O desenvolvimento de dispositivos eletrônicos mais rápidos e eficientes, melhores catalisadores para a indústria química, fontes alternativas de energia e tantas outras tecnologias depende cada vez mais da compreensão detalhada do comportamento dos materiais na escala nanométrica.

A fotônica é a ciência que investiga fenômenos relacionados à luz, como sua geração, transmissão e detecção. Suas aplicações podem ser encontradas nas mais variadas tecnologias que impactam diretamente nosso cotidiano: lasers utilizados em cirurgias, fibras ópticas para a transmissão de dados, e telas de TVs de alta definição e smartphones. Esses avanços são somente possíveis pelo conhecimento profundo da interação da luz com componentes eletrônicos supercompactos.

A combustão completa tanto de combustíveis fósseis quanto biocombustíveis gera dióxido de carbono ($\rm CO_2$) e água ($\rm H_2O$) como produtos finais. No entanto, nos motores de automóveis pode ocorrer a combustão incompleta dessas substâncias, gerando importantes poluentes, como monóxido de carbono ($\rm CO$), hidrocarbonetos, e óxidos de nitrogênio (como $\rm NO$ e $\rm NO_2$).

A Cana-de-açúcar é cultivada em diversos países ao redor do mundo para a produção, principalmente, de açúcar e álcool, obtidos do caldo extraído durante o processo de moagem. O bagaço fresco remanescente é um material rico em celulose e lignina, mas também em água. Mesmo com a extrema eficiência de operações do setor sucroalcoleiro, após todas as etapas de extração do caldo na moenda, o bagaço fresco ainda é composto por quase 50% de água. A presença dessa água remanescente no bagaço tem diversas consequências importantes.

Células vegetais são envoltas em uma estrutura chamada de parede celular, composta principalmente por celulose e lignina. Entre outras funções, essa parede dá estabilidade estrutural às células e controla a entrada de água, sais minerais e outras substâncias. Ao morrerem, as células deixam para trás sua parede celular, formando diferentes estruturas que suportam a planta dando rigidez aos caules e que facilitam o transporte de substâncias das raízes até as folhas e vice-versa. Uma dessas estrutura é o xilema: uma rede contínua de conduítes com cerca de 100 micrômetros de diâmetro que transporta a água absorvida pelas raízes até as folhas.

O Vírus da Imunodeficiência Humana tipo-1 (HIV-1) atualmente infecta 37 milhões de pessoas em todo o mundo, com mais 2 milhões de novas infecções a cada ano. Após a infecção, este vírus tem um longo período de latência, durante o qual se multiplica, mas sem apresentar sintomas. O HIV ataca as células do sistema imune, principalmente as células chamadas linfócitos T CD4+, que são responsáveis por desencadear toda a cadeia de resposta do organismo às infecções. Assim, ao suprimir a ação do sistema imune, o vírus destrói a capacidade do organismo de se defender de outras doenças, levando à chamada Síndrome da Imunodeficiência Adquirida, ou AIDS.

Catalisadores são substâncias que promovem e aceleram reações químicas sem serem consumidos durante o processo. Por exemplo, catalisadores são também utilizados, para reduzir a emissão de gases tóxicos, como o monóxido de carbono ($\rm CO$) produzido por veículos automotores. Os conversores catalíticos presentes no escapamento dos veículos permitem que ocorra a reação de oxidação do $\rm CO$, isto é, na presença do catalisador, ocorre a reação do $\rm CO$ com o gás oxigênio ($\rm O_2$), levando a formação de gás carbônico ($\rm CO_2$).

O câncer é um conjunto de doenças caracterizadas pela multiplicação descontrolada de células. Um dos principais métodos para o tratamento dessa doença é a quimioterapia, que utiliza fármacos para bloquear o crescimento dessas células ou destruí-las. Dessa forma, a maioria das drogas utilizadas agem interferindo na mitose, o mecanismo celular pelo qual novas células são produzidas. Por isso, tanto células cancerosas quanto sadias são afetadas, levando a diversos efeitos colaterais.

A tuberculose é uma infecção crônica geralmente causada por uma bactéria chamada Mycobacterium tuberculosis. Esta bactéria infecta células do sistema imune chamadas macrófagos alveolares, que são responsáveis por remover partículas poluentes e microrganismos da superfície dos alvéolos, onde ocorrem as trocas gasosas da respiração. Estima-se que aproximadamente dois bilhões de pessoas no mundo estão infectadas pela M. tuberculosis sem apresentar sintomas. No entanto, as manifestações clínicas da doença podem aparecer em qualquer momento da vida, especialmente quando o sistema imune estiver enfraquecido, como, por exemplo, devido a desnutrição ou a doenças como câncer e AIDS.

A partir do momento em que uma proteína ou enzima relacionada a alguma doença é identificada como alvo terapêutico, o estudo de sua estrutura tridimensional – as posições de cada um dos seus átomos e suas interações – permite entender a fundo sua ação. Isso é possível não só para essas substâncias produzidas por microrganismos, como vírus ou bactérias, capazes de atacar nosso organismo. É possível também, por exemplo, entender moléculas normalmente produzidas pelo próprio corpo humano, mas que tiveram sua estrutura e função alteradas devido a alguma mutação genética.