A nanotecnologia pode ser considerada como um conjunto de atividades ou mecanismos que ocorrem em uma escala extremamente pequena, mas que tenham implicações no mundo real. Esses mecanismos estão além da percepção dos olhos humanos e operam em uma escala chamada nanométrica (um nanômetro é a bilionésima parte de um metro).

A nanotecnologia abre a possibilidade de manipular átomos e moléculas e já tem sido largamente empregada na fabricação de semicondutores e circuitos integrados (chips) – como computadores e telefones celulares -, e na confecção de dispositivos que incorporam a combinação de porções orgânicas e inorgânicas. A biologia integrada com tecnologia eletrônica e mecânica será sem dúvida um dos maiores mercados para a nanotecnologia, criando a possibilidade de ferramentas analíticas e implantes que interligue computadores e dispositivos avançados com conexões neurais, o que será sem dúvida de real benefício ao ser humano.

Entre tantas inovações convergentes, a nanociência e a nanotecnologia entram nessa longa aventura como uma alternativa para o estudo dos fenômenos e manipulação de materiais na escala atômica, molecular e macromolecular, quando as propriedades diferem significativamente daquelas observadas na escala macro e a realização do desenho, caracterização, produção de estruturas, peças e sistemas pelo controle do seu tamanho e forma na escala nanométrica ou 10-9.

Presente em vários produtos do nosso cotidiano, como nos protetores solares, em calçados esportivos, telefones celulares, tecidos, cosméticos, automóveis e medicamentos, entre outros, também é muito ativa em vários setores, tais como: energia, agropecuária, tratamento e remediação da água, cerâmica e revestimentos, materiais compostos, plásticos e polímeros, aeroespacial, naval e automotivo, siderurgia, odontológico, têxtil, cimento e concreto, microeletrônica, diagnóstico e prevenção de doenças e medicamentos.

Definição

A nanotecnologia busca a preparação, estudo do comportamento e exploração das propriedades dos materiais em escala nanométrica, em geral, escala inferior a 100 nm (nanômetros).

Entendendo o tamanho

Quando se fala de nanotecnologia, a primeira coisa a fazer é mudar a escala com a qual se vê o mundo. Não se trata somente de mudar a forma como os olhos veem as coisas. O que deve ser feito é mudar a maneira como o cérebro pensa. Assim, essa é a melhor forma de entrar no pequeno grande mundo da nanotecnologia.

Histórico

Com o passar dos séculos a concepção a respeito da constituição da matéria foi evoluindo, à medida que novos métodos e equipamentos de investigação científica foram sendo aperfeiçoados e incorporados à ciência (HAWKING, 1988). A manipulação de átomos e/ou moléculas individuais em escala nanométrica – a nanomanipulação – é uma ideia relativamente recente, que só ganhou maior consistência a partir de 1959, quando Richard Feynman, um dos mais renomados cientistas do século XX e ganhador de dois prêmios Nobel (ERIC DREXLER, 1992) mostrou que não há razões físicas que impeçam a fabricação de dispositivos através da manipulação de átomos individuais. Ele propôs ainda que essa manipulação não só era perfeitamente possível, como também inevitavelmente resultaria na fabricação de dispositivos úteis e aplicações incríveis para todos os campos do conhecimento (FISHBINE, 2002).

A palavra usada para denominar essa ciência em nanoescala sugerida por Feynman, ou mais precisamente, o termo nanotecnologia, surgiu apenas em 1974, quando um pesquisador da Universidade de Tóquio, Norio Taniguchi, fez a distinção entre engenharia em escala micrométrica (por exemplo: a microeletrônica) e o novo campo da engenharia, em escala submicrométrica, que estava começando a emergir (FISHBINE, 2002; TANIGUCHI, 1996).

