Lorentz, um dos grandes Físicos !

Hendrik Antoon Lorentz (1853 – 1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 - 1928)

Uma atitude muito comum quando se analisa o progresso científico é a tendência a condicioná-lo unicamente ao surgimento cíclico de gênios individuais. É certo que a contribuição isolada de um pesquisador pode ser decisiva em determinado momento histórico, mas ela é necessariamente condicionada à existência de um background de conhecimentos, reunidos por outros estudiosos. Assim, dizer que a Newton se deveu a criação da mecânica clássica é dizer apenas meia verdade: ele é, inegavelmente, um marco, pois com ele muitas etapas foram queimadas; mas não se deve esquecer que sua figura está ligada ao pano de fundo formado pelos pesquisadores que o antecederam (o que, de modo algum, diminui sua estatura). Da mesma forma, a obra de Albert Einstein baseou-se em conhecimentos anteriores da física, mesmo se para revisá-los.
E como precursor do criador da teoria da relatividade, destaca-se Hendrik A. Lorentz.
Lorentz viveu numa época de grande importância para a física: nela ocorreu desde o surgimento da teoria atômica da matéria à penetração na estrutura do átomo até o núcleo. Thomson, ao mostrar que o átomo contém elétrons, e Becquerel, descobrindo a radiatividade, abriram caminho para os estudos das relações entre a química e a física. Já se efetuavam experiências de aceleração de elétrons, e havia a certeza de que o mesmo poderia ser feito com outras partículas eletricamente carregadas. Pouco a pouco, descobriam-se novas propriedades da matéria.
Em fins do século XIX e começo do XX, os cientistas, até então satisfeitos com as leis da física, que explicavam satisfatoriamente o conjunto de fenômenos conhecidos, começaram a deparar-se com um mundo de indagações: estariam essas leis de acordo com os novos dados experimentais?
Entre outras coisas, ignorava-se por que um elétron acelerado parecia ter sua massa aumentada quando animado de velocidades muito altas; não se sabia, igualmente, qual a disposição dos elétrons e das cargas positivas no átomo.
Lorentz foi um dos primeiros estudiosos a se defrontarem com as dificuldades levantadas pelas novas descobertas da física. A maneira como o fez abriu caminho para a teoria da relatividade.
O pai de Lorentz era um rico agricultor holandês, que possuía, apesar de ser pouco culto, inteligência e memória extraordinárias. Essas características foram herdadas pelo filho, que nasceu a 18 de julho de 1853.
Aos treze anos, após concluir seus primeiros estudos, Lorentz ingressou na escola secundária, instituição tão recente na Holanda que em sua classe havia apenas três alunos. Teve a sorte de encontrar bons professores que o ensinaram línguas estrangeiras e, melhor ainda, matemática e física, suas disciplinas prediletas. A seguir, para entrar na Universidade de Leiden, teve de
estudar, sem qualquer ajuda, as línguas clássicas. Em pouquíssimo tempo, aprendeu-as para nunca mais esquecê-las: quarenta anos depois ainda compunha versos latinos.

                                 (Leiden)

Foi em Leiden que Lorentz travou seu primeiro contato com os trabalhos de Maxwell (furtando, aliás, algumas obras dele da biblioteca do laboratório de física da universidade).
Terminada a primeira etapa de seu curso universitário (correspondente ao atual curso de graduação), Lorentz retornou à cidade natal, Arnheim, onde conseguira emprego de professor num curso noturno Isso lhe deixava o período diurno para o trabalho de elaboração de sua tese de doutoramento.
Em 1875, Lorentz viu recompensados seus esforços: conseguiu a láurea e duas ótimas propostas. A Universidade de Utrecht ofereceu-lhe a cadeira de matemática e a de Leyden a de física teórica, pela qual optou.
Como gostava de ensinar, estendeu as lições de física teórica à física experimental, seguindo pessoalmente os exercícios práticos. Ministrou ainda durante muitos anos um curso de física para médicos, pelo qual foi homenageado com o título de doutor honoris causa em medicina, quando de seu qüinquagésimo aniversário de doutoramento. Em 1905, Lorentz recusou uma oferta da Universidade de Munique, apenas para não deixar a Holanda. O governo premiou esta decisão dispensando-o, em parte, de suas obrigações de professor, a fim de que pudesse dedicar-se principalmente a estudos e pesquisas. Dando, assim, uma única aula por semana, que era registrada para publicação, lecionou até poucas semanas antes de sua morte.
Aliás, a idade nunca foi obstáculo para Lorentz: em 1918, presidiu o comitê para drenagem do Zuiderzee (um profundo golfo holandês), constituído para estudar a construção de um novo dique no lugar do velho. A nomeação muito honrou Lorentz, que, no entanto, não a. considerou apenas decorativa. Lançou-se com vigor ao trabalho, a despeito de seus 65 anos. Estudando os ventos, as correntes e as marés, concluiu que a nova bacia poderia conter mais água do que se previra, mesmo construindo-se um dique de menor volume. Sem nem chegar a ver a obra concluída, poupou 15 milhões de florins ao governo holandês, cujo Serviço de Águas emprega até hoje seus métodos.
As obras de Maxwell, surrupiadas do laboratório, frutificaram nas mãos de Lorentz: assimilou-as tão bem que não só dominou a teoria dos fenômenos eletromagnéticos como fê-la progredir, ordenando-a. Maxwell estabelecera de forma generalizada suas leis do eletromagnetismo. Elas serviam, por exemplo, para predizer o movimento de um elétron sujeito a um campo magnético, para explicar a reflexão de uma onda eletromagnética ou para descrever a interação entre cargas elétricas e radiações eletromagnéticas.
Restava, portanto, todo o problema – enfrentado e em parte resolvido por Lorentz – de prever as leis da óptica física através das equações gerais do eletromagnetisino. Ele perguntou-se sobre o que acontece se a onda eletromagnética for um feixe luminoso que atravessa a matéria (um cristal, por exemplo); especulou sobre a ação dos elétrons sobre uma onda incidente. Como decorrência desses estudos, Lorentz elaborou a teoria dos osciladores eletrônicos. Pela observação de um elétron vibrante em presença de um campo magnético, ele conseguiu explicar e analisar teoricamente certos aspectos do efeito Zeeman – o fenômeno da decomposição de cada raia do espectro de emissão de um átomo em diversas outras (multiplets), quando esse átomo está imerso em um campo magnético muito intenso.
Em determinadas condições, entretanto, cada raia de emissão de um átomo pode dar origem simplesmente a um triplet (três linhas muito próximas). Lorentz conseguiu interpretar este fenômeno: por isso, o triplet correspondente é chamado triplet normal de Lorentz e, devido a esse trabalho, Lorentz dividiu com Zeeman o Prêmio Nobel de Física de 1902.
Os físicos teóricos são criticados por saberem explicar qualquer fenômeno, e se restringirem apenas a isso. Lorentz, porém, foi adiante: previu que a luz correspondente às linhas nas quais se desdobram as raias espectrais de um átomo no qual se provocou o efeito Zeeman deve ser polarizada.
Outros casos do efeito Zeeman, como o efeito Zeeman anômalo e o correlato efeito Paschen-Back, só ganharam explicação muito mais tarde, quando Uhlenbeck e Goudsmit, em 1925, introduziram a teoria do spin.
Ao estudar as radiações visíveis, Lorentz encontrou uma fórmula que foi descoberta quase ao mesmo tempo por um outro físico, o dinamarquês Ludwig Valentin Lorentz. Hendrik, longe de se aborrecer com isto, comentava reiteradamente ser um dos protagonistas de um acontecimento inusitado e que talvez jamais se repetisse: dois físicos com o mesmo nome descobrirem simultaneamente a mesma lei.

Salienta-se na obra do pesquisador a descoberta da chamada transformação de Lorentz, que serviu de base para a teoria da relatividade restrita. Tentando explicar os resultados negativos da experiência de Michelson e Morley (que procuravam estabelecer a existência de um sistema referencial universal), Lorentz introduziu a hipótese de que os comprimentos dos corpos sofrem uma contração ao longo da direção da velocidade com que se movem em relação ao observador – a contração de Lorentz. Posteriormente, foi levado a reconhecer que, para conservar verdadeiras as equações de Maxwell, a transformação de coordenadas de um sistema para outro devia obedecer certas equações; definiu então as transformações de Lorentz. Foi Einstein, no entanto, quem deu nova fundamentação teórica a todas essas idéias, mostrando ser necessária uma revisão até certo ponto radical dos conceitos de tempo e espaço.
Mais que seu olhar, vivo e penetrante, e sua estrutura média, eram características de Lorentz a sua grande afabilidade e cortesia, que transpareciam em seu sorriso benevolente.
Já célebre, realizou viagens pelo mundo, principalmente para participar de reuniões internacionais. Muitas vezes dirigia tais encontros, pois à sua estatura científica aliavam-se seus conhecimentos lingüísticos e habilidade diplomática. Em 1911, 1913, 1921, 1924 e 1927 dirigiu as reuniões de cúpula da sociedade científica Salvay. Tornou-se também presidente do Comitê da Sociedade das Nações. Após sua morte, ocorrida em Haarlem, a 4 de fevereiro de 1928, instituiu-se uma fundação que leva seu nome e que se dedica ao progresso da física. Contou com preciosos colaboradores (entre os quais a filha e o genro), mas sempre preferiu o trabalho realizado em silêncio e no isolamento.
Fonte:
http://br.geocities.com/saladefisica3/biografias/lorentz.htm

Experimento de Rutheford.

