CHARACTERIZATION OF TITANIUM DIOXIDE FOR NANOBIOTECHNOLOGICAL APPLICATIONS
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7504207
Gabriella Vieira Ambrósio1;
Suelen Rocha Botão Ferreira2,3;
Welberth Santos Ferreira1*
RESUMO
Os biomateriais vêm sendo bastante estudado nos últimos anos por vários pesquisadores principalmente para aplicações tecnológicas na área da saúde. Para esse estudo escolhemos o dióxido de titânio na sua fase anatase, por se apresentar como um material promissor para estas aplicações. Em Física do Estado Sólido, estuda-se as propriedades dos cristais em geral, incluindo o dióxido de titânio. Deste modo, a estrutura cristalina do dióxido de titânio pode ser organizada de três maneiras, anatase com fórmula estrutural (tetragonal), rutilo (tetragonal) e brokita (ortorrômbica), neste estudo utilizamos a anatase. Neste trabalho far-se-á um estudo de simulação da estrutura do dióxido de titânio na sua fase anatase através do software Materials Studio, módulo CASTEP, com o propósito de analisar as propriedades estruturais e eletrônicas. Com o conhecimento obtido pretende-se propor aplicações na área de nanobiotecnologia.
Palavras-chave: simulação; biomateriais; nanobiotecnologia.
ABSTRACT
Biomaterials have been widely studied in recent years by several researchers, mainly for technological applications in the health area. For this study, we chose titanium dioxide in its anatase phase, because it presents as a promising material for these applications. In solid-state physics, the properties of crystals in general, including titanium dioxide, are studied. Thus, the crystalline structure of titanium dioxide can be organized in three ways, anatase with structural (tetragonal), rutile (tetragonal) and brokite (orthorhombic), in this study we use anatase. In this work will make a study of the simulation of the structure of titanium dioxide in its anatase phase through the software Materials Studio, CASTEP module, with the purpose of analyzing the structural and electronic properties. With the knowledge obtained, it is intended to propose applications in the area of nanobiotechnology.
Keywords: simulation; biomaterials; nanobiotechnology.
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INTRODUÇÃO
O termo biomaterial vem sendo definido de diferentes formas por diferentes autores, segundo Helmus e Tweden (HELMUS, 1995), a definição de biomaterial é qualquer substância ou combinação de substâncias, que possa ser usada por um período de tempo, ou seja, são dispositivos designado a interagir com sistemas biológicos para avaliar, tratar, melhorar ou substituir qualquer tecido, órgão ou função do corpo. Por cerca de 3 mil anos, há a concepção de biomateriais, que surgiu com o indício de um médico egípcio que criou uma prótese para ajudar um paciente enfermo, no caso, uma mulher que havia perdido um dedo acidentalmente (TEOMARIA, 2021). O chamado “biomaterial” que era utilizado por ele, era de madeira, esses materiais quanto a sua origem sintética são divididos em três classes: metais, cerâmicas e polímeros. Essa foi a primeira concepção de biomateriais, mas com o avanço da ciência podemos fazer o uso de novos materiais e aqui abordaremos os nanorobôs que são dispositivos bem pequenos, aqueles que podem ser estudados na escala nanometrica. Em 2016 três pesquisadores: Jean Pierre Sauvage, Fraser Stoddart e Bernard Feringa (FOLHA, 2021; MELO, 2010), ganharam o prémio Nobel de Química por ter desenvolvido o conceito de máquinas moleculares que são estruturas bem pequenas. Estas máquinas podem ser importantes, por exemplo, na medicina, ajudando no transporte de medicamento por nanorobôs eles são robôs tão pequenos que serão capazes de manipular células e moléculas, principalmente a célula cancerígena.
Para fazer esse estudo, nós entramos na escala dos átomos, moléculas, vírus, células entre outros, essa escala é chamada de nanométrica que consiste 10 -9 m e a área que faz o uso desta escala é a nanotecnologia.
A nanotecnologia é uma área científica multidisciplinar que consiste na criação de materiais, dispositivos e sistemas, através da manipulação da escala manométrica (10-9m), que abrange um range de 1 a 100 nm (HARRISON, 2007).
Alguns itens em escala manométrica já estão sendo comercializados, como: dióxido de titânio, ouro, prata, cobre, nanotubos de carbono, que adicionados a materiais poliméricos convencionais, melhoram o seu desempenho.
