tecnologia de São

Paulo (2000) e graduação em Engenharia Elétrica pela Facul-

dade de Engenharia São Paulo (2012). Possui mestrado (2003)

e doutorado (2008) em Engenharia Elétrica, subárea Microe-

letrônica, pela Escola Politécnica da Universidade de São Pau-

lo. Desenvolveu pesquisa em nível de pós-doutorado na área de

Diodos Orgânicos Emissores de Luz (OLEDs) com auxílio FAPESP (2009-2011)

e na área de Células Solares Orgânicas (OSCs) com financiamento do CNPq (2012-

2013). Atualmente realiza pesquisa, em conjunto com atividades didáticas no ensino

superior em curso de Engenharia Elétrica, direcionada ao desenvolvimento de dispo-

sitivos orgânicos. Tem experiência em Eletrônica Orgânica, com ênfase em medidas

elétricas e processos de fabricação, atuando principalmente no desenvolvimento de

OLEDs, PLEDs (diodos poliméricos emissores de luz), LEC (células eletroquími-

cas emissoras de luz), OTFTs (transistores de filmes finos orgânicos), OSC, proces-

samento de polímeros e de pequenas moléculas luminescentes, complexos de metais

de Transição e de Terras Raras.

XVI GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

GUEDMILLER SOUZA DE OLIVEIRA

Bacharel e licenciado em Química pelo Instituto de Química

da Universidade Federal de Uberlândia (UFU) desde 2006.

Tem experiência na área de Química, com ênfase em Físico-

-Química. Concluiu o curso de mestrado em 2009 com bolsa

CAPES com um projeto com interface experimental de ótica

não linear, utilizando corantes. Durante o período de douto-

rado no Departamento de Química da Universidade Federal

de São Carlos (UFSCar) teve oportunidade de fazer um intercâmbio (doutorado

sanduíche) financiado pela CAPES, no período de maio a outubro de 2012 na Uni-

versidade de Houston, Texas, EUA. Desenvolveu o projeto inovador de funcionali-

zação de pontas de AFM, usando simulação computacional. Publicou recentemente

um artigo inovador no periódico Journal of Molecular Graphics & Modelling, no qual

simula computacionalmente a interação entre uma superfície funcionalizada e uma

enzima para aplicação biossensorial. Atualmente é bolsista de pós-doutorado da

FAPESP, na UFSCar, Sorocaba

JÉSSICA CRISTIANE MAGALHÃES IERICH

G raduada em Tecnologia em Sistemas Biomédicos pela Fa-

culdade de Tecnologia de Sorocaba (2012), possui mestrado

em Biotecnologia e Monitoramento Ambiental pela Univer-

sidade Federal de São Carlos (UFSCar), Campus Sorocaba

(2014). Atualmente, cursa Licenciatura em Ciências Biológi-

cas pela UFSCar, Campus Sorocaba e é pesquisadora no Gru-

po de Nanoneurobiofísica (GNN). Tem experiência na área

de Modelagem por Homologia e Simulações por Dinâmica Molecular de sistemas

biomoleculares. Suas principais áreas de atuação envolvem: desenvolvimento de na-

nobiossensores baseados em pontas de Microscópio de Força Atômica (AFM), es-

tudo das interações enzima-herbicida e do complexo antígeno-anticorpo, tal como

refinamento de estruturas proteicas pela aplicação de métodos computacionais.

JULIANA CANCINO

Possui graduação em Química, bacharelado e licenciatura,

pela Universidade Estadual de Maringá (UEM), mestrado

(2008) e doutorado (2011) em Ciências, Química Analítica,

pelo Instituto de Química de São Carlos e co-orientação pelo

OS AUTORES XVII

Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo, com estágio san-

duíche na Ruhr Universität, da Alemanha, sob a supervisão do prof. Dr. Wolfgang

Schuhmann e bolsa alemã DAAD. Em 2013 realizou estágio na University College

Dublin – Irlanda sob a supervisão do Professor Doutor Kenneth A. Dawson na área

de Nanotoxicologia. Atualmente é pós-doutoranda no Grupo de Nanomedicina e

Nanotoxicidade (GNano) do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de

São Paulo. Tem experiência na área de Nanomedicina e Nanotoxicidade, atuando

principalmente nos seguintes temas: Desenvolvimento e caracterização de sensores

e biossensores nanoestruturados aplicados em medicina, síntese e caracterização de

nanomateriais e desenvolvimento de novas metodologias para estudo de toxicidade

de nanomaterais por meio de modelos de membrana e pela biologia molecular.

LEONARDO GIORDANO PATERNO

Bacharel em Química (Universidade de São Paulo, 1998) e

doutor em Ciência e Engenharia de Materiais (Universidade

Federal de São Carlos, 2003). Fez parte de seu trabalho de

doutorado na Universidade de Wisconsin – Madison (2000-

2002). É professor adjunto II do Instituto de Química da Uni-

versidade de Brasília desde 2011. Suas atividades de pesquisa

envolvem principalmente a preparação de nanomateriais (na-

nopartículas inorgânicas, nanocarbonos e polímeros conjugados), seu processamento

na forma de filmes finos e aplicação em dispositivos moleculares, tais como sensores

químicos, diodos emissores de luz e células solares sensibilizadas por corantes.

