sábado, 26 de março de 2011

O DNA invade a spintrônica

Por Carlos Alberto dos Santos
Via Ciência Hoje

Vivemos hoje um processo de miniaturização dos dispositivos eletrônicos que teve seu primeiro grande salto no final dos anos 1940, com a invenção do transistor. Pouco mais de uma década depois, houve outra inovação extraordinária nesse processo: a invenção do chip, um aglomerado de transistores conectados para realizar determinadas operações lógicas.

Os chips também evoluíram de forma a comportar um número cada vez maior de transistores em um espaço cada vez menor. Se, na década de 1960, apenas 30 desses dispositivos compunham o chip mais avançado, hoje qualquer computador pessoal tem chip com bilhões de transistores.
Essa trajetória da tecnologia foi prevista em 1965 pelo engenheiro norte-americano Gordon Moore (1929-), um dos fundadores da Intel. Sua previsão ficou conhecida como lei de Moore.

O problema é que essa tendência de aumento quantitativo em um espaço reduzido tem sérias limitações físicas. Por isso, nas últimas duas décadas, cientistas e engenheiros têm participado de uma alucinante corrida em busca de novos materiais e métodos que permitam a continuidade da lei de Moore.

Moléculas de DNA têm a propriedade de filtrar elétrons de acordo com a direção de seu spin, o que pode inserir esses compostos orgânicos na corrida pela miniaturização dos dispositivos eletrônicos. (fotos: Sxc.hu/clix e Pawel Kryj; montagem: CH On-line)
No final dos anos 1980, a descoberta da magnetorresistência gigante (queda significativa da resistência elétrica de estruturas de filmes finos submetidas a um campo magnético externo) deu novo impulso à manutenção da lei de Moore.

A observação desse fenômeno evidenciou a possibilidade de se controlar o spin do elétron, um dos responsáveis pelas propriedades magnéticas da matéria. O spin associa-se às possíveis orientações dessas partículas subatômicas quando imersas em um campo magnético.

Controlar o spin seria uma alternativa ao controle da carga do elétron, usado nos transistores dos chips. Com essa mudança, surgiu a spintrônica, que tem proporcionado grandes avanços na miniaturização dos dispositivos eletrônicos.

O spin é um dos responsáveis pelas propriedades magnéticas da matéria, que estão por trás do desenvolvimento de discos rígidos e outros avanços tecnológicos. 
(foto: Flickr/ Alpha six – CC BY-SA 2.0)
Eletrônica orgânica

Por outro lado, com a expectativa de produzir dispositivos mais rápidos e menores, parte da comunidade científica continuou seguindo uma rota iniciada nos anos 1970: o uso do que se conhece como eletrônica molecular ou eletrônica orgânica. Essa área, como o próprio nome sugere, tem como objetivo fabricar dispositivos eletrônicos com moléculas orgânicas.

Numa dessas tentativas de miniaturizar e melhorar o desempenho dos dispositivos eletrônicos, Ron Naaman e colaboradores, da Universidade de Munster (Alemanha) e do Instituto Weizmann (Israel), descobriram um ponto de contato entre a eletrônica orgânica e a spintrônica.

A característica essencial da spintrônica é a propriedade que alguns materiais magnéticos têm de filtrar elétrons de acordo com a direção do seu spin. Esse tipo de dispositivo foi batizado de válvula de spin. Essa filtragem ocorre por causa da interação do spin do elétron com os ‘momentos magnéticos’ (ímãs microscópicos) existentes no material.

Surpreendentemente, esses pesquisadores observaram que uma camada de moléculas de DNA – um material não magnético – depositada sobre ouro também pode filtrar spins de elétrons.

A ideia inicial deles, conforme trabalho publicado em 2003 no periódico Langmuir, era simplesmente desenvolver um método químico mais eficiente para adsorção de DNA em superfície de ouro, para eventuais aplicações na fabricação de chips ou de sensores.

Mas já em 1999, quando Ron Naaman era professor do Instituto Weizmann, ele e seus colegas da mesma instituição observaram que um tipo de moléculas, conhecidas como quirais, depositadas sobre ouro deixavam passar mais elétrons com spin em um sentido do que elétrons com spin no sentido contrário.

Como a molécula de DNA é quiral, os pesquisadores devem ter se questionado: isso também não aconteceria com DNA depositado sobre ouro? E não deu outra. Eles observaram que, ao lançar sobre a camada de DNA um feixe de elétrons não polarizados (com spins em todas as direções e sentidos), 60% desse feixe saem polarizados, com o spin apontando no sentido contrário ao movimento do elétron.

Para fazer essa observação, eles usaram um procedimento simples: jogaram um feixe de laser sobre o filme. O feixe atravessa o filme de DNA e incide sobre a superfície do ouro. Devido ao efeito fotoelétrico, esse feixe provoca a liberação de elétrons da superfície do ouro. Esses elétrons emergentes do ouro, não polarizados, atravessam o filme de DNA, que faz então a filtragem.

O poder da quiralidade

Mas por que a molécula de DNA tem essa característica? Ninguém sabe, mas parece que a chave do mistério é a quiralidade.

Trata-se de uma propriedade muito antiga, descoberta pelo cientista francês Louis Pasteur (1822-1895) por volta de 1848. Para apreciar como ela se manifesta, tente colocar sua mão direita numa luva de mão esquerda. Você sabe que não vai dar certo. Isso significa que nossa mão é um objeto quiral, ou seja, um objeto que existe em duas formas que não podem ser superpostas e uma é a imagem da outra no espelho.


Assim como ocorre com as nossas mãos, há moléculas que existem em duas formas diferentes que não podem ser superpostas. Essa propriedade é conhecida como quiralidade. (foto: Nasa)

Os resultados obtidos pela equipe de alemães e israelenses estão carregados de indicativos empíricos potencialmente úteis para o entendimento do fenômeno, mas ninguém chegou a formular algo parecido com uma teoria.
Um desses indicativos é que o efeito de filtragem é diretamente proporcional ao tamanho das fitas de DNA e à densidade de moléculas no filme. A influência da densidade sugere que o fenômeno resulta da interação do elétron com o conjunto das moléculas, e não com uma molécula individual. O mesmo ocorre com muitos outros fenômenos da física, que resultam de interações coletivas. Quem sabe aí não esteja um caminho para uma teoria?

Independentemente de qualquer explicação ou teoria que possa surgir como resultado de novos experimentos, o que chama a atenção é a proporção de elétrons polarizados, 60% (!), um valor tão alto que já tem gente pensando no desenvolvimento de dispositivos spintrônicos do tipo válvula de spin.

Seja qual for o próximo passo nessa eterna corrida em busca da miniaturização dos dispositivos eletrônicos, não se pode negar que o DNA entrou definitivamente no páreo.

*Carlos Alberto dos Santos é físico e Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação Universidade Federal da Integração Latino-americana (Unila)

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