Com o desenvolvimento da tecnologia da informação, as pessoas estão trocando informações cada vez com mais frequência. Neste contexto, a questão da segurança da informação tem recebido mais atenção do que nunca, e grandes esforços têm sido feitos para explorar novas tecnologias de criptografia para aumentar a segurança da informação. 

Entre os métodos técnicos, a criptografia holográfica óptica tornou-se um dos tópicos de pesquisa mais importantes da tecnologia moderna de criptografia devido às suas características técnicas únicas. Nela, as informações podem ser ocultadas em uma variedade de parâmetros, como fase, frequência espacial, polarização ou comprimento de onda, o que a confere uma excelente capacidade de codificação e design de flexível.

Enquanto isso, os cristais líquidos (LCs - liquid crystals) também têm sido amplamente utilizados em modulações espaciais de luz devido às características ópticas únicas de controle de polarização e sensibilidade à resposta a estímulos externos. Assim, as meta-superfícies integradas ao cristal líquido também podem funcionar como candidatas à criptografia de informações, que podem ser implementadas alterando as tensões aplicadas ou à temperatura ambiente.

Inspirado no Tiger Amulet (Amuleto de Tigre - tradução literal), uma ferramenta em forma de tigre emitida para generais na China antiga, os autores propuseram um método de criptografia de alta segurança baseado em um holograma de cristal líquido “quatro em um” para resolver alguns problemas de segurança que alguns métodos atuais enfrentam.

Figura 1: Em (a) tem-se a inspiração do Tiger Amulet, em (b) tem-se a ilustração esquemática do resultado da reconstrução quando quatro pequenos hologramas são colocados no caminho óptico para trabalhar separadamente e em (c) tem-se a ilustração esquemática do resultado da reconstrução quando quatro pequenos hologramas são unidos da forma correta. Fonte: (Huang et al. 2023).

A ideia básica de como o Tiger Amulet funciona é que um amuleto do mesmo grupo (ou seja, equivalente) pode ser combinado para formar um padrão completo e desempenhar o papel de transmitir ordens. O método proposto pelos autores funciona em uma lógica semelhante: a imagem criptografada mais importante só pode ser exibida quando os quatro hologramas de cristal líquido no mesmo grupo são unidos em um todo de acordo com a ordem projetada. Quando juntados na ordem errada ou colocados num outro caminho óptico, as informações de camuflagem (ou seja, falsas) seriam decodificadas, ao invés das informações reais. 

Com muitas vantagens, como grande área de fabricação e baixo custo, o cristal líquido foi escolhido como material perfeito para implementar o novo método de criptografia proposto pelos autores. Além disso, ao aplicar tensões externas, os ângulos de orientação fora do plano variam, levando a uma eficiência holográfica diferente e a condições de descriptografia mais exigentes. 

Segundo os autores, a imagem criptografada é ocultada quando os quatro pequenos hologramas funcionam separadamente no caminho óptico. Mas quando eles são combinados corretamente, a imagem criptografada pode ser decodificada e exibida. 

Isso quebra a propriedade de que qualquer parte do holograma tradicional contém informações de ondas de luz de objetos inteiros. Portanto, mesmo que um único holograma pequeno seja roubado, por exemplo, as informações criptografadas não podem ser recuperadas e apenas as informações erradas como camuflagem seriam decodificadas, o que aumenta a segurança das informações. 

Figura 2: Resultados experimentais do holograma de cristal líquido “quatro em um” em diferentes ordens. Em (a) tem-se a imagem holográfica de quatro hologramas projetados na ordem correta e em (b) tem-se a imagem holográfica de quatro hologramas projetados em conjunto na ordem errada. Fonte: (Huang et al. 2023).

Como podemos ver, o método dos autores fornece um esquema de criptografia com design simples, alta segurança e baixa interferência, que apresenta grande potencial nas áreas de ocultação de informações e criptografia de imagens. Podemos não ver tão nitidamente em nosso dia a dia, mas a segurança de informação está presente em cada setor, incluindo fortemente o industrial.

Superfícies superhidrofóbicas bioinspiradas têm um ângulo de contato de gota de água estático e dependem de uma combinação de materiais de baixa energia de superfície e designs de textura da superfície para alcançar certas propriedades. 