O EXPERIMENTO de RUTHEFORD feito novamente, diante de seus olhos. Um dos clássicos e folclóricos experimentos da história da química, que provou a existência de um núcleo massivo, compacto, positivamente carregado e muito pequeno, no interior do átomo.
Veja como o espalhamento de partículas alfa através da folha de ouro ajudou-nos a conhecer o átomo.
Com legendas em pt (use função CC do player).

A utilização do elemento Tecnécio-99m no diagnóstico de patologias e disfunções dos seres vivos

Elaine Bortoleti de Araújo

Originalmente publicado em Cadernos Temáticos Química Nova na Escola, n. 6, julho 2005

Apoio: Sociedade Brasileira de Química

Edição: Leila Cardoso Teruya

Coordenação: Guilherme Andrade Marson

Radiofármacos para diagnóstico e terapia

Um radiofármaco é uma substância que, por sua forma farmacêutica, quantidade e qualidade de radiação, pode ser utilizada no diagnóstico e tratamento de seres vivos, qualquer que seja a via de administração utilizada. De forma mais simples, podemos dizer que radiofármacos são moléculas ligadas a elementos radioativos (radioisótopos ou radionuclídeos), constituindo dessa forma fármacos radioativos que são utilizados em uma especialidade médica denominada Medicina Nuclear. Os radiofármacos são utilizados em quantidades traços (traçadores radioativos) com a finalidade de diagnosticar patologias e disfunções do organismo. Em menor extensão, são aplicados na terapia de doenças, particularmente no tratamento de tumores radiosensíveis.

Quando a finalidade é diagnosticar patologias, como por exemplo o infarto do miocárdio ou uma disfunção renal, utiliza-se, na composição dos radiofármacos, radionuclídeos emissores de radiação gama. A radiação gama é uma onda eletromagnética e, portanto, apresenta grande penetrabilidade nos tecidos e baixo poder de ionização quando comparada às radiações particuladas, representadas pela emissão, pelo núcleo dos átomos radioativos, de partículas alfa (α) ou de négatrons (β–). O menor poder de ionização da radiação gama minimiza a dose de radiação absorvida pelo paciente. Radionuclídeos emissores de radiação gama, tais como o tecnécio-99m, iodo-123, índio-111, galio-67 e o tálio- 201, entre outros, são utilizados na composição de radiofármacos para diagnóstico.

Quando a finalidade é terapêutica, o efeito deletério da radiação é utilizado para destruir células tumorais. Nesse caso, os radiofármacos são compostos por radionuclídeos emissores de radiação particulada, (α ou β–), que possuem pequeno poder de penetração mas são altamente energéticas, ionizando o meio que atravessam e causando uma série de efeitos que resultam na morte das células tumorais. Como exemplo de radionuclídeos emissores de radiação β–utilizados em terapia, podemos citar o iodo-131, ítrio-90, lutécio-177, rênio-188, estrôncio- 90 e o samário-153, entre outros.

A maioria dos procedimentos realizados atualmente em Medicina Nuclear tem finalidade diagnóstica. O paciente recebe uma dose de um radiofármaco composto por um radionuclídeo gama emissor, e é posteriormente examinado por um equipamento capaz de detectar a radiação oriunda do paciente e convertê-la em uma imagem que representa o órgão ou sistema avaliado. Esses equipa-mentos são denominados câmarasgama ou câmaras de cintilação, e nesse caso adquirem imagens cintilográficas em um único plano. Mas podem ainda estar associados a tomógrafos, que permitem a aquisição de imagens em cortes, possibilitando a avaliação de um órgão em toda a sua profundidade. As imagens tomográficas em Medicina Nuclear são denominadas SPECT, sigla do inglês “Single Photon Emission Computer Tomography” ou seja, Tomografia Computadorizada por Emissão de Fóton Único. Dessa forma, todo exame em Medicina Nuclear inicia-se com a administração do radiofármaco ou fármaco radioativo. Podemos dizer que o radiofármaco é uma das principais ferramentas de trabalho do médico nuclear.

Desenvolver e produzir radiofármacos significa estudar, entre outras coisas, a química da interação entre elementos radioativos e diferentes moléculas (substratos ou ligantes), para a preparação de compostos radioativos com afinidade e especificidade por diferentes órgãos, sistemas ou patologias. Os substratos para radiofármacos são geralmente compostos orgânicos, mas também podem constituir-se de espécies coloidais ou particuladas, proteínas (anticorpos ou peptídeos) ou mesmo células, como as células vermelhas e brancas do sangue.

A natureza do ligante geralmente determina a especificidade do radiofármaco. Outras vezes, a ligação do elemento radioativo ao substrato promove alterações nas propriedades químicas e, conseqüentemente, nas propriedades biológicas do composto. Dessa forma, após o estudo da ligação do elemento radioativo ao substrato, o desenvolvimento de um radiofármaco não pode prescindir dos estudos de distribuição biológica em animais de experimentação, de modo a determinar a eficácia da distribuição ou a especificidade biológica.

Atualmente, o radionuclídeo mais importante para a preparação de radiofármacos com finalidade diagnóstica é o tecnécio-99m (99mTc).

Ao propor a Tabela Periódica dos elementos em 1869, Mendeleev deixou vários lugares vazios para os elementos até então desconhecidos e previu que os espaços abaixo do manganês, correspondentes aos números atômicos 43 e 75, seriam eventualmente ocupados por elementos parecidos a este e, por isso, chamou-os de ekamanganês e dvimanganês (Murphy e Ferro Flores, 2003).

O elemento de número atômico 43, que ficava entre o manganês e o rênio, foi descoberto em 1937 por Carlo Perrie e Emilio Gino Segrè. Após a Segunda Guerra Mundial, o elemento foi batizado com o nome de tecnécio. Esse nome vem do adjetivo grego technetos ou artificial, e foi utilizado pelo fato de o tecnécio ter sido o primeiro elemento químico preparado artificialmente (Murphy e Ferro Flores, 2003).

O tecnécio (Tc) é um metal da segunda série de transição da Tabela Periódica, pertencente à família 7B, e está localizado entre o molibdênio e o rutênio e entre o manganês e o rênio (Murphy e Ferro Flores, 2003).

Figura 1: Esquema de decaimento do 99 Mo.

Figura 1: Esquema de decaimento do 99Mo.

Até o momento, todos os isótopos conhecidos do tecnécio são radioativos, desde o tecnécio-90 ao tecnécio-110, e incluem oito pares de isômeros nucleares, entre eles 99mTc-99Tc (Murphy e Ferro Flores, 2003). Isômeros nucleares são nuclídeos que se diferenciam apenas pelo seu conteúdo energético. O nuclídeo no estado mais energético (metaestável), libera energia eletromagnética (radiação gama) na transição para um estado isomérico de energia mais baixa.

O tecnécio-99m é um radionuclídeo que apresenta características físicas ideais para utilização em Medicina Nuclear Diagnóstica: é mono- emissor gama de baixa energia (140 keV), possui tempo de meia-vida físico relativamente curto (6,02 h, ou seja, a cada intervalo de 6,02 h a atividade de uma amostra de tecnécio- 99m decai pela metade), e não emite radiação do tipo particulada (α ou β–). Essas características físicas, em conjunto, possibilitam a aquisição de imagens cintilográficas com excelente resolução, utilizando-se os equipamentos de detecção de radiação atualmente disponíveis, sem comprometimento dosimétrico para o paciente. Assim, a grande maioria dos radiofármacos utilizados atualmente são preparados a partir desse radionuclídeo (Saha, 1998).

Figura 2: Gerador de 99 Mo- 99m Tc de coluna cromatográfica IPEN-TEC (Fonte: Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – IPEN).

Figura 2: Gerador de 99Mo-99mTc de coluna cromatográfica IPEN-TEC (Fonte: Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – IPEN).

O tecnécio-99m é produto do decaimento radioativo do molibdênio-99. Cerca de 87,5% dos átomos de 99Mo de uma amostra desintegramse por emissão de radiação β– e originam núcleos de 99mTc que, por sua vez, desintegram-se por emissão de radiação gama para originar o 99Tc, o qual se desintegra a 99Ru (estável) (Figura 1) (SAHA, 1998). Dessa forma, 99Mo é chamado de elemento “pai” e 99mTc de elemento “filho”. 99Mo e 99mTc formam um par radioativo em equilíbrio transiente, já que o tempo de meia-vida físico do pai é cerca de dez vezes maior que o do filho. Esse equilíbrio possibilita a fabricação do sistema gerador de radionuclídeo de 99Mo-99mTc.