LUIZ CARLOS GOMIDE FREITAS

Bacharel em Matemática pela Universidade de Brasília (1976) e

do utor em Química (Físico-Química) pela Universidade de São

Paulo (1981). Pós-Doutoramento na The Queen’s University of

Belfast (UK, 1982), Purdue University (EUA, 1987) e University

of Houston (EUA, 1999). Atualmente é Professor Associado IV

do Departamento de Química da Universidade Federal de São

Carlos. Possui experiência na área de Química, com ênfase em

Química Teórica, atuando principalmente nos seguintes temas: utilização de métodos

de química quântica, Monte Carlo e dinâmica molecular para estudar termodinâmica de

líquidos e processos químicos em solução, incluindo sistemas de interesse biológico. Atua

também no desenvolvimento de software para simulação computacional, sendo conside-

rado um dos pioneiros na promoção desta área de pesquisa no país.

XVIII GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

MARCO ROBERTO CAVALLARI

Graduado em Engenharia Elétrica com especialização em

Sistemas Eletrônicos na Escola Politécnica da Universidade

de São Paulo (2007), obteve ao término de sua graduação no

Brasil um duplo diploma franco-brasileiro por ter sido estu-

dante de intercâmbio pelo Programa TIME (Top Industrial

Managers for Europe) na Ecole Centrale de Lille, França

(2007). Possui mestrado (2010) e doutorado (2014) em Enge-

nharia Elétrica, sub-área Microeletrônica, pela Escola Politécnica da Universidade

de São Paulo. Para o mestrado teve atividades de pesquisa realizadas parcialmente

na EPUSP e na Fondazione Bruno Kessler/Università degli Studi di Trento, Itália

(2008-2009). Tem experiência em Eletrônica Orgânica, com ênfase em projeto, fa-

bricação e caracterização de dispositivos orgânicos como os OTFTs (transistores de

filmes finos orgânicos) e OSC (Células Solares Orgânicas) utilizando técnica s como

o nanoimprint em substratos rígidos e flexíveis. Atualmente realiza pós-doutorado na

Escola Politécnica da USP, com pesquisa relacionada à fabricação e caracterização de

biossensores a partir de transistores de filmes finos orgânicos.

MIGUEL GUSTAVO XAVIER

Graduado em Química pela Universidade Estadual de Maringá

(UEM) (2000), mestre em Ciências (área de concentração Física

Aplicada) pela Universidade de São Paulo (USP) (2004) e doutor

em Ciências (área de concentração Físico-Química) pela Uni-

versidade Federal de São Carlos (UFSCar) (2010). Entre 2010

e 2011 realizou pós-doutorado na área de inovação tecnológica

industrial no estado do Paraná e desde 2011 é professor adjunto

da Universidade Federal do Acre (UFAC). Possui experiência nas áreas de química e

física da matéria condensada, saneamento ambiental e ensino de ciências, atuando princi-

palmente com os temas: nanociência, mudanças ambientais globais e educação indígena.

PÂMELA SOTO GARCIA

Graduada em Tecnologia em Saúde (Modalidade: Projetos,

Operação e Manutenção de Aparelhos Médicos e Hospitala-

res) pela Faculdade de Tecnologia de Sorocaba (2008); possui

Aprimoramento em Microbiologia em Saúde Pública pelo Ins-

tituto Adolfo Lutz – Sorocaba (2009). Mestre em Biotecnolo-

gia e Monitoramento Ambiental pela Universidade Federal de

OS AUTORES XIX

São Carlos, campus Sorocaba – UFSCar (2014). Atualmente é graduanda em Ciên-

cias Biológicas e pesquisadora no Grupo de Nanoneurobiofísica da Universidade Fe-

deral de São Carlos, campus Sorocaba – UFSCar, onde dará continuidade nos estudos

de doutorado, desenvolvendo nanobiossensores de pontas de AFM para o estudo de

doenças autoimunes e neurodegenerativas. Experiências: Nanoscopia, Microscopia

de Força Atômica, Nanotecnologia, desenvolvimento de Nanobiossensores.

RENATA PIRES DE CAMARGO

Farmacêutica, formada pela Universidade de Sorocaba (2004),

com especialização em Gestão de Pessoas pela Faculdade

Anhanguera de Sorocaba (2012). É mestranda no programa

de pós-graduação em Biotecnologia e Monitoramento Am-

biental da Universidade Federal de São Carlos (2015). Atua

como responsável técnica pelos laboratórios da saúde da Fa-

culdade Anhanguera de Sorocaba desde 2006, coordenando as

aulas práticas dos cursos da área da saúde. Principais áreas de pesquisa: farmacologia

e sistemas de liberação controlada/sustentada de fármacos.

RICHARD ANDRE CUNHA

Graduado e com licenciatura em Química (2011) pela Univer-

sidade Federal de Uberlândia, possui mestrado em Química

(2013), com ênfase em química teórica, pela mesma institui-

ção. Atualmente é estudante de doutorado em Física e Quími-

ca de Sistemas Biológicos na International School for Advan-

ced Studies – SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi

Avanzati) em Trieste, Itália. Atua na área de química teórica e

computacional com foco em simulação de biomoléculas. Tem experiência com Di-

nâmica Molecular em seus variados aspectos, incluindo metodologias de Enhancing

Sampling, tais como Metadinâmica. Está atualmente envolvido nos seguintes pro-

jetos: Aspectos teóricos e computacionais no desenvolvimento de nanobiosenssores;

Modelagem molecular de Quitina e Quitosana e sua interação com membranas; e

Modelagem de RNA e suas interações com íons Magnésio(II).