Tais superfícies possuem uma ampla gama de aplicações possíveis. Por exemplo, materiais superhidrofóbicos (incluindo revestimentos, tecidos e componentes a granel) com boa resistência à abrasão, resistência química e resistência ao impacto (por exemplo, impactos por partículas sólidas e/ou gotas/jatos de água) foram estudados anteriormente. Um dos principais desafios é a fragilidade mecânica das asperezas, que fazem parte da textura da superfície, e a resistência ao empalamento por meniscos líquidos dinâmicos (por exemplo, aqueles que aparecem durante o impacto de líquidos nas superfícies).

Os autores apresentaram uma nova abordagem para preparar nanocompósitos superhidrofóbicos porosos e volumosos com uma estrutura nanoporosa na superfície, conectada a poros em microescala no interior. Foram usadas esponjas de poliuretano (PU) como moldes para impregnação controlada de partículas de  politetrafluoretileno reforçado com nanotubos de carbono. Essa mistura foi dispersa em etanol para impregnar a esponja de PU seguida de sinterização.

É importante ressaltar que os autores formaram uma camada excessiva de mistura da mistura no modelo de esponja para obter nanoporosidade superficial. Após impregnação e secagem, a esponja de PU foi removida por degradação térmica. Os nanocompósitos e nanoporosos resultantes apresentavam canais em nanoescala na superfície e microporosidade no volume (com variações associadas na rigidez mecânica).

Figura 1: Etapas de fabricação dos nanocompósitos superhidrofóbicos porosos, com uma estrutura hierárquica apresentando poros finos na superfície conectados a microcanais/poros no interior. Fonte: (Wu et al. 2023).

A resistência ao impacto dinâmico e ao empalamento por gotas e jatos de água é essencial para superfícies superhidrofóbicas para atender a uma variedade de aplicações. Por exemplo, durante tempestades ou furacões, os componentes da infraestrutura devem resistir ao impacto de quedas d'água em alta velocidade.

Os canais em nanoescala na superfície, bem como a estrutura porosa dentro do nanocompósito, permitiram que eles resistissem a jatos de água com velocidades de até 85,4m/s (ou seja, bem dentro dos limites de velocidade de furacão de categoria 5).

Em aplicações como condensadores de vapor ou gerenciamento térmico, o material experimenta altas temperaturas. No entanto, agentes de acoplamento de silano ou alguns polímeros normalmente usados na fabricação de superfícies superhidrofóbicas são suscetíveis a se degradarem termicamente.

Com seus ingredientes racionalmente selecionados, os nanocompósitos desenvolvidos também podem manter a superhidrofobicidade após serem aquecidos a 400ºC, imersos em água fervente por 180 minutos ou expostos a uma chama de álcool. A colisão de partículas é inevitável em aplicações da vida real, como infraestrutura externa ou sistemas de transporte. O impacto de partículas pode alterar a topografia da superfície e, muitas vezes, a química da superfície.

Além disso, os nanocompósitos, com uma microestrutura hierarquicamente porosa e reforçada com nanotubos de carbono, apresentaram excelente resistência à abrasão mecânica de longa distância, imersão de longo prazo em meios altamente corrosivos, como água régia e solução de hidróxido de sódio, ou exposição a UV.

Os autores afirmam também que as superfícies eram gelofóbicas (onde não há adesão ao gelo) e sua gelofobicidade poderia ser aumentada impregnando-as com uma mistura de polidimetilsiloxano e óleo de silicone. Em resumo, os autores introduziram uma nova abordagem de modelo para a fabricação de nanocompósitos superhidrofóbicos com robustez mecanoquímica adequada para uma diversidade de condições extremas. 

Esses nanocompósitos podem servir aplicações em campos industriais severos ou sob condições climáticas adversas, que até agora se mostraram indescritíveis para materiais superhidrofóbicos. O que os tornam materiais interessantes para aplicações em áreas de condições extremas e apresentam propriedades que possam garantir a resistência de estruturas em adversidades. 