Por meio do sistema gerador de 99Mo-99mTc, o elemento tecnécio-99m pode ser facilmente disponibilizado no hospital ou serviço de Medicina Nuclear. O gerador é um sistema fechado, composto por uma coluna cromatográfica de óxido de alumínio (Al2O3), na qual é depositada uma atividade conhecida de 99Mo. 99Mo desintegra-se na coluna e origina o 99mTc. Fazendo-se passar através da coluna uma solução salina estéril (solução NaCl 0,9%), coleta-se no líquido eluente somente o tecnécio- 99m na forma de pertecnetato de sódio (Na+TcO4-), enquanto que o 99Mo permanece adsorvido à coluna de alumina (Figura 2) (Saha, 1998).

Após um período de crescimento ideal (aproximadamente 24 h), o gerador pode ser novamente eluído com rendimento teórico máximo de tecnécio-99m. A vida útil de um gerador pode variar de uma semana a 15 dias, dependendo da carga inicial de 99Mo. A cada dia, uma atividade menor de tecnécio-99m é eluída, devido ao próprio decaimento do elemento pai.

Radiofármacos de tecnécio-99m

A própria solução de pertecnetato de sódio eluída do gerador constitui-se em um radiofármaco. Administrada intravenosamente, permite a aquisição de imagens das glândulas tireóide e salivar, sendo também utilizada em estudos de fluxo sanguíneo e pesquisas de sangramento oculto. Entretanto, a grande utilidade da solução de Na99mTcO4 está no seu uso na marcação de moléculas, resultando em diversos radiofármacos com especificidade por diferentes órgãos e sistemas do organismo.

Para que ocorra a ligação do elemento tecnécio às diversas moléculas, temos que considerar a química do elemento, que é muito complicada devido a seus múltiplos estados de oxidação. O tecnécio pode apresentar estados de oxidação que vão de 3, 1 e 1+ a 7+, sendo mais freqüentes os estados de oxidação 7+, representados pelos heptaóxidos e pelos permetalatos, e 4+, nos dióxidos, tetracloretos e halogenometalatos (Murphy e Ferro Flores, 2003).

Na forma de pertecnetato de sódio, o Tc apresenta estado de oxidação 7+, bastante estável em solução aquosa. Apesar dessa estabilidade, nesse estado de oxidação o tecnécio não pode se ligar às moléculas de forma a constituir radiofármacos de interesse. Torna-se necessária a redução do Tc(VII) para estados oxidação mais baixos, como 3+, 4+ ou 5+ (Murphy e Ferro Flores, 2003).

Com base nesses conhecimentos, uma série de reagentes para pronta marcação com tecnécio-99m foram desenvolvidos e encontram-se disponíveis comercialmente. Esses reagentes são constituídos pelo ligante ou molécula que se pretende ligar ao tecnécio-99m e por um agente redutor, sendo que o mais comumente empregado é o cloreto estanoso (SnCl2). Os íons Sn+2 promovem a redução do Tc+7 para estados de oxidação mais favoráveis à incorporação do metal, que poderá se ligar a uma ou mais moléculas do ligante, formando complexos com diferentes números de coordenação (Murphy e Ferro Flores, 2003).

TcO4 + Sn+2 + 8H+ + 1e→ Tc+4 + Sn+4 + 4H2O

Contudo, o grau de redução dependerá de vários fatores: (1) a relação estequiométrica Sn/Tc; (2) as condições em que se realiza a reação; (3) a presença de um ligante; (4) a natureza química do ligante e (5) oxigênio presente em solução. As moléculas dos ligantes, por sua vez, devem apresentar átomos doadores de elétrons, a exemplo do que ocorre com as oxotioaminas, que se unem ao metal por meio de ligações com átomos de oxigênio, enxofre e nitrogênio.

Vários reagentes para pronta marcação com tecnécio encontram-se disponíveis e são comercializados na forma liofilizada (isentos de água), e sob vácuo ou atmosfera de gás inerte, para conservar as propriedades do agente redutor. Dessa forma, os serviços de Medicina Nuclear podem adquirir os reagentes liofilizados para pronta marcação com tecnécio-99m, bem como o gerador de 99Mo-99mTc, e realizar a marcação de moléculas momentos antes da realização dos exames.

Várias moléculas são excelentes ligantes para o tecnécio-99m com aplicação em Medicina Nuclear diagnóstica. Uma classe importante de ligantes é representada por compostos fosforados como o pirofosfato (H4P2O7), um dímero anidro do ortofosfato; o etano-1-hidroxi-1,1-bifosfonato (HEDP ou EHDP) e o metilenodifosfonato (MDP) (Figura 3) (Murphy e Ferro Flores, 2003; Saha,1998; Welch e Redvanty, 2003).

Figura 3: Estrutura de compostos fosforados para marcação com 99m Tc: pirofosfato (H 4 P 2 O 7 ); metileno-difosfonato (MDP); etano-1-hidroxi-1,1-bifosfonato (EHDP).

Figura 3: Estrutura de compostos fosforados para marcação com 99mTc: pirofosfato (H4P2O7); metileno-difosfonato (MDP); etano-1-hidroxi-1,1-bifosfonato (EHDP).

Não se conhece ao certo a estrutura química dos fosfocomplexos formados pelo tecnécio. O MDP-99mTc parece ser um polímero em que cada átomo de tecnécio se une a dois ligantes e cada MDP coordenado se liga a dois tecnécios e, portanto, o Tc fica rodeado por seis átomos de oxigênio e o mais provável é que o oligômero tenha 4-6 centros de tecnécio (IV) (Figura 4) (Murphy e Ferro Flores, 2003).

Figura 4: Estrutura provável do complexo metileno-difosfonato morfológicas. (MDP)- 99m Tc.

Figura 4: Estrutura provável do complexo metileno-difosfonato morfológicas. (MDP)-99mTc.

O radiofármaco MDP-99mTc deposita-se no osso sadio, com preferência por áreas de crescimento ósseo. Processos inflamatórios e tumores ósseos concentram o radiofármaco em maior quantidade e podem ser facilmente diagnosticados por meio das imagens ósseas cintilográficas de corpo inteiro. O radiofármaco MDP-99mTc é um dos mais utilizados em Medicina Nuclear, particularmente na pesquisa de metástases ósseas em pacientes com câncer.

O ácido dietilenotriamino pentacético (DTPA), o ácido dimercaptosuccínico (DMSA) e o ácido glucoheptônico ou glucoheptonato de sódio (GH) são agentes quelantes que possuem grupos coordenantes tais como amino, tiol, hidroxi ou carboxilato (Figura 5) (Saha,1998; Welch e Redvanty, 2003).

Figura 5: Agentes quelantes para marcação com 99m Tc: ácido dietilenotriamino pentacético (DTPA); ácido glucoheptônico ou glucoheptonato de sódio (GH); ácido dimercaptosuccínico (DMSA).

Figura 5: Agentes quelantes para marcação com 99mTc: ácido dietilenotriamino pentacético (DTPA); ácido glucoheptônico ou glucoheptonato de sódio (GH); ácido dimercaptosuccínico (DMSA).

No caso do DMSA, os grupamentos tiol de duas moléculas coordenam-se a um átomo de Tc (um complexo bis). Em contraste, no GH, dois grupos hidroxila de cada molécula são responsáveis pela complexação (Figura 6) (Murphy e Ferro Flores, 2003).

Figura 6: Complexo de glucoheptonato de sódio (GH)- 99m Tc.

Figura 6: Complexo de glucoheptonato de sódio (GH)-99mTc.

O DTPA interage com o 99mTc reduzido para formar complexos com carga negativa em meio neutro ou levemente ácido. O estado de oxidação do 99mTc no complexo não é conhecido, mas tem sido relatado como III, IV e V ou uma combinação destes.

Os três radiofármacos são utilizados em estudos renais. O DTPA-99mTc é utilizado para avaliar a função de filtração glomerular dos rins. DMSA-99mTc e GH-99mTc concentram-se no córtex renal e são utilizados em avaliações anatômicas e morfológicas.

O tecnécio-99m também forma quelatos com compostos aminotiólicos ou tetraamínicos, resultando em complexos lipofílicos que apresentam a propriedade de atravessar a barreira hemato-encefálica, distribuindo-se no tecido cerebral. É o caso do complexo formado com a etilenodicisteína dietil éster (ECD) e com um derivado propileno amino oxima, denominado HMPAO (Figura 7) (Saha,1998; Welch e Redvanty, 2003).

Figura 7: Complexos lipofílicos de etilenodicisteína dietil éster (ECD)- 99m Tc (direita) e de um derivado propileno amino oxima, HMPAO- 99m Tc (esquerda).

Figura 7: Complexos lipofílicos de etilenodicisteína dietil éster (ECD)- 99mTc (direita) e de um derivado propileno amino oxima, HMPAO-99mTc (esquerda).