Há inúmeras possibilidades de aplicação da nanotecnologia em todas as áreas, destacando-se principalmente na biotecnologia, semicondutores e novos materiais (INVENTTA, 2021; RÒZ, 2015). Este último consiste na elaboração de materiais a partir de nanoestruturas cujas propriedades estão em função do seu tamanho manométrico. Estas nanoestruturas podem ser sintetizadas pelo processo Top-Down ou Bottom-Up (RÒZ, 2015). Uma difere da outra devido à forma de obtenção destes, para usarmos a metodologia Top-Down, deve-se miniaturizar sistemas que antes estavam em escala macro, ou seja, trabalha-se do maior para o menor. Já o Bottom-Up desenvolve do pequeno para o grande, ou seja, trabalha-se com moléculas e átomos.
A nanobiotecnologia faz uso da nanociência (é um campo interdisciplinar da ciência, que engloba áreas da Física, Química, Biologia e Informática, para estudo e pesquisa do universo manométrico em sua totalidade) para o desenvolvimento de novos materiais, através da manipulação de agrupamentos de átomos ou moléculas para obter estruturas como novas propriedades mecânicas, ópticas, eletrônicas ou magnéticas.
Neste trabalho far-se-á um estudo de simulação da estrutura do dióxido de titânio na sua fase anatase através do software Materials Studio, módulo CASTEP, com o propósito de analisar as propriedades estruturais e eletrônicas. Com o conhecimento obtido pretende-se propor aplicações na área de nanobiotecnologia.
MATERIAL E MÉTODOS
A fim de obtermos resultados de simulação de modelagem molecular, e cálculos de propriedades de diversos sistemas, utilizamos o software Material Studio, o qual construímos nossa estrutura cristalina do dióxido de titânio na sua fase anatase. Os dados foram obtidos usando a função CASTEP. O CASTEP emprega a teoria do funcional da densidade e método de ondas planas com pseudopotential, que permite realizar cálculos de primeiros princípios da mecânica quântica que exploram as propriedades de cristais e superfícies em materiais como semicondutores, cerâmicas, metais e minerais. Além disso, as propriedades vibracionais de sólidos (dispersão de fônon, densidade total e projetados de estados de fônon, propriedades termodinâmicas) podem ser calculadas com CASTEP usando a metodologia da resposta linear ou a técnica de deslocamentos finitos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O dióxido de titânio é um pó branco, sendo o segmento mais utilizado no mundo, tem fórmula química TiO2, apresenta muitas vantagens, como alta durabilidade e resistência ao calor. Ele é um material cerâmico que tem despertado um crescente interesse por apresentar inúmeras possibilidades de aplicações, dentre as quais catálise, fotocatálise, sensor químico de gás, células solares, sendo utilizados em nanotubos, na coloração de fármacos, alimentos e por apresentar uma alta reflexão à luz ultravioleta é aplicado na maioria dos protetores solares (ALBUQUERQUE, 2014). O TiO2 aparece na natureza como os minerais conhecidos: anatase com fórmula estrutural (tetragonal), rutilo (tetragonal) e brookita (ortorrômbico) (D’ALESIO, 2013). No nosso estudo efetuamos a análise do óxido de titânio na sua fase anatase. A Figura 1 mostra a nossa estrutura construída no Material Studio.
Figura 1. Estrutura do TIO2 na fase anatase.
A estrutura cristalina tetragonal do TiO2 na fase anatase teve otimização geométrica efetuada por meio do software CASTEP usando o formalismo da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) na aproximação GGA-PBE.
O cristal TiO2 tem uma célula unitária com grupo espacial 141/AMD com sistema tetragonal com seguintes valores para os parâmetros de rede: a = b = 3,782 Ǻ, c = 9,502 Ǻ, volume (V) igual a 135,912085 Ǻ3 e com ângulo α = β = γ = 90o.
A zona de Brillouin (6x6x3) foi utilizada para calcular todas as integrais no espaço recíproco, que é o suficiente para dar uma boa convergência a estrutura. A Figura 2 mostra uma vista da estrutura na primeira zona de Brillouin.
Figura 2. Estrutura TiO2 na fase antase na primeira zona de Brillouin.
Visando analisar cada elemento do dióxido de titânio estudamos suas propriedades eletrônicas. A Figura 3 apresenta a densidade parcial de estados em função da energia, onde podemos observar a presença dos seguintes elementos: oxigênio (O) e titânio (Ti).
A curva púrpura corresponde ao somatório de todas as componentes. Podemos salientar que existe uma predominância do orbital d, orbital este responsável por propriedades magnéticas em diversos materiais o que nos leva a inferir que estamos diante de um material promissor para aplicações.
Figura 3. Densidade Parcial de estados para do Dióxido de TiO2.
Outra análise importante para o nosso estudo é a estrutura de bandas, pois através dela identificamos se o nosso material é condutor, semicondutor ou isolante. Um material isolante não possui bandas de energia entrelaçadas, isto é, contém o chamado gap de energia, espaço entre as bandas de valência e condução que o caso do nosso material.
