Departamento Química - UFSC

Nem sólidos, nem líquidos:

Cristais Líquidos

Estão nos mostradores da calculadora, do relógio digital e do forno de micro-ondas; no monitor do laptop, e, mais recentemente, no televisor de tela plana. Os cristais líquidos também estão entre as linhas de pesquisa do nosso departamento de química. O que são, como são formados e que propriedades possuem?

O que são os Cristais Líquidos?
O Cristal Líquido é um estado da matéria intermediário entre o estado sólido e o líquido: um estado mesomórfico (do Grego mesos morphe: entre dois estados). O nome dado à molécula que origina uma mesofase é Mesógenos. Um líquido é isotrópico: qualquer propriedade física verificada independe da direção da medida. Um sólido, por outro lado, possui planos de simetria, é anisotrópico. O cristal líquido também pode ser definido como sendo um líquido 'orientacionalmente ordenado' ou um sólido 'posicionalmente desordenado', combinando a anisotropia ótica e elétrica do estado sólido com a fluidez e mobilidade molecular do estado líquido.

Como são formados?
Os cristais líquidos orgânicos são conhecidos desde o século passado, e eles podem ser divididos em duas grandes famílias, de acordo com a maneira que são formados: os Termotrópicos ( pode ser alcançado pelo aquecimento de um sólido cristalino ou resfriamento de um líquido isotrópico; depende da temperatura) . e os Liotrópicos (pode ser alcançado ao dissolver um surfactante em um solvente, geralmente água; depende da concentração)· Em materiais mesomórficos, as forças intermoleculares responsáveis pelo arranjo molecular são essencialmente as mesmas que operam nos sólidos moleculares. No entanto, somente certas moléculas mostram comportamento líquido cristalino.
Em geral, os requerimentos moleculares para um cristal líquido podem ser resumidos como:
> As moléculas necessitam ser estruturalmente anisotrópicas
> Precisam possuir, na maioria dos casos, dipolos permanentes
> Serem polarizadas anisotrópicamente

Que propriedades possuem?
A maneira como é feita a organização espacial do cristal líquido reflete a estrutura de sua mesofase. A caracterização das mesofases formadas pelos materiais cristais líquidos podem ser verificadas ou observadas por diferentes métodos; o método clássico mais utilizado é a observação das texturas mostrada pelas mesofase, por meio de um microscópio de luz polarizada equipado com uma unidade de aquecimento. Cada mesofase exibe uma ou várias texturas características; seu estudo é realizado pela observação de vários ciclos de aquecimento e resfriamento, e em casos favoráveis é possível a caracterização da fase sem ambigüidade. Embora, o método seja simples, em muitos casos é insuficiente e é necessário usar outras técnicas, como difração de raios-X da mesofase, testes de miscibilidade, etc. Métodos calorimétricos tem sido usados para a determinação de variáveis térmicas e termodinâmicas envolvidas nas transições de fase, mas são de pequena utilidade na identificação da mesofase. De modo geral, uma combinação dos vários métodos disponíveis permite uma identificação segura da mesofase.

DISPLAYS: uma das maiores aplicações dos cristais líquidos são os displays (LCD), encontrados em calculadoras, relógios, monitores, etc. Neste caso, a organização da mesofase pode mudar em função de um potencial elétrico aplicado. E, então, a quantidade de luz que pode passar pelo cristal líquido está relacionada com a ddp aplicada (ver figura).

GRUPO DA UFSC PESQUISA CRISTAIS LÍQUIDOS:

O grupo coordenado pelo prof. Hugo Gallardo, do departamento de Química, atua na área de cristais líquidos. Seu trabalho envolve a síntese e caracterização de compostos que apresentam mesofases, e o estudo de suas propriedades físico-químicas.

SUPER-HERÓIS SINTÉTICOS
vs. SUPERBUGS

O grande vilão da humanidade bem poderia ser alguém como o grandalhão Godzilla ou, quem sabe, algum alienígena remanescente do filme Men in Black. Porém, para a medicina, o supervilão que ameaça a humanidade é muito menor que o ponto no final desta linha. São formas de vida minúsculas que, nos últimos anos, estão ficando cada vez mais poderosas e resitentes a tudo o que a medicina tem para oferecer.