Esses complexos possibilitam a realização de estudos de perfusão sanguínea cerebral, contribuindo para o diagnóstico de morte cerebral, bem como na investigação de inúmeras patologias relacionadas ao sistema nervoso central, tais como o mal de Parkinson e a doença de Alzheimer.

Um complexo catiônico hexacoordenado de carga final +1 é formado quando seis moléculas da isonitrila 2-metoxi-2-isobutil isonitrila (MIBI) ligam-se a um átomo de Tc. O radiofármaco assim constituído denominase hexamibi-99mTc (Figura 8) e é utilizado em estudos de perfusão do miocárdio para detecção de anormalidades como o infarto do miocárdio (Saha,1998; Welch e Redvanty, 2003).

Figura 8: Complexo de isonitrila 2-metoxi-2-isobutil isonitrila (MIBI) contendo seis (hexa) ligantes HEXAMIBI- 99m Tc.

Figura 8: Complexo de isonitrila 2-metoxi-2-isobutil isonitrila (MIBI) contendo seis (hexa) ligantes HEXAMIBI-99mTc.

O tecnécio-99m pode também se ligar a espécies coloidais ou particuladas. Colóides pré-formados de sulfeto de antimônio (Sb2S3) ou nanocoloides obtidos a partir de soro albumina humana (SAH) podem ser posteriormente marcados com 99mTc.

Colóides de enxofre ou de estanho são formados durante a redução do 99mTcO4 em presença de tiossulfato ou cloreto de estanho. As preparações coloidais radiomarcadas são utilizadas para obtenção de imagens do fígado, baço e medula (Murphy e Ferro Flores, 2003).

Partículas maiores, formadas a partir de SAH, podem constituir macroagregados (MAA) de tamanho de 10 a 90 μm que, marcados com 99mTc, são utilizados para mapeamento pulmonar.

Na busca por radiofármacos cada vez mais específicos, com especial interesse para o diagnóstico de diferentes tipos de tumores, vários radiofármacos de tecnécio vêm sendo propostos, constituídos de ligantes protéicos. Tais proteínas são representadas por anticorpos monoclonais e peptídeos que reconhecem algum antígeno de superfície ou receptor presente na célula tumoral. Marcadas com tecnécio-99m e administradas ao paciente, essas moléculas reconhecem e se ligam às células tumorais, possibilitando o diagnóstico precoce do câncer bem como o acompanhamento de recidivas póstratamento. Tais radiofármacos são chamados de receptor-específicos (Murphy e Ferro Flores, 2003; Comet e Vidal, 1998).

Muitos ligantes foram estudados para marcação com 99mTc e apresentam utilidade real em Medicina Nuclear Diagnóstica. Uma vantagem inerente dessa técnica diagnóstica é a de ser um procedimento não invasivo que possibilita uma avaliação anatômica ou morfológica dos órgãos e, principalmente, uma avaliação funcional dos mesmos.

A busca pela especificidade no diagnóstico movimenta pesquisas no mundo todo para o desenvolvimento de novos radiofármacos, com grande interesse por radiofármacos de tecnécio-99m, em razão das propriedades físicas ideais deste radionuclídeo, além da disponibilidade do uso através dos sistemas geradores e custo relativamente baixo. Nesse sentido, o conhecimento da química de coordenação do tecnécio é imprescindível para o desenvolvimento de tais radiofármacos, contribuindo para um dos aspectos do conhecimento multidisciplinar envolvido nesta ciência denominada Radiofarmácia.

  • Referências

    1. COMET, M. e VIDAL, M. Radiopharmaceutiques – chimie des radiotraceurs et applications biologiques. Grenoble: Presses Universitaries de Grenoble, 1998.

    2. MURPHY, C.A. e FERRO-FLORES, G. Compuestos de tecnecio. 1a ed. México: Instituto Nacional de Ciencias Médicas y Nutrición Salvador Zubirán, 2003.

    3. SAHA, G.B. Fundamentals of nuclear pharmacy. 4a ed. EUA: Springer, 1998. WELCH, M.J. e REDVANTY, C.S. Hand-book of radiopharmaceuticals – Radio-chemistry and Applications. Inglaterra: John Wiley & Sons Ltda, 2003.

O que acontece dentro do acelerador de partículas brasileiro?

Por – Leo Martins 22 mai, 2012 – 03:42

A 118 quilômetros de São Paulo existe, em Campinas, o único acelerador de partículas da América Latina. Desde já, saiba que é maldade compará-lo ao todo poderoso LHC, mas o LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron) e seu acelerador UVX fazem algumas coisas bem animais. E nós fomos visitá-los para entender o que acontece quando alguém aperta o play e as partículas começam a rodar loucamente em uma gigantesca estrutura circular.

O LNLS faz parte de um pólo de pesquisas chamado CNPEM (Centro Nacional de Pesquisas em Energias e Materiais), localizado em um local afastado da cidade de Campinas. O local, sem fins lucrativos, foi criado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia e abriga quatro grandes centros de pesquisa: o LNBio, de biociências; o CTBE, de bioetanol; o LNNano, focado em nanotecnologia; e o já citado LNLS, que conta com um síncrotron. Passeando pelas instalações, é fácil lembrar de vários cenários do jogo GoldenEye 007, aquele clássico que você jogou até desmaiar com seus primos (Facility, saudades).

Mas calma lá. O que diabos é um síncrotron?*

O sícrotron é essa estrutura que você vê na foto inicial. Aquilo é um acelerador de partículas, com 30 metros de diâmetro. Porém, tudo começa mais embaixo: enterrado no chão do sícrotron há um acelerador linear, que dispara os pacotes de elétron no anel central. Lá, os elétrons ficam correndo loucamente até atingirem algo próximo à velocidade da luz. E aí a corrida de verdade acontece.

Ao atingir a velocidade ideal, o elétron entra no anel síncrotron. Mas diferente daquele autorama simples que eu tinha quando era pequeno, os elétrons não correm com tanta facilidade na pista. O motivo? Eles não sabem fazer curva (tudo bem, eu também não sabia). E se um elétron encosta em qualquer uma das paredes do anel, ele perde força, o experimento é abortado e é bem caro começar tudo de novo.

A solução para curvas é também o que faz com que o LNLS seja tão importante: ao adicionar eletroímãs nos pontos de curva, o anel não só deixa o elétron girando como uma massa teleguiada. Ele também recolhe o material essencial das pesquisas, a radiação síncrotron.

O anel do LNLS tem objetivo bem diferente do LHC. O segundo trabalha com os extremos da física nuclear. Mexendo com partículas subatômicas e atingindo forças de mais de 130 GeV (a energia de um elétron acelerado por uma tensão de 130 bilhões de Volts), o LHC quer explorar um universo que ainda é um mistério para nós, como a matéria negra, o Bóson de Higgs e outras maluquices — e se essa parte lhe interessa, recomendamos a leitura sobre o que aconteceu no Phenomenology 2012 Symposium.

A proposta do LNLS é outra. Diversas fabricantes de todo o tipo de material imaginado precisam de novos estudos em busca de melhores materiais — mais baratos, menos poluentes, mais maleáveis etc. E ter uma estrutura sem fins lucrativos que conta com uma máquina de US$250 milhões pronta para pesquisar tais materiais é ótimo.

Calma, é só uma das linhas de luz que recebe o espectro

E é assim que chegamos à radiação síncrotron. Toda vez que o elétron é desviado por um eletroímã, ele deixa um vestígio. Tal espectro é encaminhado para sua linha de luz correspondente. Imagine como um arco-íris: cada feixe de radiação corresponde a um tipo de pesquisa de material. A partir daí, análises são feitas em aplicações como, por exemplo, proteínas e cristais. Enquanto um arco-íris tem um espectro de cores, o síncrotron é capaz de selecionar a “cor” e até mesmo a polarização da radiação criada.

Porém, o anel brasileiro está atrasado. É, juro. Nosso anel de sícrotron é de segunda geração. Isso significa que nossos elétrons conseguem gerar uma energia de apenas 1.37 GeV. Em países como França e Inglaterra, o anel de síncrotron de terceira geração atinge até 3 GeV. Na prática, isso significa que o espectro gerado pelos franceses e ingleses é muito mais preciso e detalhado do que o emitido aqui. Harry Westfahl, vice-diretor científico do LNLS, diz que a diferença das imagens chega a seis graus de diferença: enquanto conseguimos enxergar os espectros gerados na casa dos milímetros, um síncrotron de terceira geração é tão detalhista que chega na casa dos nanômetros.

Então, qual a solução? Sirius. O nome da solução é Sirius.

O projeto Sirius

O projeto Sirius é o próximo passo do Brasil no estudo de elétrons, partículas e materiais com um acelerador de partículas. E é a grande empolgação de quem trabalha no LNLS: um síncrotron de terceira geração, cinco vezes maior do que o anel atual.