VALÉRIA SPOLON MARANGONI

Possui graduação em ba charelado em Química pelo Instituto

de Química de São Carlos (IQSC) da Universidade de São

Paulo (USP), recebendo o Prêmio Lavoiser de melhor aluno

do curso entre os anos de 2006-2009. Realizou o mestrado em

Ciências, área de concentração Física Biomolecular, pelo Ins-

tituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP, onde atualmen-

te é aluna de doutorado. Recebeu o Prêmio Yvonne Primerano

Mascarenhas pelo melhor trabalho de mestrado na I Semana Integrada de Gradua-

ção e Pós-Graduação do IFSC em 2011. Realizou estágio no Halas Nanophotonics

Group na Rice University, Houston, EUA, em 2012. Possui experiência na área de

síntese, caracterização e funcionalização de nanomateriais atuando no desenvolvi-

mento de novos sistemas para aplicações em nanomedicina.

VALTENCIR ZUCOLOTTO

Membro da Academia Brasileira de Ciências (ABC). Professor

Associado (Livre Docente) no Instituto de Física de São Carlos

(IFSC) da Universidade de São Paulo (USP), onde coordena

o Grupo de Nanomedicina e Nanotoxicologia GNano/IFSC/

USP. Possui graduação em Engenharia de Materiais pela Uni-

versidade Federal de São Carlos (1997), mestrado em Ciência

e Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São

Carlos (1999) e doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais pela Universidade de

São Paulo (2003). Estágio na University of Massachusetts at Lowell, EUA (2000-2001).

Foi professor Visitante na Universidade Joseph Fourier, Grenoble, França, em 2010.

Tem experiência nas áreas de Nanotecnologia e Desenvolvimento e Aplicação de Na-

nomateriais em Medicina e Nanotoxicologia. Desenvolveu e ministra vários minicursos

sobre escrita científica e como escrever artigos científicos em várias universidades do Bra-

sil e exterior. Publicou mais de 125 artigos em revistas internacionais e oito capítulos de

livros. Possui mais de 1800 citações e fator H 24. É editor associado da revista Journal of

Biomedical Nanotechnology (Impact Factor 5.256) e editor da série de livros Nanomedicine

and Nanotoxicology (Springer). Mais informações: www.nanomedicina.com.br e www.

escritacientifica.com.

APRESENTAÇÃO

O tema abordado nesta obra está diretamente ligado à revolução industrial e tecno-

lógica que o mundo está vivenciando. O impacto na economia e em nosso cotidiano

já é significativo, com a produção de novos fármacos a partir de nanopartículas, no-

vas terapias e nanodispositivos para sensoriamento ambiental. Como se pode intuir,

referimo-nos a nanociência e nanotecnologia. A nanociência e suas derivações com-

põem um campo de fronteira transdisciplinar que permite realizar a miniaturização

de materiais e dispositivos, trabalhando na nanoescala para criar estruturas com or-

ganização molecular. Os benefícios dessas novas estruturas nanométricas podem ser

constatados pela rápida disseminação de resultados em áreas como aeronáutica, bio-

tecnologia, materiais, nanoeletrônica, medicina, meio ambiente, saúde e segurança

nacional. A ciência que descrevemos aqui é capaz de construir e manipular moléculas

e átomos a ponto de desenvolver novos materiais com propriedades convenientes

e que normalmente não são observadas na macroescala. De fato, o mundo clássico

em que vivemos apresenta propriedades que podem ser drasticamente alteradas se a

matéria for manipulada em nível nanoscópico. Por exemplo, um material condutor

elétrico nas escalas macroscópica e microscópica pode se tornar isolante na nanoesca-

la. Essas peculiaridades do nanomundo, que permitem criar materiais com incríveis

e inusitadas propriedades, poderão ser exploradas pelo leitor por intermédio dos ca-

pítulos desta obra. Nossa ideia é criar inquietação, instigar transformações na forma

de pensar e ver o mundo a partir do controle das propriedades da matéria na escala

atômica e molecular.

Nanociência e Nanotecnologia: Princípios e Aplicações é uma coletânea de três vo-

lumes dedicada a estudantes de graduação e pós-graduação de diversos cursos,

além de técnicos e profissionais de várias indústrias. Os livros contêm capítulos di-

recionados a temas de vanguarda em novas áreas de pesquisa, além de capítulos de

XXII GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

caráter técnico-científico, em que são descritas estruturas e ferramentas para a ciência

e tecnologia em escala nanométrica. A coleção tem o objetivo principal de orientar o

leitor com relação aos conceitos e fundamentos teóricos da nanociência, para permi-

tir o entendimento dos fenômenos e das propriedades da matéria em nível atômico-

-molecular. Propriedades de nanoestruturas, síntese, processamento, caracterização,

manipulação e modelamento computacional foram temas abordados nos diversos

capítulos. Pretende-se com esta obra ensinar a alunos de diversas áreas os tópicos

essenciais para iniciar pesquisas em nanociência e nanotecnologia. O texto é intrin-

secamente interdisciplinar, já que os autores possuem formação acadêmica diversi-

ficada. Em alguns capítulos utilizamos um formalismo matemático mais detalhado,

importante para fornecer fundamentos. Os capítulos são didáticos tanto na descrição

dos modelos quanto nas suas possíveis utilizações. O aprofundamento em cada tema

pode ser adquirido por intermédio da extensa lista de referências disponibilizadas

pelos autores em seus capítulos.

Os potenciais leitores desta coleção podem vir de diversas áreas, o que tornou

esta obra um grande desafio aos organizadores e autores. Estaremos recompensados

se cada leitor obtiver algum conhecimento que lhe possa ser útil em sua vida profis-

sional. Esperamos, também, que a obra possa servir para estimular pesquisadores a

explorar as potencialidades do nanomundo, produzindo novos materiais e desenvol-

vendo métodos e processos para a nanotecnologia.