Os vilãos que realmente ameaçam nossa sobrevivência são as inúmeras espécies de bactérias microscópicas que cohabitam não somente nossa vizinhança, mas também nossos corpos. Na maioria dos casos, as bactérias são inofensivas e, algumas vezes, até mesmo benéficas. Mas, as vezes, especialmente quando o sistema imunológico de nosso organismo está debilitado, as bactérias podem crescer e se multiplicar, saindo de controle, e causar uma infecção. A maioria de nós, então, sabe exatamente o que fazer: tomar um antibiótico! Certo?... Bem, nem tanto. Ninguém pode duvidar do poder e benefício trazido pelos antibióticos, desde que eles vieram ao mercado, em 1940. Mas os médicos alertam: as bactérias estão se tornando resistentes aos antibióticos conhecidos. Nos hospitais, uma variação do Staphylococcus (MRSA) ronda os corredores e salas cirúrgicas. Esta bactéria é imunde a praticamente todos os antibióticos disponíveis! Como escapar, então, destes novos "SuperBugs?". Os médicos descobriram que podiam, ainda, vencer estas bactérias com uma droga chamada vancomicina. Mas algumas internações hospitalares chamaram a atenção:
Em 1997, ocorreram 3 infecções (uma no Japão e duas nos EUA) de MRSA que eram resistentes mesmo a vancomicina. Estas bactérias eram, na verdade, resistentes aos mais de 100 tipos de antibióticos testados. Está na hora dos SUPERQUÍMICOS entrarem em ação!

vancomicina e penicilina

Um químico sabe que o mecanismo de ação das drogas e as maneiras de melhorar seus efeitos jazem em sua estrutura química. A estrutura da vancomicina é complexa e tem intrigado os químicos desde a sua elucidação, em 1977. A droga é constituida por um esqueleto de 7 amino ácidos (os tijolos das proteínas) inteligados por cadeias laterais. No topo da molécula estão dois acúcares parentes da glucose.

Sabão com bactericida (Protex) - diga não!

Sabonetes com antibióticos podem contribuir para aumentar a resistência das bactérias - é o que disseram McMurry e Levy, pesquisadores da Tufts University Medical School em Boston, em um artigo da revista Nature (Aug 6 1998). Sua pesquisa mostrou que o triclosan, um dos principais antibióticos usados em sabonetes bactericidas (vide estrutura), contribui para o crescimento do colônias resistentes. Seus resultados mostram que triclosan tem um sítio de ação definido e que bactérias mutantes podem aparecer. Isto auxilia no surgimento de bactérias imunes aos antibióticos terapêuticos. "People think they are sterilizing the world by using these products and, in fact, they are potentially changing it,” disse Dr. Stuart Levy, um dos autores. “They really are over-the-counter antibiotics.” Existem evidências fortes de que a população mundial vem usando antibióticos desnecessariamente. Os órgãos de saúde já vêm alertando sobre o problema há muito tempo.

Como contém tanto aminoácidos (peptídeos) e acúcar a vancomicina é classificada como um glicopeptídeo. A questão que intriga os químicos é: como esta droga age no organismo? Um bom ponto de partida é saber que, para um antibiótico ser válido, deve interagir somente com a parede celular da bactéria, e ser inerte às células humanas. As paredes celulares de bactérias são formadas pelos mesmos componentes que constituem a vancomicina: amino ácidos e açucares. Entretanto, estas paredes tem uma arquitetura diferente: são os acúcares que estão interligados em longas cadeias com amino ácidos "pendurados". Além disso, os peptídeos de uma determinada cadeia estão interligados com os peptídeos da cadeia vizinha. Desta forma, as camadas de cadeias de açúcares estão ligadas entre si. Toda esta "interconectividade" é que garante às paredes celulares de bactérias uma propriedade especial: rigidez. Uma forte parede celular atua como uma barreira entre a célula da bactéria e as vizinhanças aquosas. Sem esta barreira, a célula iria absover muita água e a bactéria acabaria morrendo. A vancomicina é, portanto, o "alfinete" que estoura esta "bolha". A molécula pode se ligar, devido a sua semelhança estrutural com os amino ácidos "pendurados", nas cadeias de açúcares. A vancomicina reconhece dois amino ácidos presentes nos peptídeos da bactéria - duas formas da alanina. O esqueleto da vancomicina pode formar até 5 fortes pontes de hidrogênio com os peptídeos.

Estas cadeias, então, perdem a habilidade de se ligar a outras cadeias via interligação peptídica. Isto é suficiente para tornar a parede celular menos rígida e espalhar o desastre para as bactérias!

Bactérias Resistentes

Uma bactéria pode adquirir resistência a um determinado antibiótico por várias maneiras. Tais como a mutação genética que, no caso das bactérias, ocorre com muita frequência. Algumas vezes a mutação pode levar, espontaneamente, a uma bactéria que resiste a droga aplicada. As outras bactérias podem, também, adquirir esta resitência através da troca de genes com as bactérias resitentes. Na verdade, a troca de genes entre bactérias é tão comum, que poderia se olhar a colônia de bactérias como sendo um único organismo multicelular. Quando um antibiótico ataca um grupo de bactérias, as células suscetíveis irão morrer. Algumas células, entretanto, irão sobreviver e, na ausência de competidores, irão se proliferar. Um nova colônia, então, é formada - de bactérias resistentes.