A estrutura inicial utilizada nas simulações computacionais foi extraída dos dados de difração de raios – X obtidos por STWEART et al (STEWART, 1967).
A configuração eletrônica para os elétrons de valência nos cálculos são: para o oxigênio (O) 2s22p4 e titânio (Ti) 3s23p63d24s2.
Recentemente, Sebesta et al. apresentou a miríade de aplicações deste composto na nanotecnologia, nomeadamente no crescimento de plantas em condições de campo, embora tenha alertado a despeito de sua toxicidade (SEBESTA, 2021).
Outro fato a se levantar diz respeito ao apresentado por Sevda et al. Seus colaboradores observaram que o composto tem sido empregado em biosensores fotoeletroquímicos e implantes ortopédicos a base de titânio (SEVDA, 2020). O resultado, apresentado na Figura 4, é promissor pois através de estudos de microscopia eletrônica poder-se-ia analisar o dióxido de tiânio do ponto de vista de sua biocompatibilidade.
CONCLUSÃO
Neste trabalho apresentamos os resultados mais importante obtidos através do cálculo teórico em DFT usando o modo CASTEP, aplicando a aproximação GGA-PBE para a estrutura do dióxido de titânio, na sua fase anatase.
Ademais, utilizamos a teoria do funcional da densidade para modelizar as propriedades estruturais e eletrônicas da amostra deste composto. Observamos a predominância do orbital d, de acordo com a densidade parcial de estados calculada, que mostra as importantes contribuições para os átomos do titânio. Por fim, analisamos a estrutura de bandas onde verificamos a existência de gap e relacionamos nossos dados com os previamente publicados.
REFERÊNCIAS
ALBUQUERQUE, Anderson R.; SANTOS, Iêda MG; SAMBRANO, Júlio R. Propriedades estruturais e eletrônicas de nanofilmes de TiO2 anatase: cálculos B3LYP-D* em sistemas periódicos bidimensionais. Química Nova, v. 37, n.8, p. 1318-1323, 2014.
D’ALESIO, Hugo Alejandro et al. Síntese de óxido de titânio nanoestruturado. Dissertação de Mestrado – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2013.
FOLHA DE S. PAULO. PHILLIPE WATANABE. Pesquisa sobre máquinas moleculares ganha Nobel de Química. 2016. Disponível em: http://www1.folha.uol.com.br/ciencia/2016/10/1820022-pesquisa-sobre-maquinas-moleculares-ganha-nobel-de-quimica.shtml. Acesso em: 10 mai. de 2021.
HARRISON, P. Emerging challenges: nanotechnology and the environment. GEO YEAR BOOK, 2007.
INVENTTA. Disponível em: <http://inventta.net/wp-content/up loads/2010/07/Nanotecnologia.pdf>. Acesso em 09 jan. de 2021.
HELMUS, M.N.; TWEDEN, K. Materials Selection. In:Encyclopedic Handbook of Biomaterials and Bioengineering, 1995.
MELO, Celso Pinto de; PIMENTA, Marcos. Nanociências e nanotecnologia. Parcerias estratégicas, v. 9, n. 18, p. 09-22, 2010.
RÒZ, A.; FERREIRA, M., JUNIOR, O. Nanoestruturas: Coleção nanociência e nanotecnologia: princípios e aplicações, 1. Elsevier Brasil, 2015.
SEBESTA, M. et. al. Field application of ZnO and TiO2 nanoparticles on agricultores plants. Agronomy, v. 11, p. 2281, 2021.
SEVDA, J. et al. Biomedical applications of TiO2 nanostructures: recente advances. International Journal of Nanomedicine. v. 15, p. 3447-3470, 2020.
STEWART R. F.; JENSEN, L.H. Redeterminationofthe Crytal ofuracial, Acta Crystallogr., v. 23, no. 1961, p. 1102-1105, 1967.
TEOMARIA. Dedão do pé de múmia egípcia é a prótese mais antiga da história. Disponível em: http://teomaria.webnode.com.br. Acesso em: 29 jun. 2021.
1 Grupo de Magnetoeletricidade – GRUMA. Departamento de Física, Universidade Estadual do Maranhão, Campus Universitário Paulo VI. 65055-970. São Luís – MA. Brasil.
2 Centro de Estudos Superiores de Pinheiro – CESPI. Universidade Estadual do Maranhão. Rua Diogo dos Reis, Matriz. 65200-000. Pinheiro – MA. Brasil.
3 Faculdade Estácio. Rua Grande, 1455 – Centro. 65000-000. São Luís – MA. Brasil.
*Autor correspondente. E-mail: welberthsf@gmail.com