Avanços significativos em nanotecnologia não foram notados até o início da década de 1980, devido à ausência de novos instrumentos que permitissem a nanomanipulação, como por exemplo, os microscópios de varredura por sonda (SPM), de varredura por tunelamento (STM), de campo próximo (NFM) e de força atômica (AFM). Esses instrumentos vêm promovendo os "olhos" e os "dedos" necessários para medir e manipular materiais em escala nanométrica (FISHBINE, 2002; SAKAKI, 1999) permitindo assim manipular átomos, moléculas, proteínas, DNA, etc.

A Nanotecnologia na agricultura e o papel da Embrapa

Os avanços científicos são contínuos, ocorrem de formas irreversíveis e cada vez mais rapidamente são assimilados tornando parte da vida de todos os seres humanos. A nanotecnologia é o resultado desses avanços e surgiu decorrente da combinação e evolução de diversos campos do conhecimento humano, incluindo a química, a ciência dos materiais, a biologia, a eletrônica, a computação e a física.

Tal como já aconteceu com a eletricidade e os computadores, a nanotecnologia estará em breve presente em quase todas as facetas da vida diária, e por ser uma ciência integrada, oferece a oportunidade de interferir em diversos segmentos econômicos e a agricultura não é uma exceção.

Principalmente nos países em desenvolvimento é que a aplicação de nanotecnologia nos sistemas produtivos ou na indústria de alimentos trará impactos sem precedentes, podendo gerar benefícios, segundo cálculos das Nações Unidas, a um número estimado a cinco bilhões de pessoas nos próximos anos. Esses benefícios não são somente do ponto de vista econômico, mas direta ou mesmo indiretamente, como aumento na qualidade de vida, incremento da produção de alimentos por área cultivada, melhoria da qualidade dos processos agroindustriais e o acesso a novos produtos por um maior número de consumidores.

Diversos países de economia de base agropecuária como o Brasil, a Índia, a Tailândia, o México, África do Sul e a Argentina, entre outros, têm estabelecido programas específicos de nanotecnologia e nanociências, em grande parte, focados em aplicações no setor agroindustrial, meio ambiente, farmacêutico e alimentício.

A Pesquisa em Nanotecnologia na Embrapa

O objetivo da pesquisa em nanoteconologia conduzida na Embrapa é o de aprimorar a intervenção humana, através do uso do desenvolvimento de ferramentas que permitam o controle sobre os eventos, facilitando a tomada de decisões para obtenção de uma melhor rastreabilidade, produtividade e qualidade. Para tal foi organizada uma rede (Agronano) que conta com mais de 150 pesquisadores de centros de pesquisa da Embrapa e de 53 instituições diversas, abrangendo todo o território nacional.

Nanotecnologia na Agricultura

Assim como nas demais áreas do conhecimento, a nanotecnologia é de extrema importância para o agronegócio de um modo geral. A nanotecnologia poderá gerar uma melhora de qualidade associado ao monitoramento e redução de danos ambiental. Beneficiará o emprego da agricultura de precisão, a rastreabilidade dos produtos, a certificação, a produção de biocombustíveis, a indústria de insumos (fertilizantes, pesticidas) e de medicamentos para uso veterinário, a indústria de alimentos, assim como vários outros setores vinculados à agroindústria serão inevitavelmente beneficiados pelos avanços da nanotecnologia.

O objetivo da nanoteconologia no segmento agrícola é aprimorar essa intervenção humana, através do uso de dispositivos sensores, elevando o controle sobre os eventos e facilitando a tomada de decisões para obtenção de uma melhor rastreabilidade, produtividade e qualidade. Temos como exemplo a agricultura de precisão, que consegue hoje agregar e adaptar tecnologias avançadas para melhorar a eficiência da produção.

A nanotecnologia também trabalha no desenvolvimento de biossensores e transdutores de alta sensitividade que permitem a identificação e quantificação de compostos químicos, orgânicos ou demais impurezas ou alterações de composição, sejam em plantas ou frutos, como também em solos.

Dispositivos controladores de irrigação ou sensores de alto desempenho como as chamadas "línguas", "narizes" e "olhos" eletrônicos deverão, certamente, invadir o mercado brevemente, gerando uma enorme possibilidade de análises e tomadas de decisões.