Bem, isto é o que acontece com as bactérias "normais". A mágica inicia quando se pensa sobre os "SUPERBUGS". Estas bactérias possuem, no lugar dos grupos alanina-alanina, grupos alanina-lactato. A vancomicina, portanto, não é capaz de ligar-se a este sítio, não apresentando nenhum perigo para a bactéria.
Três químicos (Evans, Nicolau e Boger) chegaram, independentemente, a uma série de reações que permitia se chegar a vancomicina (sem os dois grupos açúcares) a partir dos materiais elementares (i.e., amino ácidos). Nicolaou publicou a síntese da molécula inteira. Jonathan Ellman e seu grupo usaram as ferramentas da química orgânica sintética para melhorar a vancomicina: utilizando uma técnica chamada "Química Combinacional" eles encontraram qual seria o grupo necessário na vancomicina para que esta interagisse com os Superbugs. O resultado foi que cerca de 40.000 novos tipos de vancomicina poderiam ser capazes de se ligar aos superbugs. O grupo de Ellman, então, partiu para testes químicos: eles prepararam cadeias com cada um dos análogos da nova droga. Em um frasco com água, eles adicionaram todas as "vancomicinas" e também moléculas de alanina-lactato, ligadas a uma sonda fluorescente. Somente alguns protótipos de vancomicina apresentaram fluorescência, i.e., ligaram-se às moléculas alanina-lactato. Estes são exatamente as vancomicinas capazes de derrotar o superbug! Seus resultados ainda não chegaram ao mercado, mas indicam que há, sim, uma maneira de combater os superbugs! Daniel Kahne da Princeton University diz que "The scientis are progressing towards better and better drugs that can hopefully keep infections at bay". Resumindo, talvez novos superbugs apareçam, mas sempre haverá químicos que podem lutar contra estes e salvar a humanidade da terrível ameaça dos Supervilões!

qmcweb://polêmica
No exemplar 7, QMCWEB publicou um artigo do prof. Pinheiro, sob o título: "Matéria não pode ser convertida em Energia". Vários e-mails chegaram até a redação discordando da posição do prof. Pinheiro. Na última semana, um raivoso estudante do curso de física da unesp, após enviar uma série de e-mails, veio até aqui pessoalmente, com um artigo (Pode energia virar matéria? Sim!!!) nas mãos.
Os argumentos que tal aluno utilizou para comprovar sua tese que matéria pudesse "virar" energia são exatamente os mesmos que o prof. Pinheiro usou para sua antítese. O que há de errado, então, nisto tudo? Como conclusões completamente diferentes brotam de argumentos idênticos? Após uma cuidadosa análise, QMCWEB encontrou a raiz problema: não é física, química ou matemática - mas língua portuguesa!

"Pergunta: Pode a MATÉRIA ser convertida em ENERGIA?
Resposta: NÃO!" Este é o título do artigo no Journal of Chemical Education (Bauman, R. P., J. Chem. Ed., 1966, 43, 366). Este artigo chama a atenção sobre o erro cometido por muitos livros que afirmam que Matéria e Energia são interconversíveis. Mais recentemente (1999), no livro "The Elegant Universe", o autor Brian Greene (um físico), na pagina 145, tem uma frase que ilustra o engano: "Now, from special relativity we know that energy and mass are two sides of the same coin: GREATER energy means GREATER mass, and vice-versa". Isto nao é CONVERSÃO, ou é?

O professor James Rees , um físico da Universidade do Texas, também preocupa-se em desmistificar o engano que a equação E=mc² pode induzir: MATÉRIA não pode ser convertida em energia: "In E=mc², rest-mass energy and momentum energy are interchangeable, not matter and energy. Both energy and matter are permanent".
Está claro, portanto, que a confusão principal foi a linguística. Matéria, tal como publicou o QMCWEB, não pode ser convertida em Energia. E este era o principal tema do artigo do prof. Pinheiro. Vale lembrar que massa e MATÉRIA são termos com diferentes significados. E, como disse Einstein, "Mass is just a form of Energy".

Um dos objetivos do QMCWEB é promover a discussão e o debate científico entre seus leitores. Juntamente com outros, este objetivo tem sido alcançado. Participe dos debates promovidos pelo QMCWEB!

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