A queratina é um polímero biológico que compreende a maior parte dos apêndices epidérmicos de mamíferos, aves e répteis, incluindo unhas, cabelos, a camada externa da pele, penas, bicos, chifres, cascos, barbatanas de baleia, garras, escamas, lodo de peixe-bruxa e lagartixa almofadas. 

Além disso, a queratina possui propriedades intrínsecas desejáveis (biocompatibilidade, resposta à hidratação, rigidez, força e outros atributos). Como um material prontamente disponível e renovável, tem sido utilizado como matéria-prima em compósitos reforçados com fibras. 

Os materiais à base de queratina são frequentemente utilizados na natureza como componentes estruturais de suporte de carga que fornecem proteção e resistem a altas forças de impacto. Os sistemas queratinosos apresentam um desempenho admirável sob tais demandas mecânicas diversas, mesmo em comparação com alguns dos materiais de engenharia mais avançados.

Em resumo, pesquisas sobre o tecido queratinoso mecânico se concentram em várias características: túbulos (como encontrados no casco, chifre e barbatanas), estruturas lamelares (encontradas em todos os materiais queratinosos) e geometria em macroescala (como curvatura de cascos ou formato do chifre). 

Quando materiais compósitos incorporam túbulos ou lamelas, eles encontram uma resistência à fratura melhorada devido a interações de rachaduras nas interfaces dessas estruturas. Da mesma forma, as geometrias em escala macro são vias de inspiração práticas, mas amplamente inexploradas, para funções específicas, como impulsores ou pára-choques.

Quanto ao isolamento térmico, os sistemas queratinosos podem ser considerados um dos melhores isolantes da natureza em virtude de suas estruturas elaboradas que retêm o ar. Muitas fibras sintéticas produzidas são mais resistentes à transferência de calor, porém, com o sistema de aprisionamento do ar, os sistemas queratinosos naturais ainda são alguns dos isolantes térmicos mais excelentes. 

Como resultado, os pesquisadores tentaram recriar as configurações desses isoladores naturais em materiais de engenharia para aproveitar suas capacidades térmicas desejáveis. No que se refere a estruturas leves, o artigo traz que em aplicações de engenharia, as estruturas sanduíche são usadas por sua capacidade ultraleve de absorção de energia e resistência mecânica comparável em relação aos materiais a granel. 

As estruturas do tipo sanduíche podem ser adaptadas controlando as propriedades da face, do núcleo e sua geometria. Não se limitam apenas aos materiais de engenharia e são encontradas em abundância em sistemas baseados em queratina, incluindo bicos, penas, espinhos, barbatanas e espinhos. 

Além das excelentes propriedades mecânicas, leves e térmicas das penas das aves, esses materiais queratinosos também são conhecidos por exibir uma ampla diversidade de cores. Essa propriedade se deve em parte à coloração estrutural, que surge das interações da luz com uma matriz submicrônica de morfologias variadas que incluem estruturas multicamadas (como visto na mancha iridescente da garganta do beija-flor) ou cristais fotônicos bidimensionais (como visto em penas de pavão e pato selvagem).

A presença de pigmentos contribui para a coloração mais vibrante devido aos seus altos índices de refração e ampla absorção abrangendo a faixa UV-visível. A cor estrutural nas penas das aves pode ocorrer como iridescente ou não iridescente e é fortemente dependente da estrutura e organização. Normalmente, a ordem de longo alcance é responsável por produzir iridescência, enquanto a ordem de curto alcance não é iridescente. Assim, a cor estrutural nas penas das aves é altamente ajustável e, portanto, um candidato desejável para a bioinspiração, segundo os autores.

Até agora, foi visto como as estruturas queratinosas fornecem propriedades benéficas que podem ser usadas para inspirar projetos de engenharia. No entanto, a própria queratina tem sido frequentemente utilizada como material para várias aplicações devido às suas propriedades intrínsecas diferenciais. 

Recentemente, houve um aumento significativo no número de estudos biomédicos relacionados ao uso de biomateriais à base de queratina. Essa variedade de aplicações inclui biomedicina, bioeletrônica, formulações de biolubrificantes e fabricação de estruturas ósseas. A queratina é amplamente utilizada em aplicações biomédicas devido à sua biocompatibilidade, boa interação celular e biodegradabilidade. Os designs bioinspirados apresentados pelo artigo não são apenas usados para entender o sucesso dos materiais biológicos, mas também servem como uma plataforma para pesquisadores ampliarem as ideias de design natural além das limitações da natureza, estabelecendo as bases para a próxima geração de materiais funcionais. 

