Cientistas criaram um plástico equivalente ao aço — forte, mas leve. Os plásticos, que os químicos às vezes chamam de polímeros, são uma classe de moléculas de cadeia longa compostas por unidades curtas repetidas chamadas monômeros. Ao contrário de polímeros anteriores com a mesma resistência, o novo material só existe na forma de membrana. Ele também é 50 vezes mais hermético do que o plástico mais impermeável do mercado. Outro aspecto notável desse polímero é a simplicidade de sua síntese. O processo, que ocorre à temperatura ambiente, requer apenas materiais baratos, e o polímero pode ser produzido em massa em grandes folhas com apenas alguns nanômetros de espessura. Os pesquisadores relataram suas descobertas em 2 de fevereiro na revista Nature.
O material em questão é chamado de poliamida, uma rede entrelaçada de unidades moleculares de amida (amidas são grupos químicos de nitrogênio ligados a átomos de carbono ligados ao oxigênio). Esses polímeros incluem o Kevlar, uma fibra usada para fazer coletes à prova de balas, e o Nomex, um tecido resistente ao fogo. Assim como o Kevlar, as moléculas de poliamida no novo material são ligadas umas às outras por ligações de hidrogênio ao longo de toda a extensão de suas cadeias, o que aumenta a resistência geral do material.
“Eles grudam uns nos outros como velcro”, disse o autor principal, Michael Strano, engenheiro químico do MIT. Rasgar materiais exige não apenas quebrar cadeias moleculares individuais, mas também superar as gigantescas ligações de hidrogênio intermoleculares que permeiam todo o feixe de polímeros.
Além disso, os novos polímeros podem formar flocos automaticamente. Isso facilita o processamento do material, pois ele pode ser transformado em filmes finos ou usado como revestimento de superfície em película fina. Os polímeros tradicionais tendem a crescer como cadeias lineares ou a se ramificar e se ligar repetidamente em três dimensões, independentemente da orientação. Mas os polímeros de Strano crescem de uma maneira única em 2D para formar nanofolhas.
“É possível agregar dados em uma folha de papel? Acontece que, na maioria dos casos, não era possível, até o nosso trabalho”, disse Strano. “Então, descobrimos um novo mecanismo.” Neste trabalho recente, sua equipe superou um obstáculo para tornar possível essa agregação bidimensional.
A razão pela qual as poliaramidas têm uma estrutura planar é que a síntese do polímero envolve um mecanismo chamado moldagem autocatalítica: à medida que o polímero se alonga e adere aos blocos de construção monoméricos, a rede polimérica em crescimento induz os monômeros subsequentes a se combinarem apenas na direção correta para fortalecer a união da estrutura bidimensional. Os pesquisadores demonstraram que podiam facilmente revestir o polímero em solução sobre wafers para criar laminados com cerca de 2,5 cm de largura e menos de 4 nanômetros de espessura. Isso é quase um milionésimo da espessura de uma folha de papel sulfite comum.
Para quantificar as propriedades mecânicas do material polimérico, os pesquisadores mediram a força necessária para perfurar uma folha suspensa do material com uma agulha fina. Essa poliamida é de fato mais rígida do que polímeros tradicionais como o náilon, o tecido usado para fazer paraquedas. Notavelmente, é necessária o dobro da força para desparafusar essa poliamida super-resistente em comparação com o aço da mesma espessura. De acordo com Strano, a substância pode ser usada como revestimento protetor em superfícies metálicas, como folheados de carros, ou como filtro para purificar água. Nesta última função, a membrana filtrante ideal precisa ser fina, mas resistente o suficiente para suportar altas pressões sem deixar vazar pequenos contaminantes indesejáveis para o nosso abastecimento final – uma combinação perfeita para este material de poliamida.
No futuro, Strano espera estender o método de polimerização a diferentes polímeros além desse análogo de Kevlar. "Polímeros estão por toda parte", disse ele. "Eles fazem tudo." Imagine transformar muitos tipos diferentes de polímeros, até mesmo os exóticos que podem conduzir eletricidade ou luz, em filmes finos que podem cobrir uma variedade de superfícies, acrescenta ele. "Graças a esse novo mecanismo, talvez outros tipos de polímeros possam ser usados agora", disse Strano.
Em um mundo cercado por plásticos, a sociedade tem motivos para se entusiasmar com um novo polímero cujas propriedades mecânicas são tudo menos comuns, disse Strano. Essa aramida é extremamente durável, o que significa que podemos substituir os plásticos do dia a dia, de tintas a sacolas e embalagens de alimentos, por materiais mais resistentes e em menor quantidade. Strano acrescentou que, do ponto de vista da sustentabilidade, esse polímero 2D super-resistente é um passo na direção certa para libertar o mundo do plástico.
Shi En Kim (como é geralmente chamada, Kim) é uma escritora científica freelancer nascida na Malásia e estagiária editorial da Popular Science na edição de primavera de 2022. Ela escreveu extensivamente sobre tópicos que vão desde os usos peculiares das teias de aranha — por humanos ou pelas próprias aranhas — até coletores de lixo no espaço sideral.
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Data da publicação: 19 de maio de 2022