PREFÁCIO

O segundo volume da coleção Nanociência e Nanotecnologia: Princípios e Aplicações

aborda as principais aplicações do nanomundo, integrando grandes áreas da ciência

de forma multidisciplinar. O entendimento, controle e a exploração de materiais e

sistemas em nível molecular fornecem propriedades e fenômenos físicos, químicos

e biológicos significativamente novos. O objetivo principal dos nanocientistas é ex-

plorar estas novas propriedades para futuras aplicações tecnológicas, compreendendo

os fenômenos da natureza e suas respectivas implicações para o bem-estar humano

e no desenvolvimento da nossa civilização. Nos últimos anos, devido à grande va-

riabilidade de demandas na sociedade, novas áreas de pesquisa surgiram e os efeitos

sociais destes novos campos de exploração podem ser mensurados por intermédio de

resultados de impacto em áreas como tecnologia da informação, medicina e saúde,

meio ambiente e energia, nanoeletrônica e nanometrologia. Tais avanços e impactos

foram inseridos nos capítulos deste livro, particularmente nas áreas de eletrônica,

energia, materiais, meio ambiente e saúde.

O Capítulo 1 trata especificamente das células solares, que realizam a conversão

de energia solar em eletricidade de forma limpa, a partir de fontes renováveis. Para

que o processo ocorra de forma eficiente, os sistemas precisam estar conectados via

interfaces que se organizam na escala nanométrica. Serão apresentados os princípios

de funcionamento de uma célula solar, com um enfoque especial sobre os nanomate-

riais empregados na construção das células e os conceitos de nanotecnologia aplica-

dos para seu funcionamento.

O Capítulo 2 apresenta a aplicação de materiais orgânicos em dispositivos eletrô-

nicos poliméricos, como os transistores de filmes finos e os diodos emissores de luz.

Tais materiais orgânicos incluem pequenas moléculas (por exemplo, oligômeros) e

polímeros conjugados que podem ser condutores elétricos.

XXIV GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

Os Capítulos 3 e 4 abordam temas da área médica, com enfoque em nanomedi-

cina e nanoneurobiofísica. O Capítulo 3 apresenta as possibilidades de aplicação de

nanomateriais no diagnóstico, tratamento e prevenção de doenças. São discutidos os

avanços em diagnóstico, terapia e entrega controlada de medicamentos, bem como

a importância da biofuncionalização dos nanomateriais. O Capítulo 4 trata da Na-

noneurobiofísica, uma nova linha de pesquisa baseada na Biofísica, Neurociência e

Nanociência. Serão abordadas as principais contribuições da Nanociência no estudo

de doenças do Sistema Nervoso, com destaque para os avanços recentes nas áreas de

Nanoneurofarmacologia e Nanoneuromedicina. Serão discutidos, também, aspectos

relacionados com a área de bioinformática para o estudo de sistemas complexos.

Os Capítulos 5 e 6 abordam o desenvolvimento de nanossensores e sensores ele-

troquímicos. No Capítulo 5 são apresentados nanossensores construídos por inter-

médio de pontas e microcantiléveres de microscópios de força atômica, que permi-

tem estudar propriedades, em nível molecular, de toxinas, poluentes e analitos em

geral, com alta especificidade. Nesse capítulo, conceitos gerais sobre nanossensores

são introduzidos, bem como conceitos relacionados com a microscopia de força atô-

mica e com a espectroscopia de força atômica. No Capítulo 6 são abordados sensores

eletroquímicos, em que um eletrodo é utilizado como elemento transdutor. Estes

dispositivos se destacaram a partir da segunda metade do século XX, atingindo o es-

tágio comercial numa vasta gama de aplicações. Com a nanotecnologia, sensores ele-

troquímicos são cada vez mais precisos, seletivos, específicos e com alta sensibilidade.

O volume é encerrado com o Capítulo 7, com ênfase teórica para aplicação de

biomoléculas e desenvolvimento de nanodispositivos. São descritos métodos e ferra-

mentas de simulação computacional híbrida, cuja descrição de biomoléculas é feita

através da combinação de métodos de modelagem molecular (mecânica clássica) e

mecânica quântica. Esses métodos híbridos são aplicados para descrição de intera-

ções específicas proteína-ligante (desenvolvimento de nanossensores) e são comu-

mente usados em sistemas gigantescos, tais como proteínas. Os resultados de simu-

lação são comparados com resultados experimentais.