O artigo aborda muito mais aspectos e linhas de pesquisa, sendo uma leitura produtiva e recomendada para quem se interessar nesse universo de bioinspiração na engenharia. Sendo assim, concluímos que com tantas utilidades diferentes, entender e replicar estruturas semelhantes à queratina tem o potencial de tocar todos os cantos da sociedade, fortalecendo ainda mais a importância direta da engenharia de materiais.

No futuro, espera-se que os robôs atuem como ajudantes versáteis, ou seja, os papéis dos robôs serão amplamente expandidos em todos os lugares, de fábricas a residências, da terra ao espaço, do meio civil ao militar e do mecanizado ao engenhoso. Essas mudanças exigem versatilidade e adaptabilidade para uma gama mais ampla de ocasiões. 

Na natureza, por exemplo, os animais podem atender a essa exigência, pelo fato de seus corpos serem compostos de materiais macios (como os músculos). Inspirados por isso, os robôs macios foram estudados e desenvolvidos nos últimos anos e são considerados candidatos promissores para fornecer versatilidade adicional aos robôs.

Os materiais inteligentes geralmente apresentam uma variedade de funções, como características de resposta, detecção, feedback, autodiagnóstico, autocorreção e auto-adaptação. 

O metal líquido oferece várias vantagens, incluindo baixo ponto de fusão, baixa viscosidade, alta condutividade elétrica e condutividade térmica. Isso sugere que o módulo de Young de um componente funcional baseado em um metal líquido cobre uma ampla faixa nesse módulo. 

Além disso, os metais líquidos com a capacidade desejável de alternar entre várias morfologias podem exibir uma riqueza de comportamentos de resposta inteligentes a estímulos externos. 

Devido à sua alta condutividade elétrica, condutividade térmica, baixos pontos de transição de fase, tensão superficial e interfaces ativas, os metais líquidos não apenas respondem a múltiplos campos externos (como campos elétricos e magnéticos, luz e calor), mas também demonstram características inteligentes. 

Com isso, os metais líquidos surgem como uma nova classe de materiais inteligentes. Ao utilizar as vantagens de metais líquidos e outros materiais sinérgicos, uma série de propriedades inteligentes de compósitos de metal líquido foram descobertas, apontam os autores. 

Consequentemente, espera-se que materiais inteligentes de metal líquido resolvam o compromisso entre suavidade e precisão exigidas, abrindo novas possibilidades para a robótica “macia”.

À medida que a complexidade dos sistemas aumenta, espera-se que propriedades inteligentes imprevisíveis apareçam também e a construção efetiva de um sistema compósito de metal líquido pode se tornar um desafio. 

Assim, estudos devem ser realizados para a construção de sistemas compósitos de metal líquido capazes de trabalhar em conjunto com outros materiais. Os autores apontam que além de soluções, partículas e polímeros, explorar as interações de outras substâncias sinérgicas com metais líquidos para a construção de sistemas compósitos é uma estratégia promissora.

Os autores apontam também que o desempenho dos robôs precisa ser aprimorado para aplicações práticas, por exemplo, não apenas para a velocidade e força, mas também para sua deformabilidade.

Os robôs líquidos são diferentes dos robôs tradicionais e a implementação deles será um desafio. Por exemplo, a modelagem 3D de robôs líquidos ainda está repleta de dificuldades devido à falta de estruturas de suporte, pois os robôs geralmente precisam formar formas específicas ao realizar tarefas. 

Em conclusão, os robôs macios de metal líquido estão evoluindo da fantasia para a realidade. O desenvolvimento de materiais inteligentes de metal líquido é um passo fundamental para alcançar esse objetivo (e tem recebido grande atenção nos últimos anos).

Os osteossarcomas são tumores (ósseos) sólidos altamente malignos, acometendo geralmente crianças e adolescentes. Metotrexato, doxorrubicina e cisplatina têm sido usados como protocolo de tratamento padrão e esse regime medicamentoso melhorou significativamente o prognóstico dos indivíduos afetados.