Para se ter uma ideia, o acelerador atual caberia no meio do anel da foto acima, a concepção artística do Sirius. A expectativa é a de que o local tenha 31 mil metros quadrados e conte com 40 linhas de luz para captação dos espectros, que poderão ser analisados com mais precisão. Segundo o LNLS:

“Apesar da alta confiabilidade, a atual fonte Síncrotron, de 2ª geração, possui limitações que inviabilizam sua utilização em um grande número de aplicações relevantes para futuros projetos de ciência e tecnologia. Sirius, de 3ª geração e raios X altamente energéticos, terá parâmetros semelhantes ou superiores às modernas instalações do mundo, abrindo novas oportunidades para a pesquisa brasileira.”

Na prática, o Sirius aumentaria o número de empresas interessadas no uso do país como campo de pesquisas — gigantes como a General Electric e a IBM usam a luz de síncrotron para pesquisas de materiais. A capacidade de pesquisas por ano também saltaria de 1.600 para 2.700 — hoje, empresas ficam na fila para poder usar o UVX. Ou seja: o Sirius quer “internacionalizar” o Brasil no assunto, colocá-lo no mapa quando o assunto for acelerar partículas.

No entanto, o Projeto Sirius, por enquanto, ainda está no papel e a previsão para o término de sua construação é apenas em 2016. E ele já vem sendo divulgado e prometido pelo menos desde 2010. Mas O CNPEM e o LNLS têm motivos para se empolgar: a instalação é um dos carros-chefe do Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação.

Conversando com funcionários do LNLS, a sensação é de que a troca de Aloísio “Fábrica-de-iPads” Mercadante por Marco Antonio Raupp é mais um motivo para empolgação com o projeto: Raupp é físico e já deixou claro que quer estimular o investimento em ciência, principalmente em iniciativas que envolvam parcerias com empresas. Em janeiro, questionado pela Folha sobre projetos como Sirius, Raupp disse que tais projetos são importantes para a ciência brasileira, e que “é preciso viabilizá-los, mesmo que seja preciso distribuir o orçamento em vários anos”.

O Projeto Sirius foi orçado em US$207 milhões, pouco mais de R$400 milhões. A promessa do Ministério é a de que neste ano sejam liberados pelo menos R$35 milhões para o início das obras, que ocupará um grande espaço no CPNEM. O pólo argumenta que o valor é ínfimo: equivale a 0,01% do PIB em 2010, e 1,7% dos gastos federais em ciência e tecnologia no mesmo ano.

Teremos que esperar bons anos para ver o Sirius em ação. E, não, ele não encontrará o Bóson de Higgs. Mas, com sorte, ele ajudará o Brasil a se firmar em um cenário onde ainda estamos devendo um bocado. E em 2016 nós voltamos lá para ver se a promessa se concretizou.


*Se etimologicamente a palavra síncrotron também lhe deixa curioso, nosso amigo físico Pedro Augusto explica detalhadamente de onde veio o nome desse monstrinho:

“A diferença entre o síncrotron e seu irmão mais velho, o cíclotron, é que o segundo acelerava prótons (bem mais pesados que os elétrons) entre duas cavidades semicirculares em que a direção de um campo elétrico é alternada constantemente, fazendo com que os prótons ganhem velocidade a cada passagem por uma dessas cavidades, enquanto um campo magnetico é responsável por mantê-los em uma órbita circular estável.

O problema é que quando uma partícula alcança velocidades próximas à da luz, os efeitos relativísticos começam a aparecer, e a partícula fica mais ‘pesada’, portanto mais difícil de ser acelerada a cada um ciclo desses. Isso, somado à perda de energia do elétron em forma de radiação eletromagnética em razão de estar sendo acelerado em uma órbita, causa uma dessincronia entre a frequência desses elétrons no acelerador e o próprio acelerador. É como se quanto mais rápida ela ficasse, mais lenta ela ficasse. A solução pra isso é sincronizar os cíclos com esses efeitos relativísticos dando a cada ciclo um pouco mais de energia para a particula. o resultado final é que a particula dá uma volta completa no acelerador sempre com a mesma duração de tempo, e assim todos ficam feliz. Daí o nome: SÍN-CRO-TRON!”

Mecanismos de reação.

SN2: Substituição nucleofílica bimolecular

De uma forma geral, quando um nucleófilo encontra um haleto de alquila ele pode fazer duas coisas: atacar o carbono diretamente e deslocar o íon haleto, ou atuar como uma base, induzindo a de-hidro-halogenação do haleto de alquila e produzir um alceno. O último caso, refere-se à eliminação bimolecular (E2). O primeiro, à substituição nucleofílica bimolecular – SN2.

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Mas a pergunta é: por quê cargas d’água iria um nucleófilo atacar um carbono?! A resposta está no simples fato de que cargas opostas se atraem. Um nucleófilo é uma espécie química que é atraída por cargas positivas – algumas vezes, chega a possuir, de fato, carga negativa. Como o grupo de saída ligado ao carbono que irá sofrer o ataque do nucleófilo invariavelmente saca elétrons do carbono, deixa-o com uma carga parcialmente positiva – um forte candidato para a substituição nucleofílica.

Mec.ANIMAÇÃO:// SN2

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Veja uma simulação da reação SN2: click na figura acima!

O ataque do nucleófilo sempre é ao longo do eixo de ligação C-X – o caminho de menos energia para a reação. Uma das principais características da SN2 é que o processo provoca uma inversão da configuração do átomo de carbono ligado ao grupo de saída (inversão de Walden). Se o reagente de partida for um composto quiral e na forma pura, o produto também será quiral, mas com a configuração oposta. Por exemplo: a reação entre o íon acetato e o (S)-2-bromo-1-fenilpropano produz o composto (R)-2-acetato-1-fenil-propano.
A inversão da estereoquímica em átomos de carbonos assimétricos durante uma reação SN2 é um forte indício de que a reação passa por um
mecanismo concertado
, envolvendo a formação de um estado de transição onde o átomo de carbono faz “5 ligações”! Na verdade, existe a formação de duas ligações parciais (Nu-C e C-X).
Outro detalhe importante nesta reação é que
não se observa a formação de um intermediário iônico. Como consequência, nos casos onde, via SN1, o haleto de alquila formasse um carbocátion primário – altamente instável – as reações parecem optar pelo mecanismo SN2. Em solventes menos polares, também, onde o carbocátion do SN1 é pouco estável, a reação ocorre preferencialmente via SN2.

Efeitos que influenciam o mecanimos SN2

Solventes

Nucleófilo

Grupo de saída

Os solventes próticos, com grupos N-H ou O-H, não são favoráveis ao mecanismo SN2, pois estabilizam o nucleófilo. Para satisfazer este mecanismo, o ideal é o uso de solventes polares apróticos, que, embora não establizem tanto o nucleófilo, podem estabilizar o grupo de saída, deslocando o equilíbrio para a direita.

Nucleofilicidade não é sinônimo de basicidade: é a velocidade de ataque de um nucleófilo sobre um carbono eletrófilo. Por exemplo: o t-butóxido é uma base forte mas um péssimo nucleófilo, devido a impedimentos estéricos ao ataque. Para favorecer o mecanimo SN2, o nucleófilo deve ser forte ou moderado.
Nucleófilos bons:
MetO
-, HO-, I-, CN-
Nucleófilos ruins:
MetOH, H
2O, F-, HCN

O grupo de saída é extremamente importante neste mecanismo. Um bom grupo de saída deve possuir um ânion estável após deixar o carbono. Os haletos são excelentes grupos de saída, por que eles atendem aos principais requisitos:
1. capacidade de sacar elétrons do carbono
2. não ser uma base forte ao deixar o C
3. ser polarizável (para estabilizar o estado de transição)
Os haletos atendem a estes critérios, mas um dos melhores grupos de saída é o tosilato (um tioéster) que, devido à ressonância do anel, possui um ânion muito estável.

 

SN1: Substituição nucleofílica unimolecular

Os produtos de uma reação SN1 são similares aos da reação SN2, mas o mecanismo é completamente diferente. Nesta reação, não ocorre inversão do configuração do carbono eletrófilo, e pode acontecer rearranjos do carbocátion: neste mecanismo, há a formação de um intermediário iônico.

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Embora a velocidade da reação dependa da concentração do substrato, a alteração da concentração do nucleófilo não tem qualquer efeito na velocidade da reação. Isto significa que a etapa limitante não envolve a participação do nucleófilo. Neste mecanimo, a velocidade segue a seguinte lei: v=k.[substrato].

Mec.ANIMAÇÃO:// SN1

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Veja uma simulação da reação SN1: click na figura acima!

Como o nucleófilo não participa da etapa limitante da velocidade, a nucleofilicidade do nucleófilo não tem efeito sobre a reação: isto significa que nucleófilos pobres, como água e álcools, podem reagir via SN1.

Esta reação envolve a formação de um carbocátion na etapa determinante da velocidade. Neste caso, podem ocorrer
rearranjos na estrutura do carbocátion – como a migração de um grupo metila ou de um próton ligados aos carbonos adjacentes – no sentido da formação do carbocátion mais estável. Por isso, a estrutura do produto nem sempre se assemelha a do substrato de partida.