Potencial da nanotecnologia para o Agronegócio

Embora o agronegócio brasileiro ocupe hoje uma posição de líder mundial é essencial o investimento contínuo em novas tecnologias, para o país poder continuar crescendo e abrir novos mercados neste setor tão dinâmico da economia (BANCO DO BRASIL, 2004; ALVES, 2001). Assim a nanotecnologia oferece oportunidades extremamente promissoras para melhoria da competitividade e do desempenho de processos e produtos agropecuários em varias áreas, agregação de valor a produtos, e aproveitar nichos de mercado que pelas nossas características tropicais teremos vantagens competitivas, e algumas destas serão descritas brevemente abaixo (MATTOSO, 2005; DURÁN et al., 2005, ETC GROUP, 2004).

A importância da nanotecnologia no agronegócio começa já desde o início das cadeias produtivas, contribuindo de forma significativa na melhoria do desempenho, eficiência e economia de insumos (fertilizantes, pesticidas, etc.), através do desenvolvimento de nanopartículas e nanoencapsulação para liberação controlada de fertilizantes e pesticidas em solos e também de fármacos para uso veterinário (MATTOSO, 2005; DURÁN et al., 2005, ETC GROUP, 2004).

Em anos recentes tem aumentado a pressão no Brasil para o desenvolvimento de insumos agropecuários de melhor qualidade e desempenho, em função do maior acesso a produtos externos, bem como da necessidade de diminuir o impacto ambiental associado ao uso destes insumos. Há uma demanda crescente por fertilizantes que apresentem maior absorção pelas plantas, que não sofram segregação durante a etapa de formulação e transporte, e que sejam mais fáceis de manusear e aplicar. Pesticidas com eficácia na aplicação cada vez maior também são desejáveis não apenas pela vantagem econômica, mas, sobretudo pela redução do impacto ambiental, diminuição da toxidez para o homem durante a sua aplicação e diminuição da carga poluente alimentada ao meio físico.

Assim, a aplicação da nanotecnologia no setor de insumos agropecuários tem a finalidade de melhorar a eficiência funcional de produtos como nutrientes, pesticidas sintetizados quimicamente (herbicidas, inseticidas e parasiticidas) ou de natureza biológica (microrganismos com atividade específica contra uma praga-alvo), bem como a segurança no manuseio destes produtos, reduzindo riscos de toxidez para o homem, de concentrações elevadas na lavoura e de contaminação ambiental. Tal abordagem está alinhada com as exigências pertinentes à preservação de qualidade de vida e redução dos riscos de contaminação do meio ambiente.

O Brasil economiza, atualmente, 1,5 bilhão de dólares por ano em fertilizantes nitrogenados somente na cultura da soja, graças, especialmente, as pesquisas desenvolvidas pela Embrapa e instituições parceiras, no desenvolvimento da fixação biológica de nitrogênio na cultura desta leguminosa, o que demonstra o potencial que a agregação de novas tecnologias pode ter neste setor.

A nanotecnologia também pode contribuir significativamente na melhoria do desempenho de produtos agropecuários e no desenvolvimento de novas aplicações, agregando valor, abrindo novos mercados e ajudando assim a capacidade do país de passar de simples produtor de commodities, na forma de alimentos in natura, para gerador de uma série de outros produtos de fontes renováveis e obtidos de forma sustentável, tal como é o caso mais recente da agroenergia.

A partir do momento que começarmos a conhecer, dominar e manipular cada vez mais as plantas, animais, alimentos e outros produtos agropecuários, em geral, no nível da nanotecnologia, conseguiremos explorar melhor todos as propriedades de seus constituintes e ser capaz de um mesmo grão de soja, por exemplo, extrair alimento, leite, óleo comestível, óleo combustível, tinta, plástico, borracha, remédios e outros produtos cujo potencial ainda estão desconhecidos. Assim, o desenvolvimento de novos usos de produtos agrícolas é uma área que pode ser significativamente impulsionada explorando-se a nanotecnologia.