SUMÁRIO

Dedicatórias v

Agradecimentos vi

Os organizadores viii

Os autores xi

Apresentação xxi

Prefácio xxiii

Lista de abreviaturas e siglas xxix

1 Nanomateriais: Conversão de Energia Solar 1

1. Introdução 3

2. Conversão de energia de solar em eletricidade 5

2.1. Espectro solar e parâmetros de desempenho fotovoltaico 5

2.2. Princípio de funcionamento de uma célula solar 11

2.3. Células solares orgânicas (CSO) 14

2.4. Células solares sensibilizadas por corantes 21

3. Células fotoeletroquímicas para produção de combustíveis solares 28

4. Conclusões e perspectivas 34

2 Nanoeletrônica 41

1. Materiais orgânicos para a nanoeletrônica: de isolantes a condutores 43

1.1 Técnicas de formação de filmes orgânicos 47

2. Processo de transporte de cargas em dispositivos orgânicos 49

3. Transistores de filmes finos orgânicos 52

3.1. Estrutura do TFT 52

3.2. Modelagem das curvas características 54

4. Diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) 68

4.1. Estrutura de filmes finos em OLEDs e materiais típicos utilizados 68

4.2. Caracterização eletro-óptica de diodos orgânicos emissores de luz 70

XXVI GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

3 Nanomedicina 83

1. Nanomedicina 85

2. Nanomateriais aplicados a diagnóstico e terapia 86

2.1. Nanomateriais em medicina 86

2.2. Aplicações médicas de magnetita e core-shell 88

2.3. Entrega controlada de medicamentos 89

2.4. Terapia fotodinâmica 92

3. Síntese de Nanomateriais para aplicação em nanomedicina 94

3.1. Nanopartículas de ouro 94

3.2. Nanopartículas magnéticas 95

3.3. Estruturas do tipo core-shell 96

3.4. Biofuncionalização de nanomateriais 97

4. Nanotoxicologia 98

4 Nanoneurobiofísica 109

1. Introdução 111

2. Nanofarmacologia 112

3. Nanoneurociência e nanoneurofarmacologia 113

3.1. Nanoneurociência básica 113

3.2. Nanoneurociência clínica 117

4. Recursos computacionais em nanomedicina 128

4.1. Neurociência Computacional, Neuroinformática e Neurobiofísica 130

4.2. Nano(bio)informática 135

4.3. Aplicação de métodos e ferramentas de informática em dados nanomédicos 137

5 Nanossensores 145

1. Introdução 147

2. Sensores e nanossensores – novas ferramentas de detecção 148

3. Espectroscopia de força atômica (curva de força) 154

3.1. Considerações teóricas de curvas de força 155

3.2. Microscopia de força química 163

3.3. Aplicações dos sensores de ponta de AFM 166

4. Sensores de microcantiléveres 168

4.1. Modos de operação dos sensores de microcantiléveres 168

4.2. Considerações teóricas 171

4.3. Aplicações dos sensores de microcantiléveres 173

5. Desafios e tendências 178

6 Sensores Eletroquímicos 189

1. Introdução 191

2. Métodos eletroanalíticos 193

2.1. Princípios 193

2.2. Potenciometria 194

2.3. Cronoamperometria 199

SUMÁRIO XXVII

2.4. Métodos voltamétricos 201

2.5. Espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) 208

2.6. Língua eletrônica (LE): conceitos, princípios e aplicações 210

7 Modelagem molecular aplicada a nanobiossistemas 219

1. Introdução 221

1.1. Modelagem molecular 221

1.2. Modelagem molecular computacional 222

2. Tipos básicos de representação 223

3. Biomoléculas e modelagem de proteínas 224

3.1. Biomoléculas 224

3.2. Proteínas 224

3.3. Estrutura das proteínas 226

3.4. Tipos de representação de biomoléculas e proteínas 227

3.5. Bancos de dados de estruturas biológicas 230

3.6. Ferramentas de visualização, manipulação e análise de estruturas de proteínas 231

4. Métodos de modelagem molecular computacional aplicado a biomoléculas 233

4.1. Métodos clássicos 233

4.2. Métodos híbridos (mecânica quântica/mecânica molecular) 241

4.3. Caracterização estrutural 246

5. Algumas aplicações recentes 253

5.1 Aplicações na indústria farmacológica 253

5.2. Aplicações tecnológicas 255

6. Considerações finais 256

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

[Oxi] Atividade da Espécie Oxidada[Red] Atividade da Espécie Reduzida1D Unidimensional2D Bidimensionala.C. Antes de CristoA431 Linhagem de células epidermoide humanoA549 Linhagem de células adenocarcinoma humanoAAP Alumina anódica porosaAbs AbsolutasABS Acrilonitrila-butadieno-estirenoAC Alternating current (corrente alternada) ACCase Acetil coenzima A carboxilaseACGT Advancing Clinico Genomic Trials on Cancer (Ensaios Clínico-genômicos

Avançados em Câncer)AFAM Atomic Force Acoustic Microscopy (Microscopia Acústica de Força Atômica)AFM- Atomic Force Microscopy ou Atomic Force Microscope (Microscopia de Força

Atômica)AFS- Atomic Force Spectroscopy (Espectroscopia de Força Atômica)ALP Aberturas Limitadoras de PressãoAlq3 Hidroxiquinolina de alumínio ALS Acetolactatosintase.Am AmperímetroAPTES Amino propil trietoxisilanoASAXS Anomalous Small-Angle X-ray Scattering (Espalhamento Anômalo [ou ressonante]

de Raios X a Baixo Ângulo). ATPases Adenyl pyrophosphatase (adenilpirolfosfatase)BAM Brewster Angle Microscopy (Microscopia de Ângulo de Brewster) BAMS Brain Architecture Knowledge Management System (Sistema de Gestão do

Conhecimento da Arquitetura do Cérebro)BBL Poly(benzobisimidazobenzophenanthroline)BC Banda de condução BCB Diviniltetrametilsiloxana-bis(benzociclobuteno) BCCI Business Communications Company Inc.

XXX GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

BHE- Barreira hemato-encefálicaBioMEMS Biological Microelectro Mechanical Systems (Sistemas Bio Microeletrônicos) BioNEMS Biological Nanoelectro Mechanical Systems (Sistemas Biológicos

