Resumo executivo
- A nanotecnologia é um dos campos de pesquisa mais ativos e transversais da ciência moderna. O CAS indexou cerca de 3 milhões de periódicos, patentes, preprints e anais de conferências publicados desde 2003 contendo tópicos em nanoescala, com aplicações que abrangem administração de medicamentos, diagnósticos, energia, remediação ambiental e eletrônica.
- O comportamento único dos materiais em nanoescala, incluindo proporções muito altas de superfície por volume e propriedades ajustáveis de condutividade, ópticas e catalíticas, permite que pesquisadores projetem partículas para funções específicas ajustando tamanho, forma e composição.
- As áreas de aplicação de crescimento mais rápido incluem nanogeradores que captam energia para sensores vestíveis, catálise para redução e captura de CO2, vacinas baseadas em nanopartículas usando lipossomas e outros transportadores, nanoenzimas que imitam enzimas naturais e biotintas contendo nanopartículas para bioimpressão 3D de tecidos e órgãos.
- Entre os materiais emergentes, os MXenes (compostos inorgânicos 2D adequados para baterias e catálise), estruturas orgânicas covalentes (catalisadores poliméricos porosos), nanovesículas para administração de medicamentos e imagens, nanopartículas de lignina para transporte de medicamentos e biocarvão para purificação de água estão apresentando um crescimento notável na produção de pesquisas.
Inovações em nanotecnologia e ciência dos materiais
A nanociência, o estudo de materiais e fenômenos na escala nanométrica, é uma disciplina emergente na interseção da física, química, biologia e engenharia que tem implicações profundas em muitos setores. As nanopartículas, aquelas que estão entre 1-100 nm, estão impulsionando a pesquisa neste campo. Seus usos potenciais são tão variados que pode ser difícil ver onde os esforços de pesquisa devem ser focados ou em qual campo o próximo avanço pode acontecer.
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Da administração de medicamentos à remediação ambiental, as possíveis aplicações de nanomateriais parecem infinitas. Essa amplitude apresenta desafios para pesquisadores que buscam entender as descobertas mais relevantes e as novas direções importantes. Para revelar as tendências mais significativas na pesquisa em nanotecnologia, aplicamos uma combinação inovadora de processamento de linguagem natural (PLN) e extensa curadoria manual por especialistas no assunto ao CAS Content CollectionTM, o maior repositório de publicações científicas com curadoria humana.
Isso nos permitiu desenvolver visualizações exclusivas, chamadas CAS TrendScapeTM, de tendências e tópicos de pesquisa em nanotecnologia. Com uma compreensão mais profunda de como a nanotecnologia está evoluindo, os pesquisadores podem concentrar seus esforços, aprender com seus colegas e encontrar sua próxima inovação mais rapidamente.
As vantagens dos nanomateriais
Na nanoescala, os materiais exibem propriedades e comportamentos únicos que são distintos de suas contrapartes em massa ou macroescala. Os pesquisadores podem adaptar suas principais propriedades variando tamanho, forma e composição para atingir funções específicas ou torná-los adequados para aplicações em eletrônica, medicina, energia e remediação ambiental.
Por exemplo, a alta proporção de superfície por volume dos nanomateriais aumenta a atividade catalítica, a capacidade de armazenamento de carga e a capacidade de armazenamento de íons, que são importantes em aplicações de conversão e armazenamento de energia. Ao desenvolver nanomateriais, os pesquisadores podem especificar sua condutividade, atividade catalítica, propriedades ópticas, ponto de fusão, band gap e muito mais. A capacidade de personalizar propriedades, combinada com seu tamanho reduzido, torna os nanomateriais valiosos para aplicações biomédicas como administração de medicamentos e sensores.
CAS TrendScape de nanomateriais
Devido às suas inúmeras aplicações possíveis, o volume de publicações de pesquisa relacionadas a nanomateriais é vasto — nossa análise identificou 3 milhões de periódicos, patentes, preprints e anais de conferências publicados desde 2003 que abordam tópicos em nanoescala. Diante desse volume, uma análise manual para identificar tendências seria uma tarefa árdua. Em vez disso, utilizamos a análise de PNL para identificar de forma mais rápida e eficiente os conceitos que apresentam crescimento significativo na literatura e visualizá-los nos mapas CAS TrendScape.
O CAS TrendScape é uma ferramenta útil que oferece aos leitores uma visão panorâmica do vasto cenário de um determinado campo — neste caso, a nanociência. Ao organizar grandes quantidades de informações em uma hierarquia estruturada, ele fornece uma visão geral visual de fácil leitura sobre a área.
Para desenvolver esses mapas, nosso primeiro passo foi simplificar a análise de palavras-chave reduzindo as variações das palavras (pense em "dançar", "dança" e "dançado", que são palavras diferentes, mas transmitem o mesmo conceito). Em seguida, utilizamos técnicas de pré-processamento de texto de stemming e lematização no Natural Language Toolkit (NLTK) em todas as sequências de palavras, conhecidas como n-grams, contendo de duas a seis palavras extraídas do resumo e do título de todos os documentos. Além disso, consideramos apenas frases encontradas em mais de 100 documentos.
Esse processo reduziu o campo para pouco mais de 300.000 frases candidatas. A partir daí, determinamos o número de documentos em que cada frase apareceu anualmente e calculamos a taxa de crescimento anual de publicações para cada uma. Uma alta taxa de crescimento de publicações geralmente indica que um tópico está ganhando interesse ou investimento.