E1: Eliminação de primeira ordem

A reação de eliminação que ocorre pelo mecanismo E1 passa por uma etapa inicial com a formação de um carbocátion. Esta é a etapa lenta, que envolve o desprendimento do grupo de saída. A etapa seguinte é o ataque do nucleófilo – mas não sobre o carbono e sim sobre um átomo de hidrogênio (próton) ligado ao carbono adjacente. O resultado é a produção de dois carbonos sp2, ou seja, a formação de uma ligação dupla.

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A velocidade da reação depende somente da etapa lenta – não é influenciada pela concentração do nucleófilo. A lei da velocidade, então, é v=k.[substrato].

Mec.ANIMAÇÃO:// E1

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Veja uma simulação da reação E1: click na figura acima!

O solvente ideal para uma reação acontecer via SN1 é um que estabilize o ânion liberado e também o carbocátion formado. O substrato deve ser um carbono altamente substituido: carbonos primários e haletos de metila não reagem via E1. O substrato deve ter um bom grupo de saída, como haletos ou tosilato. A natureza do base não é muito importante, pois esta não participa da etapa lenta. Como a reação ocorre via formação de um carbocátion,

podem ocorrer rearranjos, assim como no caso das reações SN1, no sentido da formação do carbocátion mais estável.

E2: Eliminação de segunda ordem

O termo E2 significa “Eliminação Bimolecular”, ou “Eliminação de segunda ordem”. . Como em qualquer reação de eliminação, o produto tem um grau a mais de insaturação que o substrato de partida. A de-hidro-halogenação de um haleto de alquila, por exemplo, produz um alceno. Em contraste às reações E1, as reações E2 são promovidas por uma base forte: a base é vital para a reação, e está diretamente envolvida na etapa determinante da velocidade. Como a reação é bimolecular, envolve uma cinética de segunda ordem, isto é, duas moléculas precisam colidir para que a reação ocorra. A lei da velocidade para uma reação via E2 é v=k.[substrato].[base]. Como mostra o mecanismo, os átomos H e X precisam estar em carbonos adjacentes, e o ataque da base sempre é antiperiplanar.

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Mec.ANIMAÇÃO:// E2

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Veja uma simulação da reação E2: click na figura acima!

A polaridade do solvente não é muito importante. Tal como na reação E1, o substrato deve ser altamente substituído. Como E2 não passa pela formação de intermediário iônico (carbocátion), não ocorrem rearranjos na estrutura do substrato. Este deve possuir um bom grupo de saída.

Esta reação provoca o surgimento de uma estereoquímica preferencial: se os grupos R ligados ao carbono que possui o grupo X forem diferentes, assim como os grupos R ligados ao carbono que irá perder o hidrogênio, existe apenas uma orientação possível na qual o hidrogênio e o grupo X estão em posição antiperiplanar. Isto pode levar à formação de apenas isômeros R ou S do alceno.

Resumindo…

Em Química Orgânica avançada aprendemos que, de fato, nenhuma reação química ocorre via somente um dos mecanismos vistos acima. No caso de uma substituição, por exemplo, existe sempre uma competição entre SN1 e SN2. Mas, no curso de graduação, aprendemos os mecanismos separadamente – assim teremos já esta “bagagem” quando chegarmos à pós-graduação. De qualquer forma, a tabela abaixo resume as afinidades mecanísticas correlacionadas com a substituição do carbono eletrofílico.

Substrato

Tipo preferencial de reação

SN1

SN2

E1

E2

RCH2X

SN2

não ocorre

altamente favorecida

não ocorre

ocorre com bases fortes

R2CHX

SN2 com nucleófilos não básicos
E2 com bases fortes

pode ocorrer com haletos benzílicos ou alílicos

ocorre em competição com reação E2

pode ocorrer com haletos benzílicos ou alílicos

favorecida quando bases fortes são usadas

R3CX

E2
(SN1 e E1 em solventes não básicos)

favorecida em solventes hidroxílicos

não ocorre

ocorre em competição com reação SN1

favorecida quando bases são usadas

 

Por que a matemática é importante na Física?

 

Essa sempre foi uma questão muito importante para mim. Nunca me conformei com o jeito como a Física é ensinada nem com o conteúdo das apostilas nas escolas públicas, no ensino médio. Não podemos tirar a matemática da Física e, sim, ensiná-la como uma nova linguagem, desde o ensino fundamental, como ensinamos a gramática. Nesse texto do site http://www.quantumdiaries.org/, onde Byron Jennings, um físico nuclear, faz um artigo sobre a importância da matemática e os argumentos racionais da ciência, ele fala exatamente sobre a importância da matemática na Física.

E eu achei muito legal! Vale a pena ler. Por isso traduzi e resumi, mas se quiserem ler na íntegra, entrem no site e leiam esse e outros artigos interessantíssimos do mundo da Física Quântica:

“O papel da matemática e os argumentos racionais da ciência”

Os cientistas usam a matemática para saber como funciona o Universo e, com isso, fazer previsões precisas e, assim, através dela, poderem ser testadas experimentalmente. Mas não é só isso.

Nem toda ciência tem a matemática envolvida e vice-versa. A astrologia, por exemplo, utiliza uma matemática precisa para calcular as previsões planetárias, mas isso não faz dela ciência. Charles Darwin e Carl Linnaeus em suas obras sobre a Classificação dos seres vivos e a Evolução são exemplos de ciência que foram feitas sem muita matemática (nem por isso deixaram de ser ciência).

(A escola de Athenas – no centro Platão e Aristóteles. Fonte:http://polegaropositor.com.br/filosofiadaciencia/dicotomias-sem-nexo/)

Os antigos filósofos gregos Platão e Aristóteles consideravam, também, o uso da matemática para descrever as suas observações.

Galileu foi criticado por usar a matemática para descrever o movimento. No entanto, desde então, o uso da matemática foi utilizado para descrever fenômenos físicos.

O fundamento matemático é um novo conjunto de ideias. Para o nosso propósito, partindo do ponto de vista científico, tudo o que precisamos saber é que nos ajuda a fazer previsões mais precisas. Nós usamos porque funciona. E isso é tudo.

A matemática está tão entrelaçada como parte da Física que se tornou, de fato, uma linguagem. Isso é o que torna a Física verdadeira, a matemática é parte integral do pensamento científico. Quando os físicos discutem, equações fluem. A matemática continua sendo uma ferramenta totalmente integrada no processo da ciência.

Pessoas que não têm uma formação sólida em matemática são, de certa forma, alienadas da ciência. Podem até traduzir a linguagem matemática para a linguagem comum, mas, algo sempre se perde nessa tradução, em se tratando da mecânica quântica – ou ainda, no caso das partículas, na Física Moderna, a coisa é pior – daí surgem absurdos como o nome “partícula de deus”.

Não há “partícula de deus” na matemática, apenas equações elegantes e, realmente, considerando a sua importância, são equações bastante simples. Levantando a seguinte questão: como você realmente entende a Mecânica Quântica? A resposta é clara: estudando a matemática, pois aí é o verdadeiro ponto de entendimento. Não como alguns argumentos metafísicos sobre o mundo.

A lógica pode ou não dar origem à matemática, mas para a física, o que exigimos dela é que seja útil na medida em que nos ajuda a melhorar nossas previsões. Os argumentos racionais disfarçados de lógica muitas vezes se tornam sedutores, mas ilusórios. Ao contrário da matemática, os argumentos não são 100% confiáveis e esse é o maior problema da filosofia.

Filósofos usam argumentos, supostamente racionais e chegam a conclusões diferentes: Platão, Descartes, Hume e Kant tiravam conclusões muito diferentes. Cientistas obrigam-se a se guiar pela observação: isso é que faz com que a ciência seja correta e eficaz.

Na ciência, começamos com uma ideia e desenvolvemos com argumentos racionais e matemáticos. Verificamos com outros colegas para nos convencer se o argumento está 100% correto, em seguida, a experiência é realizada. A filosofia é como a ciência, mas sem a experiência. Talvez a verdadeira definição de um argumento racional seja a experiência e as observações, pois é aquela que produz resultados. Matemática, lógica e os argumentos racionais são apenas um meio para um fim. As produções de modelos nos permitem fazer previsões precisas. E, no final, é só o sucesso das previsões que contam.

Nascimento de elétrons revela surpresas

Redação do Site Inovação Tecnológica – 19/05/2012

Nascimento de elétrons revela surpresas

Pela ionização do átomo (azul) em um campo de laser (vermelho) são produzidos elétrons (verdes), que podem nascer individualmente ou em pares, em uma escala de duração que só muito abstratamente pode ser chamada de “tempo”. [Imagem: TU Wien]

Nascimento de um elétron

Quando se afirma que um pulso de luz arranca um elétron de um átomo, é fácil imaginar algo como um jogo de bolas de bilhar envolvendo fótons e elétrons.

Nada mais distante da realidade, demonstraram agora pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria.

Mas talvez não precisasse ser tão distante assim da realidade com a qual estamos tão acostumados.

Para começar, esta é a primeira vez que os cientistas conseguem assistir ao “nascimento” de um elétron, um processo que era rápido demais para as tecnologias disponíveis até então.