Nanoeletromecânicos) BLAST Basic Local Alignment Search ToolBRENDA Braun shweig Enzyme Database.BSA Bovine Serum Albumin (Albumina do Soro Bovino)butil-PBD 2-(4-bifenil)-5-(4-tert-butifenil)1,3,4-oxidiazol BV Banda de valência C-60 Fulereno com 60 carbonosC8-BTBT 2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophenecaBIG Câncer Biomedical Informatics Gridc-AFM Conductive Atomic Force Microscopy (Microscopia de Força Atômica Condutiva)CCD Charge Coupled Device CD Compact DiscCE Célula eletroquímicaCFM Chemical Force Microscopy (Microscopia de Força Química)CIE Commission Internationale de l’Éclairage (Comissão Internacional de Iluminação)CMC Concentração micelar crítica CMDMC Centro Multidisciplinar de Desenvolvimento de Materiais Cerâmicos CMOS Metal oxide semiconductor (Óxido metálico semicondutor)COVs Orgânicos voláteisCSO Células Solares OrgânicasCSSC Células Solares Sensibilizadas por CorantesCTAB Brometo de cetiltrimetil amônio CTC Capacidade de troca de cátionsD Drain (eletrodo de dreno do transistor FET)DAM Dummy Atom Model (Modelo de Átomos Fictícios)DBPC De Baixo Para CimaDC Direct current (corrente contínua) DCPB De Cima Para Baixo DDFTTF 5,5-bis-(7-dodecyl-9H-fluoren-2-yl)-2,2-bithiophene DDG Dispositivo Detector Gasoso DEMA Departamento de Engenharia de MateriaisDERE Difração de Elétrons RetroespalhadosDF Demchak e FortDFT Teoria do Funcional de DensidadeDL DilaureilDM DimiristoilDMFC DirectMethanolFuelCell (Célula Combustível de Metanol Direto)DMol Dinâmica MolecularDMPA DimiristoilfosfatidicoDMT Derjaguin-Muller-ToporovDNA Deoxyribonucleicacid (Ácido desoxirribonucleico) DNTT Dinaphtho-[2,3-b:2′,3′-f]thieno[3,2-b]-thiopheneDO DioleilDOS Density of states (Densidade de Estados)DP DipalmitoilDPPC Dipalmitoil fosfatidil colina DPV Voltametria de Pulso DiferencialDRX Difração de raios XDTBTE trans-1,2-di[thieno[3,2-b][1]benzothiophenic-2-]ethylene

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS XXXI

DTS DeciltriclorosilanoE. coli Escherichia coli Ecr Energia CríticaECS Eletrodo de Calomelano Saturado EDCOX Espectroscopia por Dispersão de Comprimentos de Onda de Raios X EDEX Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios XEF Energia de FermiEFM Electrostatic Force Microscopy (Microscopia de Força Eletrostática)EFP Elétrons do Feixe Primário EIL ElectronInjectionLayer (Camada Injetora de Elétrons)EIS Espectroscopia de Impedância EletroquímicaEL Emitting Layer (Camadas Emissoras)ELD Espalhamento de luz dinâmicoENH Eletrodo normal de hidrogênioENH ou EPH Eletrodo Normal (ou Padrão) de HidrogênioEQE Eficiência quântica externa ES Elétrons Secundários Emitidos pela Amostra ES1 Elétrons secundários gerados pelos elétrons do feixe incidente ES2 Elétrons secundários gerados pelos elétrons espalhados através da amostra ES3 Elétrons secundários gerados pelos elétrons espalhados através de outras partes da

câmara de amostrasESA Electrostatic Self-Assembly (Automontagem por Atração Eletrostática) ETL Electron Transport Layer (Camada Transportadora de Elétrons em OLEDs) EXAFS Espectroscopia de absorção de raios X ExPaSy Expert Protein Analysis System (Sistema de Análise Especializado em Proteínas)Fadh Força de adesãoFe2O3 Magnetita FEG Fiels Emission Gun (Microscopia Eletrônica por Emissão de Campo)FET Field-Effect Transistor (Transistor de Efeito de Campo)FID Free Induction Decay (Decaimento de Indução Livre)FINEP Financiadora de Estudos e ProjetosFM Fluido magnético fM Fento-molarFMM Force Modulation Microscopy (Microscopia de Modulação de Força)FNE Feixe não espalhado FPPF Full Pattern Profile Fitting (Ajuste de Padrão Total)FPPM Full Pattern Profile Modelling (Modelamento de Padrão Total)FT Fonte de tensãoFTIR Fourier transform infrared spectroscopy (Espectroscopia de Infravermelho por

Transformada de Fourier)FTO Fluorine-doped tin oxide (Óxido de estanho dopado com flúor)FWHM Full Width Height Maximum (Largura à meia altura)G Gate (Eletrodo de porta do transistor FET) GC Gas chromatography (Cromatografia gasosa)GEE Gases de Efeito EstufaGISAXS Grazing-Incidence Small-Angle X-ray Scattering (Espalhamento de Raios X a Baixo

Ângulo na Geometria de Incidência Rasante)GMR Giant Magneto resistance (Magneto resistência Gigante)GPS Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global)HAuCl4 Ácido cloroáuricoHC CoercividadeHCl Ácido Clorídrico

XXXII GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

HDPE Polietileno de alta densidadeHDPE-g-MA Polietileno de alta densidade enxertado com anidrido maleicoHDT Temperatura de deflexão térmicaHEK Linhagem de células embrionárias do rimHH Head-to-head (Regioregularidade cabeça-cabeça de semicondutor polimérico) HIV/AIDS Human immuno deficiency vírus (Vírus da imunodeficiência humana)HMDS HexametildissilazanaHOMO Highest occupied molecular orbital (Orbital molecular ocupado mais alto)HP n-heteropentacenoHPLC High-performance liquid chromatography (Cromatografia liquida de alta

performance)HRTEM High resolution transmission electron microscopy (Microscopia eletrônica de alta

resolução)HT Head-to-tail (Regioregularidade cabeça-cauda de semicondutor polimérico)HTL Hole Transporting Layer (Camadas Transportadoras de Buracos)i x E Corrente versus PotencialIBM International Busines MachinesIERE Imagem de Elétrons Retroespalhados IES Imagem de Elétrons Secundários Im Z Impedância ImagináriaIP Íons Positivos IPd Índice de polidispersãoIPH Plano interno de HelmholtzISO-TC International Organization for Standardization – Technical Committee Organização