Nossa equipe de cientistas concentrou-se nas 20.000 frases com as maiores taxas de publicação, calculadas com base na média de 2020-2022, para uma avaliação manual aprofundada. Dessa forma, conseguimos analisar uma grande quantidade de informações e filtrar milhões de documentos para obter um panorama claro das áreas de pesquisa mais ativas. O resultado é a visualização CAS TrendScape dos tópicos com os respectivos números de publicações (veja as Figuras 1, 2 e 4).
Aplicações inovadoras da nanotecnologia
Nossa análise revelou várias aplicações importantes que se destacam pelo seu crescimento relativo e volume de publicações nos últimos anos (veja a Figura 2).
Um exemplo são os nanogeradores, que geram energia elétrica a partir do movimento por meio da separação de cargas que ocorre quando duas superfícies interagem ou através de deformação. Sua frequência crescente na literatura parece ser impulsionada pela capacidade de alimentar dispositivos vestíveis, como sensores.
Também observamos nanomateriais sendo estudados no contexto da catálise para reduzir CO2 a produtos químicos úteis ou para capturá-lo e armazená-lo. A redução de CO2 é realizada por meio de processos eletrocatalíticos, fotocatalíticos e de catálise térmica heterogênea.
As ciências da vida e as aplicações biomédicas também impulsionaram um crescimento significativo na nanotecnologia, notadamente em vacinas, nanoenzimas e bio-tintas. As vacinas baseadas em nanopartículas são uma área emergente de pesquisa que utiliza lipossomas, nanogéis, micelas e outras nanopartículas como veículos de entrega para antígenos e adjuvantes. As nanovacinas também podem ser valiosas como formulações imunoterapêuticas contra o câncer.
As nanoenzimas são nanoestruturas sintéticas que imitam enzimas naturais, mas sua estabilidade, propriedades catalíticas ajustáveis e capacidades de produção em larga escala oferecem vantagens sobre suas contrapartes naturais. Bio-tintas contendo nanopartículas podem ser usadas na bioimpressão 3D — uma gama empolgante de aplicações que inclui a construção de suportes para cultura de células e a impressão 3D de órgãos. Esses casos de uso demonstram o imenso potencial das nanopartículas na biomedicina.
Para visualizar melhor o interesse nessas aplicações, nós as plotamos com base em suas taxas de crescimento desde 2019 (veja a Figura 3). Os conceitos de crescimento mais rápido encontram-se na seção superior esquerda — eles são mencionados em menos publicações, mas apresentam uma alta taxa de crescimento. A lacuna entre o número relativamente baixo de publicações e o aumento aparentemente repentino e rápido nas publicações pode ser um indicativo de emergência. Conceitos mais maduros com taxas de crescimento menores estão na parte inferior direita.
Materiais críticos em nanotecnologia
Ao examinarmos o ramo de Materiais do CAS TrendScape com mais detalhes, vários conceitos-chave emergem (veja a Figura 4).
Os MXenes são materiais inorgânicos 2D que despertam interesse crescente devido aos seus usos em eletrocatálise, fotocatálise e baterias. Eles são bem adequados a essas aplicações devido à sua alta área superficial, condutividade elétrica e capacidade de serem combinados com outros materiais em nanoescala, como nanotubos de carbono.
Também observamos as estruturas orgânicas covalentes (COFs) como materiais emergentes na nanotecnologia. As COFs são redes poliméricas porosas 2D e 3D feitas de um ou mais monômeros ligados covalentemente que atuam como catalisadores. Como os catalisadores são uma aplicação fundamental da nanotecnologia, faz sentido que as COFs apresentem um crescimento complementar neste campo.
No campo das aplicações biomédicas, observamos o surgimento de diversos materiais na literatura. Nanovesículas compostas por lipídios, polímeros, proteínas ou uma combinação deles são uma área de pesquisa ativa para a entrega de agentes terapêuticos ou de contraste para exames de imagem.
Dois materiais naturais usados em nanopartículas também estão ganhando destaque. O primeiro é a lignina, um polímero orgânico complexo encontrado em células vegetais que fornece suporte estrutural e rigidez. Nanopartículas de lignina podem ser usadas como veículos de entrega de fármacos ao encapsular ingredientes farmacêuticos.
O segundo material natural é o biocarvão, produzido por meio da pirólise de biomassa. Sua aplicação mais proeminente é na remoção de poluentes da água, incluindo metais pesados e compostos orgânicos. A capacidade de adsorção do biocarvão pode ser aprimorada por meio de modificações com metais ou outros produtos químicos.
Semelhante à nossa análise de aplicações, plotamos os materiais com base em suas taxas de crescimento para visualizar novos tópicos com alto crescimento e tópicos mais maduros (veja a Figura 5).
Encontrando as informações que importam
O futuro da pesquisa em nanomateriais é extremamente promissor, e fica claro que aplicações que vão da energia à medicina podem se beneficiar de avanços na nanotecnologia. No entanto, o volume e a diversidade da pesquisa em ciência dos materiais também demonstram por que a tecnologia combinada com a experiência humana é necessária para identificar tendências e ideias emergentes de forma eficaz.
Utilizar PNL e curadoria humana em conjunto é mais eficiente e fornece respostas mais relevantes do que qualquer um dos métodos isoladamente. Em um campo tão variado quanto a nanotecnologia, a capacidade de filtrar o ruído e analisar milhões de documentos é fundamental. A próxima aplicação ou material inovador está escondido no cenário de pesquisa emergente, e o CAS trabalha diariamente com inovadores para aplicar conhecimentos de gestão e a tecnologia mais recente para revelá-los.
Para mais informações, consulte o artigo da ACS OMEGA, "Nanoscience in Action: Unveiling Emerging Trends in Materials and Applications," e o artigo da ACS Applied Nano Materials, "Nanoscale Materials in Biomedical Applications of Sensors: Insights from a Comprehensive Landscape Analysis."