No entanto, para os pacientes que não respondem ao tratamento, as opções são poucas. Estudos demonstraram que aproximadamente 40% dos pacientes com osteossarcoma apresentam uma resposta ruim ao protocolo quimioterápico atual e intensificar o regime de tratamento adicionando mais medicamentos não melhora o resultado, mas aumenta a toxicidade.

A hidroxiapatita (HA) é o principal constituinte dos dentes e ossos, de fórmula química Ca10(PO4)6(OH)2, que tem sido extensivamente estudada para diversas aplicações clínicas. Além disso, pode ser sintetizada e moída em partículas em tamanho micro e nano.

As nanopartículas em um volume definido têm a vantagem de ter uma área superficial relativamente maior em comparação com as micropartículas, o que melhora drasticamente as características de carregamento de um agente e, consequentemente, um aumento na capacidade de liberação do fármaco. O foco de pesquisas recentes têm sido ativar biologicamente a HA no tecido alvo para aumentar a eficácia da droga, especialmente no câncer ósseo.

Além disso, estudos mostram efeitos antitumorais da nHA na viabilidade metabólica de vários tipos de células cancerígenas in vitro. No entanto, o efeito antitumoral da nHA puro se mostrou insuficiente para erradicar um tumor estabelecido e, portanto, outros métodos precisam ser explorados para aumentar sua citotoxicidade. 

Com base na estrutura físico-química da HA, o artigo levanta a hipótese de que citostáticos, como DOX, podem ser somados na superfície das partículas de HA, permitindo a administração local controlada de uma droga antitumoral com menos efeitos colaterais.

O estudo realizado foi composto por 3 partes principais: 1) Validação da ligação DOX-HA (doxorrubicina - hidroxiapatita); 2) Liberação lisossômica dependente do pH intracelular e entrega de DOX direcionada às mitocôndrias por nHA e 3) A eficácia das partículas de HA entregando DOX localmente em um xenoenxerto (transplantes de tecidos) de osteossarcoma.

Substitutos ósseos sintéticos baseados em HA têm sido usados durante as últimas décadas para substituir os ossos danificados em traumas ou acidentes. A aplicação de partículas puras de HA na inibição de tumores, particularmente nanopartículas, é um campo de pesquisa que ganhou atenção significativa recentemente. 

Neste estudo, os autores apresentaram que a DOX pode se ligar a HA in vitro e in vivo por meio de uma interação eletrostática, independentemente do tamanho das partículas de HA.

Os autores mostraram que a DOX, uma droga fundamental para o osteossarcoma, mostra agregação de HA particulada de tamanho nano e micro. A DOX administrada sistemicamente procura e liga as partículas de HA com mais afinidade a nHA quando em comparação com o mHA. 

Interações celulares in vitro com nHA funcionalizada com DOX indicam que o composto nHA + DOX leva à entrega intracelular de DOX, mirando na mitocôndria, levando à redução da migração celular e aumento da apoptose - “morte celular programada”.

O composto mHA + DOX pode liberar DOX extracelularmente por um longo período de tempo e, combinando as partículas de nHA e mHA, a biocompatibilidade das partículas de HA pode ser aumentada. 

Ao aplicar o sistema transportador nHA/mHA entregando DOX para o tratamento de um osteossarcoma localizado em um modelo de camundongo, foi mostrada uma redução significativa no crescimento do tumor com o uso de nano/micro HA + DOX. 

Os autores citam que nenhuma nova modalidade de tratamento para tumores ósseos sólidos evoluiu nas últimas três décadas - fundamentando a importância da pesquisa realizada.

A abordagem apresentada pelos autores abre novos caminhos para o tratamento complementar de tumores sólidos localizados. A pesquisa se apresenta como um tratamento completamente novo que utiliza partículas (nano e micro) de hidroxiapatita previamente implantadas localmente, agindo como um cavalo de Tróia em um tumor sólido.

Figura 1: Imagens de tomografia computadorizada representativas de cada grupo de teste (controle, apenas DOX, e os compostos desenvolvidos) com linha branca tracejada indicando a captação intratumoral. Fonte: (Liu et al. 2022).