Internacional para Padronização – Comitê Técnico ITO Indium-doped tin oxide (Óxido de estanho dopado com índio)JKR Johnson-Kendall-RobertsJunção D-A Junção doador-aceitadorK2PtCl4 Tetracloro platinato de potássioLB Langmuir-BlodgettLbL Layer-by-Layer (camada por camada)LCAO Linear Combination of Athomic Orbitals (Combinação Linear de Orbitais AtômicosLCD Liberação controlada de drogasLCD Liquid Crystal Display (Tela de Cristal Líquido)LE Lentes eletrostáticasLFE Litografia com Feixe de Elétrons LFM Lateral Force Microscopy (Microscopia de Força Lateral)LLDPE Polietileno linear de baixa densidadeLS Langmuir-SchaeferLUMO Lowest unoccupied molecular orbital (Orbital molecular desocupado mais baixo)M Magneto lipossomosMAQ Microanálise Química MCT Ministério da Ciência e TecnologiaMECQ Microbalança Eletroquímica de Cristal de QuartzoMET Microscopia eletrônica de transmissãoMEV Microscopia Eletrônica de VarreduraMEV-A Microscopia Eletrônica de Varredura Ambiental MEV-BV Microscopia Eletrônica de Varredura de Baixa Voltagem MEV-EC Microscopia Eletrônica de Varredura com Filamento de Emissão de Campo MHT Magneto hipertermiaMIS Estrutura de camadas Metal-Isolante-Semicondutor ml Número quântico magnético

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS XXXIII

MLV Multilamellar vesicle (Vesícula multilamelar)MM Massa molarMOSFET Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (Transistor de efeito de campo

metal-óxido-semicondutor) MRI Magnetic ressonance image (Imagens de ressonância magnética)ms Número quântico de spinMTJ Magnetic Tunnel Junction (Junção Túnel Magnético)MWNT Multi-walled Nanotube (Nanotubo de parede múltipla)N&N Nanociência & NanotecnologiaNA Número de AvogadroNASA NationalAeronauticsand Space Administration (Administração Nacional da

Aeronáutica e Espaço) Ne Densidade eletrônicaNEMS Nanoelectro Mechanical Systems (Sistemas Nanoeletromecânicos)NF NanofluidoNIH-3T3 Linhagem de células fibroblastos NIM Nanoimpedance Microscopy (Microscopia de Nanoimpedância)NIOSH National Institute for Occupational Safety and Health’s (Instituto Nacional de

Segurança Ocupacional e Saúde)n-MAG Nanopartículas de maguemita com cargas superfíciais negativasNNI The National Nanotechnology Initiative (Iniciativa Nacional de Nanotecnologia)

NP NanopartículasNPO Nano Particle Ontology (Ontologia de Nanopartículas)NR-g-PAAm Polyacrylamide grafted natural rubber (Borracha natural enxertada em

poli(acrilamida))OLED Organic light-emitting diode (Diodo orgânico emissor de luz)OMMT Argila montmorilonita modificada organicamenteONAMI Oregon Nanoscience and Microtechnologies Institute’s (Instituto Oregon para a

Nanociência e Microtecnologias)OPH Plano externo de HelmholtzOSC Organic Solar Cell (Célula Solar Orgânica) OTFT Organic Thin Film Transistor (Transistor de Filmes Finos Orgânicos) OTS OctadeciltriclorosilanoP&D Pesquisa e DesenvolvimentoP(NDI2OD-T2) [N,N-9-bis(2-octyldodecyl)naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)

-2,6-diyl]-alt-5,59-(2,29-bithiophene)P3AT Poli(3-alquiltiofeno) P3HT Poli(3-hexiltiofeno)P4VP Poli(4-vinilfenol)PA Ácido fosfatidicoPA6 Poliamida 6PAA Poliácido acrílicoPAMAM Poli(amidoamina)PAni PolianilinaPAP Hidrocloreto de FenazopiridinapBTTT Poly(2,5-bis(3-hexadecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)PC Fosfatidil colina PC PolicarbonatoPCz PolicarbazolPDB Book Haven Protein Data Bank (Banco de Dados de Proteínas) PDF Pair Distribution Function (Função de Distribuição de Pares)PDIR-CN2 N,N″-bis(n-alkyl)-(1,7 and 1,6)-dicyanoperylene-3,4:9,10-bis(dicarboximide)

XXXIV GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

PDP Programa de Desenvolvimento ProdutivoPDPP-TBT Diketopyrrolopyrrole–benzothiadiazolecopolymerPDT Photodynamic therapy (Terapia Fotodinâmica)PE Polietileno PEBBLE Probes Encapsulated by Biologically Localised EmbeddingPECVD Plasma-enhanced chemical vapor deposition (Deposição química na fase vapor

assistida por plasma)PEDOT:PSS Poli(3,4-etilenodioxitiofeno) dopado com poli(ácido estireno-sulfônico)PEF Fosfatidil etanolaminaPEG Polietileno glicolPEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell (Célula Combustível de Membrana de Troca