Dentre os componentes da planta, destacam-se os lignocelulósicos que possuem propriedades extremamente promissoras para substituição de vários materiais sintéticos, como por exemplo, fibras de sisal que já podem substituir fibras de vidro em algumas aplicações da indústria de plásticos e peças automobilísticas. Com o aumento da preocupação com a poluição ambiental e os problemas com o aumento de desperdício, gerando cada vez mais lixo não degradável, o uso de produtos naturais biodegradáveis, tais como polímeros vindos da agricultura para confecção de plásticos e embalagens biodegradáveis é uma necessidade premente.

Além da ampliação do mercado, pela disponibilização e valorização de novos produtos, o desenvolvimento de tecnologias que revertam o conceito de resíduo para o de matéria prima, como a extração de nanofibras vegetais ou nanopartículas de sílica de resíduos da agroindústria para a produção de nanocompósitos plásticos, ou produção de outros produtos de interesse industrial, é imprescindível para otimizar a eficiência da indústria, podendo contribuir para agregação de valor e rentabilidade de produtos agrícolas, e melhorar a competitividade e estabilidade econômica do país (MATTOSO, 2005; DURÁN et al., 2005; ETC GROUP, 2004).

Na agroindústria são inúmeras as áreas onde a nanotecnologia pode dar contribuição expressiva, para aumentar a competitividade do setor. Um exemplo é na melhoria do desempenho de processos e produtos agroindustriais, através do desenvolvimento de membranas de separação e/ou barreira para vários processos agroindustriais e embalagens ativas e inteligentes para alimentos e bebidas e purificação de água, com controle da nanoestrutura, que possuem uma enorme importância neste setor.

A agroindústria de alimentos tem enfrentado enormes perdas durante o armazenamento, transporte e distribuição de alimentos frescos, pré-cortados e embalados. Para a redução das perdas quantitativas e qualitativas dos alimentos durante o armazenamento, transporte e distribuição estão sendo desenvolvidos sistemas de embalagem (ativas e inteligentes) que monitoram não só a qualidade dos alimentos bem como a condição do ambiente que os circunda. Estas embalagens também podem indicar a quebra da cadeia de frio e podem revelar o histórico destes produtos durante as principais etapas da comercialização.

As embalagens podem regular a taxa de respiração de produtos vegetais, reduzir o processo de degeneração de alimentos e/ou produtos perecíveis por ação de microrganismos em condições reais de estocagem e conservação, aumentando a sua vida útil e também introduzir elementos no envasamento capazes de reter componentes indesejáveis destes alimentos, que deterioram a sua qualidade e/ou introduzindo compostos como agentes antimicrobianos que podem melhorar as características sensoriais do produto, aumentando o seu tempo de conservação com consequente abertura de novos mercados para exportação, e ganhos econômicos extremamente significativos (MATTOSO, 2005, DURÁN et al., 2005; ETC GROUP, 2004).

Nanotecnologia na Indústria de Alimentos

De forma geral, pode-se dizer que o foco da nanotecnologia na agricultura e em alimentos, de certa forma difere das tradicionais aplicações. Em alimentos, por estes serem muitas vezes órgãos vivos e perecíveis, técnicas múltiplas são requeridas e boas práticas não devem ser ignoradas e sim implementadas nos diversos segmentos da cadeia. A Embrapa, por exemplo, já tem pesquisado os revestimentos comestíveis e as embalagens inteligentes que aplicados diretamente a frutos e hortaliças prolongam a vida do produto e garantem a qualidade nutricional.

Embora haja muitas possibilidades de aplicações da nanotecnologia, há ainda limitações naturais de mercado, seja por serem economicamente inviáveis ou por sua complexidade, dificultando a adoção em escala industrial. De qualquer forma, o avanço tecnológico é um fenômeno irreversível e a nanotecnologia aplicada na agroindústria é assumida como uma inovação bem-vinda.