Mas o que mais impressionou é que não é possível definir o momento exato do nascimento do elétron – simplesmente porque ele não nasce em um momento apenas.

Nascimento multitemporal

Quando a intensa luz do laser atinge o átomo, um elétron individual deixa o átomo em diferentes pontos no tempo.

São diferentes processos que se combinam, de forma muito parecida com as ondas na superfície da água, até formar um complexo padrão de ondas que, no final, e apenas no final, corresponderá ao elétron que “nasceu” – mas isso só pode ser definido com precisão em um momento quando o elétron já está fora do átomo.

“O elétron não é removido do átomo em um ponto no tempo durante a interação com o pulso de laser. Há uma superposição de vários processos, como frequentemente acontece na mecânica quântica,” confirma o professor Markus Kitzler.

O processo inteiro leva 10 attossegundos – 1 attossegundo está para 1 segundo assim como 1 segundo está para a idade do Universo.

O experimento dá informações valiosas sobre os elétrons no átomo, algo que não estava acessível até hoje, sobretudo na evolução da fase quântica do elétron, a batida que dá o ritmo para a oscilação das ondas quânticas.

Em termos mais práticos, é esse nascimento multitemporal que define todos os processos de ionização.

E é difícil imaginar qualquer processo natural ou qualquer tecnologia na qual a ionização não esteja envolvida – você certamente já ouviu falar da camada de ozônio, das baterias de íons de lítio e da energia nuclear, certo?

Nascimento de elétrons revela surpresas

Visualização computadorizada da dupla ionização não-sequencial, gerada a partir dos dados experimentais. No centro está a soma de todas as medições individuais, vistas ao redor, mostrando como as velocidades dos dois elétrons mudam com a evolução do campo elétrico do pulso ionizante. [Imagem: Christian Hackenberger, Max-Planck-Institute for Quantum Optics]

Dupla ionização

E a ionização ocorre mais cedo do que os cientistas pensavam.

Isso foi demonstrado em outro experimento intimamente relacionado, também naquilo que os cientistas estão chamando de “nascimento de um elétron”, mas este realizado na Universidade do Estado do Kansas, nos Estados Unidos.

Usando as mesmas interações entre luz e matéria, também em um quadro temporal de attossegundos, os cientistas conseguiram arrancar não um, mas dois elétrons ao mesmo tempo.

Ou seja, eles assistiram ao nascimento de elétrons gêmeos.

O processo é raro – só nasce um par de elétrons gêmeos a cada 1.000 elétrons nascidos vivos.

Essa maternidade quântica também revela suas surpresas, porque os elétrons podem nascer em sequência, como seria de se esperar, mas também podem nascer simultaneamente.

Boris Bergues e seus colegas estavam interessados justamente nos elétrons gêmeos, frutos da chamada dupla ionização não sequencial.

Nesse nascimento de gêmeos univitelinos simultâneos – eles nascem do mesmo átomo, ao mesmo tempo – o laser começa a remover um elétron, que ganha energia suficiente para arrancar um segundo elétron.

Contudo, confirmando que as coisas no mundo quântico podem não se suceder em uma escala temporal linear, o segundo elétron é arrancado muito antes que o primeiro possa adquirir uma energia suficiente para explicar sua própria capacidade de arrancar o segundo elétron.

Bibliografia:
Attosecond Probe of Valence-Electron Wave Packets by Subcycle Sculpted Laser Fields
Xinhua Xie, Stefan Roither, Daniil Kartashov, Emil Persson, Diego G. Arbó, Li Zhang, Stefanie Gräfe, Markus S. Schöffler, Joachim Burgdörfer, Andrius Baltuška, Markus Kitzler
Physical Review Letters
Vol.: 108, 193004
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.193004
Attosecond tracing of correlated electron-emission in non-sequential double ionization
Boris Bergues, Matthias Kübel, Nora G. Johnson, Bettina Fischer, Nicolas Camus, Kelsie J. Betsch, Oliver Herrwerth, Arne Senftleben, A. Max Sayler, Tim Rathje, Thomas Pfeifer, Itzik Ben-Itzhak, Robert R. Jones, Gerhard G. Paulus, Ferenc Krausz, Robert Moshammer, Joachim Ullrich, Matthias F. Kling
Nature Communications
Vol.: 3: 813
DOI: 10.1038/ncomms1807

Pesquisa confirma que aumento de C02 inicia aquecimento

Caiu um dos últimos bastiões dos que argumentam que a queima de combustíveis fósseis não aquece a Terra.

O problema, diziam os céticos, é que o COliberado por essa queima não parecia ser o causador de mais calor no planeta em épocas geológicas anteriores. A ordem parecia ser inversa: primeiro a Terra esquentava e só depois a atmosfera recebia mais CO2.

“A aparente contradição tem a ver com a maneira como a neve se deposita”, afirma o paleoclimatólogo Cristiano Chiessi, da USP.

Explica-se: os principais registros sobre o clima do passado vêm de cilindros de gelo obtidos na Antártida. Em lugares de neves eternas, essa “biblioteca” gelada alcança centenas de milênios.

A composição do gelo dá pistas sobre a temperatura na época em que a neve caiu, enquanto bolhas de ar presas na massa gelada indicam quanto CO2 havia no ar.

“O problema é que essas coisas acontecem em ritmo diferente. Quando a neve cai, ela fica muito tempo permeável ao ar acima dela. Demora para as bolhas se formarem”, diz Chiessi.

Resultado: os modelos indicavam que o ar preso nas bolhas sempre é mais “novo” que o gelo ao lado. Assim, não dava para saber qual tinha sido a ordem dos acontecimentos, num verdadeiro problema de ovo e galinha.

Um artigo na revista “Nature” do mês passado, assinado por Jeremy Shakun, da Universidade Harvard, contornou isso unindo os dados da Antártida a outros registros pelo mundo. A pesquisa mostra que, no fim da última era glacial, a ordem foi mesmo mais CO2 primeiro e temperatura aumentada depois.

Detalhe importante: em cem anos, os níveis de CO2 atmosféricos aumentaram na mesma proporção que todo o incremento em 10 mil anos no fim da última fase glacial.

O que uma mudança dessas pode causar além de mais calor? Uma pista está num estudo coordenado por Maria Assunção da Silva Dias, também da USP, que viu um aumento de um terço na chuva da Grande São Paulo em menos de um século.

Boa parte disso tem a ver com fatores naturais e com o excesso de prédios da metrópole. “Mas a mudança lembra um ensaio do que se espera que venha no futuro, com mais eventos extremos”, diz Silva Dias -como tempestades na estação seca, antes inexistentes, e mais temporais como um todo.

Memória quântica guarda dados em cristais sólidos

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/05/2012

Memória quântica guarda fótons em cristais sólidos

Os valores de qubits são essencialmente estados quânticos de fótons, registrados em átomos de terras raras implantados no interior do cristal. [Imagem: F. Bussières/University of Geneva]

Memória quântica sólida

Os primeiros experimentos com memórias quânticas – o registro de um qubit para que ele possa ser processado ou lido mais tarde – começaram com os complicados e sensíveis condensados de Bose-Einstein.

Mas os cientistas sempre souberam que, para chegar a um computador quântico prático, seria antes necessário desenvolver memórias quânticas de estado sólido.

Vários materiais sólidos conseguem armazenar estados quânticos – um determinado valor armazenado em um qubit – por longos períodos.

Ocorre que esses valores de qubits são essencialmente estados quânticos de fótons – e os materiais sólidos até então testados só conseguiam absorver de forma eficiente a luz de uma determinada polarização.

Contudo, sempre tendo em vista a praticidade, memórias quânticas deverão ser capazes de armazenar qualquer polarização da luz.

Memória quântica confiável

Agora esse problema foi resolvido, simultaneamente e de forma diferente, por nada menos do que três equipes diferentes: uma da China, outra da Espanha e uma terceira da Suíça.

Todas as equipes conseguiram armazenar e ler de volta dados de uma memória quântica de estado sólido, utilizando estado arbitrários de polarização da luz.

Os dados são gravados por fótons individuais, que são absorvidos por íons de terras raras confinados no interior de um cristal.

A diferença do trabalho das três equipes é que cada uma usou uma técnica de compensação diferente para manter o dado armazenado por longos períodos de tempo – onde longo significa algumas centenas de nanossegundos, como ocorre com o chamado “período de latência” das memórias clássicas dos computadores atuais.

Todas as técnicas alcançaram uma fidelidade – uma medida da confiabilidade da recuperação do dado do qubit – maior do que 95%, o que supera o valor máximo que se pode obter com uma memória clássica.