Protônica)PEO Plasma Electrolytic OxidationPF PolifluorenoPFM Piezoresponse Force Microscopy (Microscopia de Força Piezoelétrica)Pfu PolifuranoPG Fosfatidil glicerol pH potencial hidrogeniônicoPI PoliimidaPIBMA Poli(isobutilmetacrilato)PLA Ácido poliláticoPLGA Ácido poli(lático-co-glicólico)p-MAG Nanopartículas de maguemita com cargas superficiais positivas PM-IRRAS Polarization-modulated infrared reflection-adsorption spectroscopy (Espectroscopia

de infravermelho reflexão-absorção com polarização-modulada)PMMA Poli(metil metacrilato)PO2 Permeabilidade ao oxigênioPP PolipropilenoPPP Poli(p-fenileno) PPV Poli(p-fenilenovinileno) PPy Polipirrol PQT-12 Poly[5,5-bis(3-dodecyl-2-thienyl)-2,2-bithiophene]PS Poliestireno PSD Fosfatidil serinaPSS Poli(estireno sulfonato de sódio)PT Politiofeno PTAA PolitriarilaminaPTC Positive Temperature Coefficient (Coeficiente de Temperatura Positivo) PVA Poli(vinil álcool)PVK Polivinil carbazolPVP Polivinil piridinaPVP Poli(vinil pirrolidona)PVS Poli(vinil sulfônico)PZT Titanato zirconato de chumboQM/MM Quantum Mechanics/Molecular MechanicsQSAR Quantitative Structure-Activity Relationship (Relação Quantitativa Estrutura-Atividade)rBMEC Células endoteliais primárias de cérebros de rato RC Resistência em Paralelo com um CapacitorRCSB Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (Pesquisa Colaboratória para

Bioinformática Estrutural)Re Z Impedância RealRede NANOBIOTEC Rede Nacional de Nanobiotecnologia

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS XXXV

redox Redução/OxidaçãoRENAMI Rede de Nanotecnologia Molecular e de Interfaces RES Sistema retículo endotelialRFID Radio Frequency Identification Device (Dispositivo de Identificação por

Radiofrequência) RGO Reduced Graphene Oxide (Óxido de Grafeno Reduzido) RI Resistência ao impacto IzodRMN Ressonância Magnética Nuclear RNA Ribonucleic acid (Ácido ribonucleico)ROS Reactive oxygen species (espécies reativas de oxigênio)RPM Rotações por minutoRupy Complexo de RutênioS Source (eletrodo de fonte do transistor FET)SAXS Small-Angle X-rayScattering (Espalhamento de Raios X a Baixo Ângulo)SCI Scientific Electronic Library (Biblioteca Eletrônica Científica)SCLC Space Charge Limited Current (Corrente Limitada por Carga Espacial)SCM Scanning Capacitance Microscopy (Microscopia de Varredura de Capacitância)SDS Dodecil sulfato de sódio SEM-FEG Scanning Electron Microscope-Field Emission Gun (Microscópio Eletrônico de

Varredura de Efeito de Campo)SERS Surface Enhanced Raman Scattering (Espalhamento Raman Intensificado pela

Superfície)SIM Scanning Impedance Microscopy (Microscopia de Varredura por Impedância)SMEM Sistemas Micro Eletro Mecânicos SNC Sistema Nervoso CentralSNOM Scanning Near-Field Optica lMicroscopy (Microscopia de Varredura de Campo

Próximo)SOFC Solid Oxide Fuel Cell (Célula de Combustível de Óxido Sólido)SPIO Super paramagnetic iron oxides (Óxidos de ferro superparamagnéticos)SPM Scanning ProbeMicroscopy (Microscopia de Varredura por Sonda)SSPM Scanning Surface Potential Microscopy (Microscopia de Varredura por Potencial de

Superfície)SSRM Scanning Spreading Resistance MicroscopySTM Scanning Tunneling Microscopy (Microscopia de Varredura por Tunelamento)SU Stanford UniversitySUV Vesículas unilamelares (SUVs)SWCNT Single-walled carbon nanotubes (Nanotubos de carbono de parede simples) SWNTs Single Wall nanotubes (Nanotubos de parede simples)SWV Voltametria de Onda QuadradaTB Tight Binding (ligações fortes)TCH Thompson-Cox-HastingsTCL Trapped-Charge Limited current (Limitação de corrente por portadores de cargas

aprisionadas)TCNQ Tetracyano quinodi methaneTEM Transmission Electron Microscope (Microscopia Eletrônica de Transmissão) TEOS TetraetilortosilicatoTHF TetrahidrofuranoTHF TetrahidrofuranoTHPC Cloretotetra kis hidroximetilfosfônicoTiO2 Dióxido de titânioTIPS 6,13-bis[triisopropylsilylethynyl]TLC Thin-layer chromatography (Cromatografia de camada delgada)

XXXVI GRANDES ÁREAS DA NANOCIÊNCIA

TR Transfer Ratio (Taxa de Transferência) TT Tail-to-tail (Regiorregularidade cauda-cauda de semicondutor polimérico)UF Unidades formadoras de colôniaUFPE Universidade Federal de PernambucoUFRGS Universidade Federal do Rio Grande do SulUFSCar Universidade Federal de São CarlosUNESP Universidade Estadual PaulistaUNICAMP Universidade de Campinasunid. UnidadesUniProt Universal Protein ResourceUR Umidade relativaUV-vis Ultravioleta visívelVC Voltametria CíclicaVMD Visual Molecular DynamicsWoS Web of Science (Site para pesquisas de artigos científicos)XPD X-Ray Powder Diffraction (Difração de Raios X de Pó)XPS X-ray photo electron spectroscopy (Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios X)XRD X-Ray Diffraction (Difração de Raios X)Z. de B. Zona de BrillouinZFC-FC Zero-field-cooled-field-cooled (Resfriamento sem campo aplicado-resfriamento com

um campo aplicado)γ Fe2O3 Maguemita