Do micro ao macro: Estudando átomos e moléculas para fazer ciência
Expositores
Luciano Tavares da Costa
Professor do departamento de Físico-Química - UFF
Área de atuação: Dinâmica molecular
Cauê Torres de Oliveira Guedes Costa
Jonathan de Brito Brum
Professor do departamento de Físico-Química - UFF
Área de atuação: Termodinâmica aplicada
Graduando em Química
Área de atuação: Ensino de química
Flávia C. A. Silva
Marcus Hungaro Faria
Universidade Federal Fluminense
Grupo de pesquisa: MOLMOD-CS
Pense num copo com água. Temos água que foi formada por átomos de hidrogênio e oxigênio conectados por ligações químicas. Na fase líquida, teremos uma infinidade de moléculas que estão passeando e interagindo por ligações de hidrogênio. No corpo, há uma complexidade de interações microscópicas que dão características únicas para o que vemos. Entendê-las é útil para conseguir prever comportamentos e desenvolver ciência. Nesta exposição, o grupo MOLMOD-CS ilustrará 4 áreas: ensino de química, baterias, fármacos no corpo e os processos industriais. Acompanhem essa viagem multiescala nesta mostra!
O lúdico no ensino
A química teórica é uma ciência com muitas abstrações e um dos relatos mais frequentes dos alunos, quando têm contato com a matéria, é que eles não “vêem” aplicação ou tem dificuldade de enxergar os fenômenos.
O estudo de átomos e moléculas em suas escalas microscópicas ajuda a trazer uma visão mais lúdica ao conteúdo ensinado em química (em especial nas partes mais matemáticas, como a físico-química). Como exemplo prático, citam-se as imagens abaixo, que exibem um simulador computacional para “visualizar” a teoria das colisões.
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Para ilustrar isso, o simulador exibe um medidor de “energia” para o canhão disparar uma molécula reagente vermelha em direção à amarela.
Se a energia for suficiente, uma molécula laranja será formada.
Caso contrário elas simplesmente vão continuar como são.
Estudando baterias
Conseguimos viver hoje sem um celular/smartphone?
É difícil, já que os dispositivos eletrônicos, que usamos no dia a dia fazem praticamente tudo (compras, pagamento de contas, acesso à livros, vídeos e mídias em geral, rede social, etc). E, curiosamente, pouco uso como telefone. E o desespero quando o nível da bateria está acabando? Pensamos logo em correr para carregar.
E o que seria de nossas vidas sem as baterias?
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Cada vez mais estamos dependentes destes dispositivos eletroquímicos, que fornecem energia para smartphones, veículos automotivos, aviões, equipamentos domésticos e painéis solares.
O futuro exige um desenvolvimento sustentável, que passa por tecnologias como as baterias mais duradouras e eficientes.
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O fármaco no corpo
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A maioria das doenças que acometem os seres vivos, principiam em uma disfunção protéica. As proteínas são os componentes fundamentais dos seres vivos e são responsáveis pela maioria de suas funções vitais. O nome "proteína" deriva do grego protos, que significa "o primeiro" ou "o mais importante".
Só para citar alguns exemplos,
são proteínas as fibras que compõem nossos músculos, nossos fios de cabelo e as enzimas que atuam na digestão dos alimentos que comemos.
As proteínas também catalisam as reações do nosso metabolismo e permitem a construção de outras moléculas essenciais para a vida.
Atualmente, o desenvolvimento de novos fármacos passa pela caracterização da estrutura tridimensional de uma proteína, realizada com auxílio de ferramentas da química computacional. A estrutura é, então, empregada para guiar o planejamento racional de novos fármacos, como se um chaveiro contruísse uma chave (o fármaco) a partir da fechadura (a proteína).
As características físico-químicas definem o grau de afinidade e de especificidade do fármaco, pela proteína, e estão relacionadas diretamente com as interações intermoleculares existentes no complexo ligante-proteína.
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As características estruturais, por sua vez, então associadas aos arranjos espaciais moleculares, suas variações nas orientações espaciais, no posicionamento espacial e nas rotações de ligações químicas entre moléculas interagentes.
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Embora a ideia de que este processo seja flexível e não rígido, estes são processos caros e complexos, que demoram em torno de 10 a 20 anos, com o custo estimado para lançar um novo fármaco no mercado, podendo chegar a bilhões de dólares. Com a química computacional e com computadores cada vez mais potentes, esse tempo tem sido reduzido. Simular a interação do fármaco com o corpo é chave para acelerar e baratear a produção de medicamentos!
Das moléculas aos processos industriais
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Através da Química Teórica, em conjunto com a Termodinâmica Molecular, é possível entender o que deve acontecer quando se misturam substâncias, ou quando se aumenta a temperatura, ou como variam as propriedades de um material, e, assim, propor novas tecnologias.
SEPARADOR
Um equipamento simples que se baseia na hidrofobicidade do óleo é o separador água-óleo, muito utilizado para o tratamento de efluentes.
REATOR QUÍMICO
Ao entender as formas de interação entre os compostos, o cientista pode propor a formação de novas rotas de produção de compostos, de purificação de componente e entre outras operações numa indústria química.
COLUNA DE DESTILAÇÃO
Portanto, entendendo como átomos e moléculas interagem, um cientista é capaz de propor todo um processo industrial!
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Crédito de imagens
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Doutora em Química pelo PPGQ/UFF
Área de atuação: Dinâmica molecular
Doutorando em Química pelo PPGQ/UFF
Área de atuação: Dinâmica molecular
Átomos interagem para formar moléculas. Moléculas interagem para formar estados de agregação da matéria (como sólido e líquido). Essas interações entre átomos e moléculas são muito difíceis de serem descritas e são a chave para o entendimento do comportamento macroscópico que observamos no dia a dia.
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Por exemplo: Por que a água e óleo não se misturam? É devido a diferença de interações (sendo o óleo hidrofóbico, ele prefere ficar “sozinho” numa fase líquida deixando a água em sua fase líquida separada).
O desenvolvimento de novas baterias passa pela química computacional e fazemos isso, através das simulações moleculares, em que estudamos o comportamento microscópico de moléculas com auxílio de computadores.
Assim, no caso das baterias, podemos analisar seus componentes (eletrodos, eletrólitos, etc) e verificar como esse novo componente pode melhorar sua performance.
Ao lado, temos a representação da dinâmica molecular, ou seja, química computacional de dois sistemas contendo um polímero e um líquido iônico, no assunto baterias.
O reconhecimento molecular proteína-fármaco está baseado na complementaridade de características físico-químicas e estruturais das moléculas que estão interagindo.
Por mais que a analogia seja simples, ainda, serve como base para algumas das mais frequentes estratégias de planejamento de fármacos.