Bibliografia:
Quantum Storage of Heralded Polarization Qubits in Birefringent and Anisotropically Absorbing Materials
Christoph Clausen, Félix Bussières, Mikael Afzelius, Nicolas Gisin
Physical Review Letters
Vol.: 108, 190503
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.190503
Quantum Storage of a Photonic Polarization Qubit in a Solid
Mustafa Gündogan, Patrick M. Ledingham, Attaallah Almasi, Matteo Cristiani, Hugues de Riedmatten
Physical Review Letters
Vol.: 108, 190504
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.190504
Realization of Reliable Solid-State Quantum Memory for Photonic Polarization Qubit
Zong-Quan Zhou, Wei-Bin Lin, Ming Yang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo
Physical Review Letters
Vol.: 108, 190505
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.190505

A incrível arte de montar objetos com átomos e moléculas

Redação do Site Inovação Tecnológica – 12/05/2012

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

Montar uma caixa, algo trivial em escala humana, torna-se um desafio quando é preciso acondicionar nanopartículas ou picolitros de alguma substância. [Imagem: NSF]

Brincadeira de cientista

Montar objetos usando peças que você consegue ver e pegar é tão fácil que virou literalmente brincadeira de criança.

É assim também que são montadas todas as máquinas que usamos, de torradeiras e automóveis, até navios e naves espaciais.

Mas átomos e moléculas não podem ser manipulados tão facilmente quanto porcas e parafusos.

Empenhados em desenvolver técnicas que permitam a fabricação de dispositivos ultraminiaturizados, de nanorrobôs a memórias de computador que consigam armazenar mais dados por área, os cientistas estão tendo que criar ferramentas totalmente novas.

Esse desafio, que depende de um auxílio especialmente intenso da matemática, está sendo vencido aos poucos, com pinças de luz, moldes de DNA, alicates magnéticos e vários outros artifícios.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

Há 43.480 jeitos diferentes de dobrar um dodecaedro. A vantagem é que, em nanoescala, ele vira uma caixa sozinho. [Imagem: Gracias/Menon/NSF]

Matemática da nanotecnologia

Imagine montar uma caixa, algo trivial em escala humana, mas que se torna um desafio quando é preciso acondicionar nanopartículas ou picolitros de alguma substância.

Mas, vencido o desafio, há uma grande vantagem: as nanocaixas montam-se sozinhas.

É verdade que David Gracias, da Universidade Johns Hopkins não teria nem começado a construir suas caixas tridimensionais automontantes sem a ajuda da matemática.

Foi Govind Menon, da Universidade Brown, quem descreveu matematicamente como os materiais planos deveriam ser cuidadosamente cortados para que resultassem em caixas perfeitamente lacradas, que poderão ser usadas para levar medicamentos para o interior do corpo humano.

“Há 43.480 jeitos diferentes de dobrar um dodecaedro,” disse Menon.

“Da mesma forma que a natureza monta tudo, de conchas do mar a pedras preciosas, sempre de de baixo para cima, a ideia da automontagem promete se tornar uma técnica totalmente nova de fabricar objetos partindo de átomos e moléculas,” completa Gracias.

Depois de feitos os cortes com precisão, tudo o que é necessário fazer é aquecer o material para que, sozinho, ele crie a nanodobradura com perfeição.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

As folhas são fabricadas por uma técnica de impressão, e depois se dobram com água. [Imagem: Zina Deretsky/NSF]

Pétalas que se fecham

O trabalho de Christian Santangelo e Ryan Hayward, da Universidade Massachusetts-Amherst é muito parecida – na verdade é complementar à de Gracias e Menon.

Eles empregaram técnicas fotográficas para imprimir folhas de polímeros já nos formatos adequados às dobraduras.

Em vez do calor, contudo, as folhas dobram-se no formato desejado apenas com a adição de água – a tensão superficial de microgotas é suficiente para levantar as “pétalas” das flores impressas.

As estruturas 3D finais são mais parecidas com sacos do que com caixas, e são curadas para permanecer na posição definitiva com luz ultravioleta.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

As estruturas metálicas têm detalhes estruturais 100 vezes menores do que uma bactéria. [Imagem: Scott Warren/Uli Wiesner/Cornell]

Nanotecnologia metálica

Scott Warren e Uli Wiesner, da Universidade de Cornell, preferem montar estruturas metálicas.

Eles desenvolveram uma tecnologia capaz de fazer com que folhas metálicas sigam seu próprio caminho, automontando-se em caixas cujos detalhes estruturais são 100 vezes menores do que uma bactéria.

Ao contrário das grandes fábricas de produtos metálicos, às voltas com altos-fornos e grandes prensas, a nanometalurgia usa polímeros, frágeis e moles, para guiar as folhas de metal, que não são assim tão duras quando têm apenas poucos átomos de espessura.

Trabalhar com metais tem outro foco de aplicações, que inclui catalisadores mais eficientes e mais baratos para células a combustível e estruturas que guiam a luz para transportar mais informações no interior dos processadores fotônicos.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

As partículas ocas serão nanorreatores, no interior dos quais quantidades ínfimas de compostos poderão reagir em condições estritamente controladas. [Imagem: Michael D. Ward/New York University]

Nanorreatores

Mike Ward, da Universidade de Nova Iorque, não gosta tanto de dobraduras, e desenvolveu uma técnica para criar nanopartículas cristalinas já ocas.

Segundo ele, a criação do espaço vazio garante mais pureza da nanocaixa, evitando reações químicas indesejadas.

E o químico não poderia estar interessado em outra coisa que não fazer reações químicas: suas nanopartículas ocas foram projetadas para serem nanorreatores, no interior dos quais quantidades ínfimas de substâncias químicas poderão ser postas para reagir, em condições estritamente controladas.

“Nós queremos criar estruturas que sirvam como um ‘hotel’ para moléculas ‘convidadas’,” disse Ward.

“Isso tornará possível separar os compostos químicos por tamanho das moléculas ou fazer reações em locais bem definidos e isolados, o que dará maior controle sobre a reatividade química e os produtos finais da reação,” completa ele.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

Os vasos de DNA não deixam nada a dever aos vasos e peças decorativas e funcionais de cerâmica. [Imagem: Hao Yan/Arizona State University]

Origami e arte

Hao Yan e Yan Liu, da Universidade do Estado do Arizona, estão entre os muitos que apostam nas moléculas de DNA e suas incríveis capacidades de conexão, que se encaixam apenas nos locais adequados.

Isso dá uma flexibilidade e uma precisão na montagem que não se consegue, ainda, obter de outro modo.

Usando a técnica, adequadamente batizada de origami de DNA, que já foi usada até para construir nanorrobôs que andam, os cientistas estão criando estruturas que não deixam nada a dever aos vasos e peças decorativas de cerâmica.

De novo, a vantagem é que os receptáculos podem ser projetados com antecedência, deixando a a montagem por conta das fitas de DNA, que recusam-se a se ficar nos locais inadequados, garantindo peças sempre perfeitas.

Veja mais detalhes desta incrível “arte nanotecnológica” na reportagem Origami de DNA cria nanoestruturas 3-D.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

A técnica de nanoconstrução guia as partículas por magnetismo, permitindo a criação de estruturas com vários materiais. [Imagem: Benjamin Yellen]

Montagem magnética mista

Benjamin Yellen, da Universidade de Duke, também prefere as automontagens, mas no lado “duro” da nanotecnologia.

Em vez de moléculas biológicas, ele está usando nanopartículas cristalinas, que podem ser metálicas ou cerâmicas.

Feitas as partículas, elas encontram seu caminho para montar as estruturas desejadas quando detectam variações em sua concentração ou na presença de campos magnéticos.

Yellen também precisou da matemática para conseguir isso.

“Nós não apenas desenvolvemos o arcabouço teórico dessa nova técnica, como demonstramos no laboratório que ela pode criar mais de 20 estruturas previamente programadas,” disse ele.

Além das caixas, foram criados anéis, correntes e até malhas parecidas com tabuleiros de dama, com nanopartículas de tipos diferentes.

E esse, juntamente com o controle externo por um campo magnético, é o grande trunfo da nova técnica, permitindo a criação de nanoestruturas feitas de diversos materiais.

Nanofuturo

“A era da miniaturização promete revolucionar nossas vidas. Podemos fazer estas nanocaixas a partir de uma grande quantidade de materiais diferentes, tais como metais, semicondutores e mesmo polímeros biodegradáveis para uma série de aplicações ópticas, eletrônicas, ou para carregarem medicamentos,” entusiasma-se o professor Gracias. “Por exemplo, há uma necessidade na medicina para criar partículas inteligentes que possam alvejar tumores específicos, doenças específicas, sem despejar drogas no resto do corpo, de forma a limitar os efeitos colaterais.”

E, com tantas opções de automontagem, talvez já não seja mais ficção imaginar milhares de minúsculas partículas biodegradáveis, precisamente estruturadas e contendo em seu interior apenas os compostos químicos desejados, de alta pureza, correndo através da corrente sanguínea a caminho de um órgão doente.

Ou então, partículas sendo guiadas por luz ou por magnetismo para montar componentes eletrônicos com dimensões moleculares, no interior dos processadores de computador do futuro.

Mas é necessário concordar que essa é a visão para um futuro, ainda que não tão distante.

Para ligar o hoje com esse futuro, os cientistas precisam aprimorar o projeto das suas nanoestruturas, de forma que elas possam ser fabricadas sem variações e em grandes quantidades.

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