Nanotecnologia no Brasil

No contexto mundial os Estados Unidos são sem dúvida o líder em pesquisa em nanotecnologia. No Brasil, temos uma série de universidades, institutos e grupos de pesquisa atuando em aspectos da nanotecnologia. A Embrapa Instrumentação foi uma das instituições pioneiras em pesquisas de nanotecnologia voltada a agronegócio na América do Sul. Com as atividades iniciadas em 1996, realizou trabalhos iniciais que estabeleceram a base para o desenvolvimento de uma série de sensores, compósitos e filmes finos. A partir de então a unidade de São Carlos tem qualificado e formado pesquisadores na área, contando hoje com um grupo de excelência apto para acompanhar e promover avanços do conhecimento sobre o tema.

A Embrapa Instrumentação obteve resultado inédito na nanotecnologia voltada ao agronegócio ao desenvolver um sistema sensor, conhecido como Língua Eletrônica, pelo qual camadas de macromoléculas produzidas com controle nanométrico, apresentam altíssima área superficial e permitem uma sensibilidade que pode chegar a 1000 ao de uma língua humana. Trabalhos em andamento demonstram o potencial da língua eletrônica na caracterização de cafés, sucos, leite, vinho e água.

A Embrapa Instrumentação também mantém a linhas de pesquisas em sensores de identificação e quantificação de bactérias em água e alimentos; em sensores descartáveis e de baixíssimo custo para quantificação de etileno, identificando no local da colheita o grau de maturação de frutos e no desenvolvimento de filmes comestíveis, ultrafinos e invisíveis, que atuam como embalagens ativas diretamente sobre frutos e legumes minimamente processados, elevando a vida útil, preservando a aparência do produto sem perdas das qualidades nutricionais.

O Laboratório Nacional de Nanotecnologia para o Agronegócio da Embrapa

O Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), através da FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos), apoiou a criação, em São Carlos, do primeiro Laboratório Nacional de Nanotecnologia para o Agronegócio (LNNA), no qual foram investidos recursos de cerca de R$ 8 milhões. O LNNA é um marco na consolidação de uma infraestrutura de equipamentos avançados e dedicados a Nanotecnologia, que tem possibilitado e ainda dará mais condições ao nosso país de avançar e gerar inovações nesta área tão promissora.

Suas principais linhas de pesquisas são o desenvolvimento de sensores e biossensores, aplicados ao controle de qualidade, certificação e rastreabilidade de alimentos; desenvolvimento de novos usos de produtos agrícolas, caracterização e síntese de novos materiais, como polímeros e materiais nanoestruturados com propriedades específicas, filmes finos e superfícies para fabricação de embalagens inteligentes, comestíveis e superfícies ativas; nanopartículas, compósitos e fibras para o desenvolvimento de materiais reforçados, usando produtos naturais, como fibras de sisal, juta, coco e outras para aplicações industriais; nanopartículas orgânicas e inorgânicas para liberação controlada de nutrientes e pesticidas em solos e plantas, de fármacos para uso veterinário; desenvolvimento de metodologias de nanomanipulação e nanocaracterização de materiais; nanobiotecnologia para caracterização de material genético e nanomanipulação gênica; caracterização de materiais de interesse do agronegócio para obtenção de informações inéditas sobrepartículas de solos e plantas, bactérias e patógenos de interesse agrícola.

Máquinas e equipamentos agrícolas

A nanotecnologia presente nos processadores de computadores e de dispositivos miniaturizados pode ser adaptada para uso em tratores, máquinas e implementos agrícolas, assim como em toda a cadeia de processamento de alimentos. A geração de mapas de composição de solo, umidade, temperatura, etc permite não só o plantio adequado, mas também monitorar, em tempo real, a presença de doenças, o nível de nutrientes no solo e definir o período ideal para a colheita, o que reduz perdas e racionaliza a aplicação de insumos. Esses processos já se encontram avançados em escala mundial e a Embrapa tem sido pioneira, com forte atuação no setor.