26/11/2021 - 9:07
Pesquisadores desenvolveram um material gelatinoso que pode suportar o equivalente a um elefante parado sobre ele e voltar completamente à sua forma original, embora seja 80% água. Os resultados do estudo são relatados em artigo na revista Nature Materials.
O material macio, mas forte, desenvolvido por uma equipe da Universidade de Cambridge (Reino Unido), parece e é sentido como uma gelatina mole, mas age como um vidro ultraduro e inquebrável quando comprimido, apesar de seu alto teor de água.
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A parte não aquosa do material é uma rede de polímeros mantidos juntos por interações reversíveis liga/desliga que controlam as propriedades mecânicas do material. Esta é a primeira vez que uma resistência tão significativa à compressão foi incorporada em um material macio.
Crédito: Universidade de Cambridge
Ampla gama de aplicações
A “supergeleia” poderia ser usada para uma ampla gama de aplicações potenciais, incluindo robótica leve, bioeletrônica ou mesmo como um substituto de cartilagem para uso biomédico.
A forma como os materiais se comportam – sejam eles macios ou firmes, quebradiços ou fortes – depende de sua estrutura molecular. Os hidrogéis elásticos parecidos com borracha têm muitas propriedades interessantes que os tornam um assunto popular de pesquisa – como sua resistência e capacidade de autocura. Mas fazer hidrogéis que podem resistir à compressão sem serem esmagados é um desafio.
“Para fazer materiais com as propriedades mecânicas que desejamos, usamos reticuladores, em que duas moléculas são unidas por uma ligação química”, disse o dr. Zehuan Huang, do Departamento de Química de Cambridge e primeiro autor do estudo. “Usamos reticuladores reversíveis para fazer hidrogéis macios e elásticos, mas fazer um hidrogel duro e compressível é difícil e projetar um material com essas propriedades é totalmente contraintuitivo.”
Resistência controlável
Trabalhando no laboratório do professor Oren Scherman, que liderou a pesquisa, a equipe usou moléculas em forma de barril chamadas cucurbiturilas para fazer um hidrogel que pode resistir à compressão. A cucurbiturila é a molécula de reticulação que contém duas moléculas hóspedes em sua cavidade – como uma algema molecular. Os pesquisadores projetaram moléculas que preferem permanecer dentro da cavidade por mais tempo do que o normal, o que mantém a rede de polímero firmemente ligada, permitindo que ela resista à compressão.
“Com 80% de conteúdo de água, você pensaria que ele [o hidrogel] explodiria como um balão de água, mas isso não acontece: ele permanece intacto e suporta enormes forças de compressão”, disse Scherman, diretor do Laboratório para Síntese de Polímeros de Cambridge. “As propriedades do hidrogel estão aparentemente em desacordo entre si.”
“A forma como o hidrogel pode suportar a compressão foi surpreendente, não se parecia com nada que vimos nos hidrogéis”, disse a coautora drª Jade McCune, também do Departamento de Química de Cambridge. “Também descobrimos que a resistência à compressão poderia ser facilmente controlada simplesmente mudando a estrutura química da molécula hóspede dentro da algema.”
Para fazer seus hidrogéis semelhantes a vidro, a equipe escolheu moléculas específicas para a algema. Alterar a estrutura molecular das moléculas hóspedes dentro da algema permitiu que a dinâmica do material “desacelerasse” consideravelmente, com o desempenho mecânico do hidrogel final variando de estados que variavam de aparência de borracha à de vidro.
Novo capítulo
“As pessoas passaram anos fazendo hidrogéis semelhantes a borracha, mas isso é apenas metade do problema”, disse Scherman. “Revisitamos a física tradicional do polímero e criamos uma nova classe de materiais que abrange toda a gama de propriedades dos materiais, desde a borracha até o vidro, preenchendo o quadro completo.”
Os pesquisadores usaram o material para fazer um sensor de pressão de hidrogel destinado a monitorar em tempo real os movimentos humanos, incluindo ficar de pé, andar e pular.
“Até onde sabemos, esta é a primeira vez que os hidrogéis de vidro são feitos. Não estamos apenas escrevendo algo novo nos livros, o que é realmente empolgante, mas estamos abrindo um novo capítulo na área de materiais macios de alto desempenho”, disse Huang.
Pesquisadores do laboratório estão atualmente trabalhando para desenvolver ainda mais esses materiais semelhantes ao vidro para aplicações biomédicas e bioeletrônicas, em colaboração com especialistas da engenharia e da ciência dos materiais.
